Guia completo: Impressão 3D em fibra de carbono

A fibra de carbono impressa em 3D é amplamente conhecida por sua resistência e durabilidade. Saiba mais sobre a tecnologia, os usos, os serviços e as impressoras para aproveitá-los ao máximo.

Os materiais de impressão 3D com infusão de fibra de carbono costumavam ser o domínio das impressoras 3D de nível profissional, mas não mais. Nos últimos anos, várias introduções de materiais de fibra de carbono provam que qualquer pessoa pode imprimir peças com excelentes propriedades mecânicas, leveza e durabilidade da fibra de carbono.

Popular desde a década de 1960, a impressão 3D com fibra de carbono recentemente entrou no centro das atenções como um material que dá às peças plásticas resistência e resistência ao calor, produtos químicos e corrosão.

É o material ideal para aplicações de engenharia de alto desempenho, ferramentas de oficina, gabaritos e acessórios de fábrica e protótipos de carrocerias de automóveis, juntamente com projetos domésticos, como suportes de parede para bicicletas, porta-ferramentas e bicos de aspirador de pó.

O que é impressão 3D de fibra de carbono?

Impressão 3D de fibra de carbono é um termo geral para impressão 3D usando material de fibra de carbono picado ou contínuo embutido em um pó de polímero ou filamento de polímero. O material “base” no qual a fibra de carbono é infundida pode ser nylon (PA11, PA12), PEEK, PETG ou uma ampla gama de outros polímeros, e a quantidade de fibra de carbono no material varia.

Como o material é fibra de carbono com um polímero, muitas vezes você ouvirá esse tipo de impressão 3D ser chamado de impressão 3D “composta”.

As principais tecnologias de impressão 3D com fibra de carbono são:

• Modelagem de deposição fundida (FDM)
• Sinterização seletiva a laser (SLS)

Fibra de carbono FDM

A impressão 3D FDM é o método mais acessível e versátil para fazer peças de fibra de carbono. Existem variações entre impressoras e tipos de materiais que podem fazer toda a diferença no seu produto final.

O filamento de fibra de carbono pode ser usado em uma ampla gama de impressoras 3D FDM, desde que você use um bico de aço endurecido, mas o material pode variar. Os filamentos contendo partículas de fibra de carbono funcionam da mesma maneira: o calor da extrusora torna o filamento flexível e também alinha as fibras de carbono embutidas na direção de impressão, o que dá à impressão final sua resistência e rigidez.

O segundo método de impressão em fibra de carbono é a fibra de carbono contínua (CCF), que usa bicos de extrusão duplos. Uma extrusora estabelece uma camada de fibra de carbono contínua, enquanto a outra estabelece uma camada de outro material. Juntos, eles incorporam a fibra de carbono intacta no polímero base. Este método cria peças que são mais fortes do que o uso de fibras picadas e fornece uma distribuição de carga mais consistente. Também é ideal para peças que não requerem fibra de carbono, mas, em vez disso, reforço em áreas específicas – apenas na parede externa, por exemplo.

Outra versão dessa abordagem é a coextrusão contínua de fibra (CFC), onde um material plástico e uma fibra contínua são fundidos dentro da extrusora.

O que é muito interessante sobre essas duas abordagens é que, dependendo da estratégia de preenchimento e deposição, as propriedades personalizadas do material podem ser incorporadas à peça sem alterar sua forma líquida. Diferentes estratégias de reforço incluem descasque, listras de painéis de fibra, nervuras e ângulos de fibra, entre outros.

Fibra de Carbono SLS

A impressão 3D SLS usa lasers de alta potência para fundir material plástico em pó em formas 3D, uma camada de cada vez. Ele pode criar peças finamente detalhadas, fortes, duráveis e resistentes ao calor de uma só vez. O nylon de fibra de carbono (CF-PA) é um dos materiais mais populares para impressão 3D SLS e o SLS é frequentemente escolhido em vez do FDM pelo acabamento superficial liso que cria e sua capacidade de fabricar formas mais complexas.

O nylon preenchido com fibra de carbono tende a ser altamente anisotrópico, o que significa que as propriedades do material variam dependendo da orientação da peça durante a impressão, porque as pequenas fibras se alinham com a forma como o pó é espalhado pela plataforma de construção. Por exemplo, a resistência à tração será muito maior nessa direção, portanto, a orientação da peça é importante e algo para o qual seu software de preparação de construção deve alertá-lo.

Os pós SLS de fibra de carbono costumavam ser caros, mas máquinas de bancada novas e muito mais acessíveis com pós proprietários entraram no mercado.

Principais benefícios da impressão 3D de fibra de carbono

A impressão com materiais reforçados com fibra de carbono é escolhida em vez de materiais mais padrão, como PLA, ABS, nylon ou PETG, quando são necessárias propriedades físicas superiores. Este pode ser o caso de peças de uso final, mas também para a fabricação de plataformas e gabaritos, bem como protótipos funcionais.

A fibra de carbono aumenta a resistência enquanto diminui o peso, tornando-a um composto ideal para muitas indústrias, como automotiva, aeroespacial e artigos esportivos. Obviamente, as características específicas do processo, como linhas de camada ou precisão dimensional, ainda serão ditadas principalmente pelo tipo de máquina usada.

No geral, a impressão 3D de fibra de carbono é valorizada por:

• Alta resistência e rigidez
• Potencial substituto do metal
• Estabilidade dimensional excepcional
• Utilizável para peças de uso final e protótipos funcionais
• Resistente à corrosão, calor, óleo e graxa

Quais são as melhores impressoras 3D de fibra de carbono?

Há muito a considerar ao selecionar uma impressora 3D de fibra de carbono. O mercado já foi dividido entre versões profissionais de desktop e versões maiores de chão de fábrica industrial, mas agora inclui o que pode ser considerado consumidor ou, melhor ainda, “pro-sumer”, unidades de desktop, como Bambu Lab, Qidi Tech, Pusa e Creality. Essas máquinas muito mais baratas não apenas imprimem com materiais infundidos de fibra de carbono, incluindo náilon, PET e PPS, mas os fabricantes dizem que as impressoras são projetadas para fibra de carbono porque têm o calor necessário, controle térmico e bico de aço endurecido.

Então, se você pode imprimir em 3D com filamento de fibra de carbono em máquinas que custam apenas algumas centenas de dólares e obter ótimos resultados, por que investir dezenas de milhares em uma Stratasys F190CR, por exemplo? Os fabricantes de impressoras 3D industriais diriam confiabilidade, repetibilidade e tempo de atividade da máquina.

Ao fazer compras, pense nestes aspectos:

• A fibra de carbono infundirá materiais, mas o filamento mais complexo com o qual você imprime ou o menos?
• Existe um perfil de impressão para o material específico que você precisa em sua impressora?
• Qual é o tempo de atividade da impressora?
• Qual a taxa de sucesso das impressões?
• Qual tamanho e volume de impressão você precisa (peças grandes, muitas peças)?
• Que nível de detalhe (você precisa de canais finos ou formas mais gerais)?
• Velocidade de impressão rápida (você precisa de peças em uma hora ou dois dias?)
• Verificação e rastreabilidade de peças (precisa de um histórico camada por camada da construção)?

Melhores materiais de fibra de carbono

Filamento de fibra de carbono

Ao comprar filamento CF, observe o polímero no qual as fibras de carbono são infundidas (nylon, PEEK, PETG, etc.) e a quantidade (% em peso) de fios de fibra de carbono no filamento. Para obter melhores resultados, você desejará um material com um perfil de impressão para sua impressora 3D específica, para reduzir o tempo e o esforço para estabelecer suas próprias configurações.

As fibras de carbono adicionam resistência e durabilidade aos polímeros, com a notável exceção do PLA. Quando a fibra de carbono no PLA é cortada, pode haver um aumento no desempenho, mas a maior parte da fibra de carbono no PLA está na forma de pó. As marcas usam fibra de carbono moída ou em pó, não picada, fazem isso pelo apelo estético. O acabamento superficial preto fosco do PLA com fibra de carbono absorve quase completamente a luz e tem o efeito de ocultar as linhas de camada a 0,2 mm de altura da camada.

Quanto maior a porcentagem de fibra de carbono no filamento, sem dúvida, melhor o reforço. A quantidade mais comum é 20% de fibra de carbono.

Se você deseja migrar para a impressão 3D CF industrial, talvez não tenha escolha de filamento. Muitas impressoras 3D profissionais e industriais só funcionam com o filamento CF dessa marca. Esse fato é especialmente verdadeiro para materiais de fibra de carbono contínuos, que só podem ser processados por máquinas especializadas, pois exigem hardware que disponha e corte o fio de fibra de carbono contínuo que está sendo incorporado ao material de base.

Quanto custa o filamento de fibra de carbono?

Isso, é claro, depende de muitos fatores. Na extremidade inferior, um carretel de 1 kg de filamento CFF custará cerca de US $ 50. Isso não está muito longe dos filamentos padrão no mundo FDM de desktop profissional. Claro, esse preço pode explodir rapidamente, com um carretel de 800 gramas de filamento de ônix da Markforged sendo vendido a US $ 230.

Há muita variedade por aí quando se trata de impressão 3D de fibra de carbono, e os preços podem aumentar rapidamente quando o carretel precisa ser acompanhado por impressoras especializadas, portanto, certifique-se de entender exatamente quais requisitos suas peças precisam atender para não cair em um poço de dinheiro negro de carbono.

Pellets de fibra de carbono

Para impressoras 3D de extrusão (FDM) equipadas com um funil de pellets e uma extrusora de pellets especial, os materiais de fibra de carbono também são uma opção. Essas impressoras 3D podem usar os mesmos materiais poliméricos de fibra de carbono usados na moldagem por injeção, o que geralmente reduz o preço de sua matéria-prima. As impressoras 3D de pellets são normalmente usadas para impressão 3D de grande formato quando você usa muito material. Algumas extrusoras também podem ser instaladas na extremidade ou em um braço robótico para fazer peças extragrandes.

Tal como acontece com o filamento FDM, apenas as impressoras com extrusoras que podem ficar quentes o suficiente podem gerenciar efetivamente a fibra de carbono.

Pó de polímero de fibra de carbono

Embora não entremos em todos os detalhes dos pós de polímero CF aqui, saiba que a forma como as fibras são misturadas com o pó de polímero faz a diferença.

Por exemplo, os fabricantes de sistemas SLS de bancada Formlabs e Sinterit oferecem um nylon PA 11 misturado com fibras de carbono que são distribuídas frouxamente entre os grânulos de polímero. Isso leva ao alinhamento da direção do recobridor de pó e, em última análise, aos perfis anisotrópicos, como mencionamos acima. Este tipo de fibra de carbono adicionada pode melhorar muito a resistência à tração do PA em uma direção, mas na verdade ser prejudicial ao desempenho da peça em outros aspectos. Certifique-se de considerar isso ao projetar e preparar seu modelo para impressão.

Agora dê uma olhada nos pós de fibra de carbono SLS de nível industrial, como o da EOS chamado HT-23. Aqui, os 23% de fibras de carbono estão ligados aos grânulos de polímero, produzindo uma resistência mais uniforme nas direções X, Y e Z. Este material, no entanto, está no topo dos pós, tanto em desempenho quanto em preço, e só pode ser manuseado por um dos dois sistemas EOS especializados em alta temperatura, o P450 e o P810.

Quanto custa o pó de polímero de fibra de carbono?

Os pós SLS são geralmente mais caros, como mostram os já mencionados Formlabs PA 11 CF e Sinterit PA 11 CF, com preços em torno de US$ 1.000 por unidade de 6 kg. A EOS nem divulga abertamente o preço do pó HT-23, o que nunca é um bom sinal quando se trata de caça a pechinchas.

Reciclagem de fibra de carbono

Como a fibra de carbono é um material tão resistente, é difícil triturar e reciclar como faria com outros plásticos. Atualmente, uma grande quantidade de resíduos de polímeros de fibra de carbono é descartada em aterros sanitários ou incinerada. Por esse motivo, alguns fabricantes estão retornando aos metais, como o titânio, porque eles podem ser reciclados no final da vida útil do produto. Este é um obstáculo que a indústria de manufatura aditiva pretende remediar com pesquisas contínuas sobre maneiras de recuperar produtos impressos em fibra de carbono. Para aumentar o uso sustentável de polímeros de fibra de carbono na impressão 3D, tente começar com materiais feitos de fibras de carbono recicladas e polímeros reciclados.

A fibra de carbono é prejudicial e tóxica?

Além dos perigos típicos na impressão 3D de queimaduras térmicas de plástico fundido ou peças de máquinas quentes, também existem riscos específicos do material associados à fibra de carbono como material de impressão 3D.

Sem surpresa, as fibras de carbono microscópicas transportadas pelo ar, como podem aparecer ao manusear o pó SLS reforçado com fibra de carbono, não são algo que você deseja em seus pulmões, potencialmente levando a irritação e problemas respiratórios. Ventilação adequada do espaço de trabalho e equipamentos de proteção individual, incluindo luvas e máscaras, são absolutamente necessários.

No caso de fibras de carbono infundidas e contínuas, esse risco é minimizado. No entanto, a fumaça e a fumaça do material fundido ainda são uma preocupação para a saúde. Como as fibras de carbono são frequentemente combinadas com plásticos à base de petróleo, como náilon (PA12), ABS ou PETG, aplicam-se precauções de saúde para esses materiais e ventilação adequada, além do uso de equipamentos de proteção para evitar a inalação de aerossóis e VOCs.

Encomende peças impressas em fibra de carbono em 3D

As impressoras 3D de fibra de carbono podem variar de preço de alguns milhares a centenas de milhares de dólares. Felizmente, para colocar as mãos em uma peça impressa em fibra de carbono, você não precisa possuir uma impressora.

Os provedores de serviços de impressão 3D podem imprimir componentes para você a preços acessíveis. Eles também oferecem conselhos sobre qual material e tecnologia são melhores para o seu caso de uso. Eles são uma ótima opção quando o número de peças necessárias não garante o investimento inicial ou você simplesmente deseja experimentar as muitas opções.

Apesar de ser o material ideal para peças duráveis, os materiais com infusão de fibra de carbono não são oferecidos pela maioria dos prestadores de serviços. É verdade que o nylon sem adição de fibra de carbono pode ser forte o suficiente para muitas aplicações industriais, mas a resistência adicional das fibras está impulsionando a venda de materiais de fibra de carbono e impressoras 3D em todo o mundo, portanto, esperamos que mais agências de serviços atendam à demanda.

Software para impressoras 3D de fibra de carbono

Todas as impressoras 3D requerem software operacional para transformar seu modelo digital em instruções para a máquina seguir. Se você já usou impressoras 3D de filamento, estará familiarizado com o conceito. No caso da impressão de filamento de fibra picada, o software que acompanha sua máquina desktop geralmente será capaz de fazer o trabalho, desde que sua impressora atenda às especificações do filamento.

Com materiais e tecnologias mais avançados, o software de fatiamento padrão pode não funcionar, simplesmente porque não foi projetado para permitir parâmetros específicos do material, como estratégias de reforço de fibra de carbono.

Um exemplo de um software específico para fibra de carbono é o software de preparação e gerenciamento de arquivos da Markforged chamado Eiger. Recentemente, o software incorpora testes virtuais por meio de simulação. Em vez de testar a resistência da peça após o fato, esta ferramenta agora oferece um fluxo de trabalho inteligente de validação e otimização de reforço de fibra de carbono antes da impressão e com o apertar de um botão.

Este artigo foi inicialmente publicado por All3DP.