Углеволокно против стекловолокна: что лучше для 3D-печати?

Автор канала My Tech Fun провел комплексное сравнение филаментов, армированных углеволокном (CF) и стекловолокном (GF), проанализировав 18 пар материалов одного бренда и типа (всего 36 катушек). Образцы тестировали на прочность на разрыв, межслойную адгезию, сдвиг, кручение, трехточечный изгиб, ударную вязкость по Изоду, термостойкость и ползучесть. По результатам испытаний углеволокно показало более высокую жесткость в 89% случаев и превзошло стекловолокно по модулю упругости во всех тестах без исключения, тогда как стекловолокно продемонстрировало лучшую межслойную адгезию в 67% пар. По выводу автора, в большинстве механических свойств существенной разницы между этими наполнителями нет, однако углеволокно обладает неоспоримым преимуществом в жесткости и несколько лучшей термостойкостью.

1. ▶ 0:30Назначение волоконных наполнителей: Добавление волокон делает напечатанную деталь значительно более жесткой, устойчивой к изгибу и ползучести, а также уменьшает усадку, что улучшает размерную точность, облегчает печать и немного повышает термостойкость. Среди недостатков автор выделяет повышенную хрупкость изделий, возможное ухудшение межслойной адгезии, высокую абразивность, требующую сопел из закаленной стали, и несовместимость с модулями AMS.
2. ▶ 1:00Чувствительность к влаге: Композитные филаменты сильнее впитывают влагу из-за микрозазоров между волокнами и базовым полимером, поэтому при хранении на открытом воздухе их почти всегда приходится сушить. Однако, по мнению автора, положительным моментом является то, что такой материал сушить легче, так как влага накапливается в микропорах, а не впитывается структурой базового пластика.
3. ▶ 1:30Внешний вид, электропроводность и микроволны: Углеволоконные материалы обычно дороже, имеют матовую поверхность и доступны только в черном или очень темных цветах, тогда как прозрачность стекловолокна позволяет получать светлые оттенки филаментов. Углеволокно является токопроводящим и его нельзя сушить в микроволновке, тогда как стекловолокно теоретически можно, если на катушке нет RFID-метки.
4. ▶ 2:00Геометрия волокон под микроскопом: Исследование нескольких филаментов под микроскопом показало, что диаметр углеродных волокон обычно составляет 5–10 микрометров, тогда как стеклянные волокна несколько толще — от 10 до 20 микрометров. Длина волокон обоих типов оказалась примерно одинаковой, и существенной разницы по этому параметру автор не обнаружил.
5. ▶ 2:30Выборка и методология сравнения: Автор собрал базу из 36 материалов, сформировав 18 пар от одинаковых брендов и на базе одинаковых полимеров с двумя типами армирования — CF и GF. Для оценки автор делил значение для стекловолокна на показатель углеволокна: результат ниже 100% означал преимущество версии с углеволокном, а выше 100% — преимущество версии со стекловолокном.
6. ▶ 3:31Прочность на разрыв: В тестах горизонтально напечатанных образцов с минимальным сечением 4×4 мм углеволокно оказалось прочнее в 67% пар, тогда как стекловолокно победило лишь в 33%. Результаты были смешанными среди разных типов пластика, поэтому автор считает, что четкой привязки этого преимущества к конкретному полимеру нет.
7. ▶ 4:30Межслойная адгезия: При испытании на разрыв вертикально напечатанных образцов с сечением 4×4 мм филаменты со стекловолокном продемонстрировали лучшую адгезию между слоями в 67% протестированных пар. Автор отметил, что по этому показателю зависимости от типа базового материала также не обнаружено.
8. ▶ 5:00Тест на двойной сдвиг: В испытаниях образцов, напечатанных горизонтально, углеволокно превзошло стекловолокно в 61% случаев против 28% у GF. При вертикальной печати версии с CF также сохранили небольшое преимущество, вопреки ожиданиям автора, что в этом положении решающую роль будет играть лучшая адгезия слоев у стекловолокна.
9. ▶ 6:00Тест на кручение: При измерении нагрузки во время скручивания горизонтальных образцов на 90° и разрушающего момента для вертикальных образцов значительное количество пар показало абсолютно одинаковые результаты (100%). Среди остальных образцов преимущество было за углеволокном: 47% против 18% для горизонтальных образцов и 40% против всего двух случаев преимущества GF для вертикальных.
10. ▶ 6:30Трехточечный изгиб и деформация: Под нагрузкой 5 кг через 30 секунд образцы с углеволокном продемонстрировали меньшую деформацию в 89% случаев, тогда как стекловолокно показало лучший результат лишь в 11% пар. Это наиболее очевидное механическое отличие между материалами, которое подтверждает значительно более высокую жесткость композитов с CF.
11. ▶ 7:00Прочность на изгиб и модуль упругости: В тестах на универсальной испытательной машине углеволокно доминировало по прочности на изгиб, уступив стекловолокну лишь в двух случаях с минимальным отставанием. По модулю упругости при изгибе углеволокно показало безусловное преимущество в 100% тестов без единого исключения.
12. ▶ 7:30Ударная вязкость по Изоду: Тест показал, насколько хрупким или вязким является материал, и в большинстве случаев лучшие результаты продемонстрировало стекловолокно. Это свидетельствует о том, что филаменты с GF менее хрупкие и лучше выдерживают ударные нагрузки, чем версии с CF, хотя разница, по наблюдениям автора, не является критической.
13. ▶ 8:01Термостойкость и ползучесть: При нагреве в печи с небольшой нагрузкой (гайка M10) углеволокно показало лучшую термостойкость или одинаковый результат в 50% пар, тогда как стекловолокно ни разу его не превзошло. В тесте на ползучесть под нагрузкой 1,25 кг в течение суток версии с CF также деформировались меньше в большинстве случаев, хотя в четырех парах стекловолокно оказалось более устойчивым.
14. ▶ 8:30Содержание волокон в композите: Автор отметил, что в своем сравнении не учитывал точное процентное содержание волокон, которое не всегда одинаково и часто в филаментах с GF несколько выше. По мнению автора, компании-производители стараются ввести максимально возможную долю волокон, при которой нить еще не становится слишком хрупкой для печати.

Итог: По словам автора, большинство механических характеристик обоих типов армирования схожи, однако углеволокно обладает неоспоримым преимуществом в жесткости и более высокой температурной стойкостью, в то время как стекловолокно выигрывает по межслойной адгезии и ударной вязкости.