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Filamento Fibra de Carbono: Vantagens, Aplicações e Dicas

Um dos grandes destaques no mercado de materiais para impressão 3D é sem dúvida o filamento fibra de carbono. Forte como metal, leve como plástico e de alta resistência ao calor e ao desgaste; esta é a promessa da impressão 3D com fibra de carbono.


Neste texto exploraremos as vantagens do filamento com fibra de carbono, aplicações comuns, além de dicas práticas para  impressão 3D com esse tipo de material.

Continue lendo para saber se o filamento fibra de carbono é certo para seus projetos!

Sobre a Fibra de Carbono

Antes de entrar no universo do filamento para impressão 3D, importante destacar que a Fibra de Carbono, no seu estado puro,  é cinco vezes mais forte que o aço, além de duas vezes mais rígida.

Por este motivo as fibras de carbono são utilizadas em composição com outros materiais base (como resinas e polímeros) concedendo maior desempenho à eles. 

Mas não à toa, a fibra de carbono é considerada um material premium. O processo de fabricação da fibra de carbono ocorre em nível molecular.


Zoom mostrando do material final (a) até as fibras em escala microscópica (d). [Imagem: Huang Y. et al. – 10.1002/adfm.201605350]



Sua criação começa como um precursor líquido de poliacrilonitrila, a mistura fibrosa de átomos de carbono é então oxidada a cerca de 300 ° C para impedir que as fibras se fundam. Em seguida, é carbonizado em um forno sem oxigênio a temperaturas de até 1.000 °C. 

Este processo faz com que os átomos se fundam e expulsem quaisquer impurezas, resultando em átomos de carbono puros em cordas muito rígidas.

Por fim, as  fibras de carbono passam por um tratamento de banho de superfície. Isso torna as fibras de carbono mais resistentes e mais capazes de aderir aos produtos químicos de revestimento.

Apesar do preço mais alto do material, sua rigidez e excelente relação resistência-peso fizeram da fibra de carbono o aditivo composto de escolha para aplicações de alto desempenho, como automotivas e aeroespaciais.

Sobre o Filamento Fibra de Carbono

Os filamentos compostos com fibra de carbono utilizam pequenas seções ou pó de fibras de carbono, que são infundidas no material base para melhorar as propriedades deste material.

Como já falamos, a adição das fibras de carbono à polímeros base, causa aumento da resistência e rigidez do material, que nesse caso é vendido na forma de filamento para impressão 3D, nas espessuras de 1,75mm ou 2,85mm.



Há vários filamentos para impressão 3D populares que podem ser comprados com carga de fibra de carbono, incluindo PLA, PETG, Nylon (poliamida), ABS e Policarbonato. 

Porém, é importante atentar que nem todo filamento com fibra de carbono é igual. Existem diferentes níveis de materiais disponíveis no mercado.

Os filamentos compostos com fibra de carbono podem conter diferentes tipos de cargas de carbono, dependendo do tipo de processamento das fibras, se  por corte ou por moagem das fibras.

A qualidade também depende do processo de revestimento (banho de superfície) das fibras de carbono, que tem um impacto já citado no tópico anterior.

Geralmente as fibras quando ‘picadas’ em comprimentos de até 7 m são do tipo revestidas. O resultado é um material de impressão 3D que é reforçado por “fibras longas” que se entrelaçam dentro da matriz polimérica, sendo este o tipo mais caro e que também carrega mais as propriedades da fibra de carbono.

No processo de fabricação do filamento reforçado com fibras longas de carbono, a extrusão final do filamento é importante porque é aqui que as fibras de carbono se orientam dentro da matriz polimérica.

Correndo ao longo do comprimento do filamento, criam um efeito de tecelagem que confere resistência extra para uma peça impressa em 3D.
(Esta orientação é a razão pela qual as impressoras 3D FFF podem extrudar filamentos com fibras de até 7 mm de comprimento, através de um bico de 0,4 ou 0,6 mm.)



O processo de fabricação de cada compósito de fibra de vidro ou carbono afeta as propriedades mecânicas dos materiais impressos em 3D

Mas nem toda fibra de carbono usada nos filamentos para  impressão 3D é revestida.

Embora, não revestir ou usar um revestimento de qualidade inferior possa ser uma razão pela qual um material compósito é mais barato, também pode ser uma escolha legítima, dependendo da sua aplicação.

Isso é especialmente verdade se as fibras forem moídas em um pó fino. Nesse caso, o filamento compósito seria descrito com mais precisão como ‘preenchido’ (em vez de ‘reforçado’) com carbono.

Essa abordagem de não revestir fibras moídas não é necessariamente uma coisa ruim. Isso apenas resulta em diferentes propriedades do material. Em vez de ser mais rígido e mais forte, o material composto provavelmente será mais durável e resistente a impactos.

Aplicações com filamento fibra de carbono 

Usando materiais compostos de fibra de carbono em uma impressora 3D compatível (como a Ultimaker S3), você pode produzir peças de alta resistência de forma rápida e acessível para:

– Substituir componentes metálicos
– Otimizar projetos
– Redução de peso
– Consolidar montagens
– Protótipos de teste funcionais

Com seu alto nível de resistência à tração, rigidez e baixo peso, os filamentos compostos com fibra de carbono são um material excelente para projetos funcionais que precisam de uma ótima relação entre peso x resistência.

As fibras de carbono são adequadas para aplicações cujo desempenho é otimizado pelas suas propriedades de resistência e leveza.  Como exemplo podemos citar o setor aeroespacial, militar, de engenharia e automotivo.

O filamento fibra de carbono vem sendo cada vez mais explorado nas industrias, desde peças para criação de super carros, protótipos funcionais e próteses à ferramentas de manufatura.



Dispositivo de imobilização  impresso em 3D com filamento fibra de carbono. Imagem: Spentys

Profissionais de órteses e próteses integram cada vez mais a impressão 3D ao seu fluxo de trabalho. Eles sabem que quando se trata de órteses e próteses, os produtos “de prateleira” podem não ser perfeitos para seus pacientes. Não há dois pacientes iguais e, para cada situação médica, existem necessidades e demandas diferentes.

A empresa Spentys criou uma solução simplificada para o desenvolvimento de dispositivos de imobilização personalizados, por meio de digitalização, modelagem e impressão 3D.

Aproveitando os benefícios do filamento fibra de carbono, eles desenvolveram dispositivos de imobilização personalizados,  que oferecem não apenas alta proteção, mas também suporte nas condições mais difíceis e leveza quase imperceptível.


A BAC fez 40 peças impressas em 3D para o carro Mono R

Na indústria automotiva, a impressão 3D já se estabelece como uma tecnologia para aplicações como prototipagem rápida e ferramentas de fabricação, mas também vai além disso quando se trata de super carros.

A tecnologia vem sendo usada também na produção de pequenos lotes e peças finais personalizadas, principalmente para carros de corrida e veículos de luxo.

A britânica Briggs Automotive Company (BAC), fabricante de carros monolugares BAC Mono e BAC Mono R,  está usando impressoras 3D Ultimaker para integrar a tecnologia perfeitamente em seu fluxo de trabalho de produção.

Com materiais como o filamento fibra de carbono é possível criar componentes exclusivos para o veículo, de forma personalizada e mais leve, especialmente quando o custo desses componentes é justificado por uma melhoria no desempenho do veículo.

Filamento de Nylon com Fibra de Carbono


Uma das principais e mais utilizadas soluções de filamento fibra de carbono no mercado hoje, é o Nylon com Fibra de Carbono.

Encontrado pelo seu nome técnico PA (poliamida) + CF (carbon fiber), esse material está sendo chamado por muitos de Alumínio Negro, fazendo alusão às suas propriedades semelhantes a do Alumínio.

Suporte para modulo de controle eletrônico de motocicleta, feito com filamento de Nylon + fibra de carbono. O Ultrafuse PAHT CF 15 é adequado para este trabalho, pois é resistente ao calor e pode lidar com as vibrações da motocicleta, devido à sua alta resistência e rigidez.  

A fabricante de polímeros BASF criou uma formulação especial de Nylon que foi reforçada com Fibra de Carbono (15%) para impressão 3D. Isso resulta em um filamento surpreendentemente resistente, capaz de imprimir peças com rigidez, resistência ao impacto e alta resistência à tração.

O Ultrafuse PAHT CF – 15 é um filamento de engenharia que possui propriedades estruturais avançadas, e ao mesmo tempo, é muito fácil de imprimir, resultando em um material funcional para amadores e usuários avançados.

Benefícios do filamento Nylon HT + 15% Fibra de Carbono:

– Maior resistência química que a maioria dos grades de PA
– Resistência a temperaturas maiores que 150°C
– Peças rígidas e resistentes
– Alta estabilidade dimensional
– Fácil processamento
– Baixa absorção de umidade

Requisitos para impressão 3D com Filamento Fibra de Carbono

Para imprimir com o filamento Fibra de Carbono existem algumas indicações importantes, sendo a principal delas: Upgrade de Bico Especial.

Para imprimir com o filamento Fibra de Carbono não é indicado usar os bicos de latão, que são comumente utilizados. Isso porque o material é mais abrasivo que os filamentos normais, fazendo com que o bico se desgaste com facilidade.

Para se ter uma ideia disso, testes realizados com filamento de fibra de carbono sendo impresso por bicos de latão tradicionais, mostraram que apenas 250 gramas de filamento fibra de carbono (¼ do carretel) arruinaram completamente um bico comum de latão.

Por isso é imprescindível utilizar bicos especiais. Os bicos totalmente recomendados para a impressão do filamento de carbono são: bico de latão com ponta de rubi, e o bico de carboneto de tungstênio ou aço endurecido.

Os printcores CC 0.6, 0.4 e CC red 0.6 foram especialmente concebidos para imprimir com materiais compostos na Ultimaker S5 e na Ultimaker S3.

Esses hotends resistem mais ao desgaste adicionado pelas fibras, no entanto, eles também tendem a ser menos termocondutores do que suas contrapartes de latão, por isso pode ser necessário definir a temperatura da extrusora até 40 ° mais quente do que o normal.

Sendo assim, outro requisito importante é a temperatura de aquecimento do bico. Sua extrusora precisará atingir na temperatura de 200-230 ° C, para trabalhar bem com esses materiais.

Bicos com diâmetros maiores (0,5 mm ou mais) têm muito menos probabilidade de entupir, pois as fibras passam pelo orifício maior do bico com muito mais facilidade. E esse mais um requisito, ou pelo menos uma indicação mais favorável ao sucesso nas impressões 3D com fibra de carbono.

Dica extra: Se o bico parecer entupir imediatamente após imprimir a primeira ou duas camadas, tente aumentar a altura da primeira camada. Se o bico estiver muito perto da cama, isso criará um aumento da contrapressão durante a impressão dessas camadas, o que pode fazer com que as fibras se acumulem e obstruem o bico temporariamente.

Qual é a impressora 3D certa para filamento de fibra de carbono?

Algumas impressoras 3D FDM conseguem atingir temperaturas suficientes em seus extrusores para imprimir com filamento de fibra de carbono, mas ainda assim, é importante lembrar que requerem um bico especial que suporte a abrasividade do material.


lmpressora 3D Ultimaker S5 produzindo com filamento composto com fibra de carbono.

Nós recomendamos que você realize as suas impressões em fibra de carbono com a Ultimaker S5 ou a Ultimaker S3, que são compatíveis e bem avaliadas por muitos usuários para produção com esse material, além de diversos outros polímeros de engenharia.

Além disso, as impressoras 3D Ultimaker tem um grande volume de impressão, e oferecem fácil usabilidade e entregam resultados surpreendentemente precisos para peças de nível industrial.

Você pode assistir o nosso vídeo de review da Ultimaker S5 clicando no link a seguir: Review Ultimaker S5 | A Melhor Impressora 3D Desktop FDM do Mundo

Conclusão

O filamento de fibra de carbono é o material perfeito para quem procura resistência, durabilidade, estabilidade dimensional e leveza.

Este material está na elite dos filamentos para impressão 3D e não à toa está sendo chamado pelos usuários como o “Alumínio Negro”.

Por fim, destacamos algumas vantagens e desvantagens de escolher um filamento com fibra de carbono para sua aplicação:

Vantagens: 

  • Alternativa leve ao metal
  • As peças têm resistência e rigidez industrial
  • Estabilidade dimensional excepcional
  • Excelente para peças de uso final e protótipos funcionais
  • Resistência à corrosão, calor, óleo e graxa

Desvantagens:

  • Filamentos compostos de fibra de carbono são mais caros do que a maioria dos filamentos sem fibras de carbono
  • Um material extremamente abrasivo que pode desgastar e obstruir alguns bicos de impressora 3D
  • Mais quebradiço do que alguns outros plásticos
  • As impressoras compatíveis com filamento de fibra de carbono costumam ser mais caras do que outras tecnologias

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COMO CRIAR MOLDES DE FIBRA DE CARBONO COM IMPRESSÃO 3D EM 11 PASSOS
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