Вуглеволокно проти скловолокна: що краще для 3D-друку?

Автор каналу My Tech Fun провів комплексне порівняння філаментів, армованих вуглеволокном (CF) та скловолокном (GF), проаналізувавши 18 пар матеріалів одного бренду та типу (загалом 36 котушок). Зразки тестували на міцність на розрив, міжшарову адгезію, зсув, кручення, триточковий вигин, ударну в'язкість за Ізодом, термостійкість та повзучість. За результатами випробувань вуглеволокно показало вищу жорсткість у 89% випадків і перевершило скловолокно за модулем пружності в усіх тестах без винятку, тоді як скловолокно продемонструвало кращу міжшарову адгезію у 67% пар. За висновком автора, у більшості механічних властивостей суттєвої різниці між цими наповнювачами немає, проте вуглеволокно має незаперечну перевагу в жорсткості та дещо кращу термостійкість.

1. ▶ 0:30Призначення волоконних наповнювачів: Додавання волокон робить надруковану деталь значно жорсткішою, стійкішою до вигину та повзучості, а також зменшує усадку, що покращує розмірну точність, полегшує друк і трохи підвищує термостійкість. Серед недоліків автор виділяє підвищену крихкість виробів, можливе погіршення міжшарової адгезії, високу абразивність, яка потребує сопел із загартованої сталі, та несумісність із модулями AMS.
2. ▶ 1:00Чутливість до вологи: Композитні філаменти сильніше вбирають вологу через мікрозазори між волокнами та базовим полімером, тому при зберіганні на відкритому повітрі їх майже завжди доводиться сушити. Проте, на думку автора, позитивним моментом є те, що такий матеріал сушити легше, оскільки волога накопичується у мікропорах, а не вбирається структурою базового пластику.
3. ▶ 1:30Зовнішній вигляд, електропровідність та мікрохвилі: Вуглеволоконні матеріали зазвичай дорожчі, мають матову поверхню і доступні лише в чорному або дуже темних кольорах, тоді як прозорість скловолокна дозволяє отримувати світлі відтінки філаментів. Вуглеволокно є струмопровідним і його не можна сушити в мікрохвильовці, тоді як скловолокно теоретично можна, якщо на котушці немає RFID-мітки.
4. ▶ 2:00Геометрія волокон під мікроскопом: Дослідження кількох філаментів під мікроскопом показало, що діаметр вуглецевих волокон зазвичай становить 5–10 мікрометрів, тоді як скляні волокна дещо товщі — від 10 до 20 мікрометрів. Довжина волокон обох типів виявилася приблизно однаковою, і суттєвої різниці за цим параметром автор не виявив.
5. ▶ 2:30Вибірка та методологія порівняння: Автор зібрав базу з 36 матеріалів, утворивши 18 пар від однакових брендів і на базі однакових полімерів з двома типами армування — CF та GF. Для оцінки автор ділив значення для скловолокна на показник вуглеволокна: результат нижче 100% означав перевагу версії з вуглеволокном, а вище 100% — перевагу версії зі скловолокном.
6. ▶ 3:31Міцність на розрив: У тестах горизонтально надрукованих зразків із мінімальним перерізом 4×4 мм вуглеволокно виявилося міцнішим у 67% пар, тоді як скловолокно перемогло лише у 33%. Результати були змішаними серед різних типів пластику, тому автор вважає, що чіткої прив'язки цієї переваги до конкретного полімеру немає.
7. ▶ 4:30Міжшарова адгезія: При випробуванні на розрив вертикально надрукованих зразків із перерізом 4×4 мм філаменти зі скловолокном продемонстрували кращу адгезію між шарами у 67% протестованих пар. Автор зазначив, що за цим показником залежності від типу базового матеріалу також не виявлено.
8. ▶ 5:00Тест на подвійний зсув: У випробуваннях зразків, надрукованих горизонтально, вуглеволокно перевершило скловолокно у 61% випадків проти 28% у GF. При вертикальному друку версії з CF також зберегли невелику перевагу, попри очікування автора, що в цьому положенні вирішальну роль відіграватиме краща адгезія шарів у скловолокна.
9. ▶ 6:00Тест на кручення: При вимірюванні навантаження під час скручування горизонтальних зразків на 90° та руйнівного моменту для вертикальних зразків значна кількість пар показала абсолютно однакові результати (100%). Серед решти зразків перевага була за вуглеволокном: 47% проти 18% для горизонтальних зразків і 40% проти лише двох випадків переваги GF для вертикальних.
10. ▶ 6:30Триточковий вигин та деформація: Під навантаженням 5 кг через 30 секунд зразки з вуглеволокном продемонстрували меншу деформацію у 89% випадків, тоді як скловолокно показало кращий результат лише в 11% пар. Це найбільш очевидна механічна відмінність між матеріалами, яка підтверджує значно вищу жорсткість композитів із CF.
11. ▶ 7:00Міцність на вигин та модуль пружності: У тестах на універсальній випробувальній машині вуглеволокно домінувало за міцністю на вигин, поступившись скловолокну лише у двох випадках із мінімальним відставанням. За модулем пружності при вигині вуглеволокно показало безумовну перевагу в 100% тестів без жодного винятку.
12. ▶ 7:30Ударна в'язкість за Ізодом: Тест показав, наскільки крихким або в'язким є матеріал, і в більшості випадків кращі результати продемонструвало скловолокно. Це свідчить про те, що філаменти з GF є менш крихкими та краще витримують ударні навантаження, ніж версії з CF, хоча різниця, за спостереженням автора, не є критичною.
13. ▶ 8:01Термостійкість і повзучість: При нагріванні в печі з невеликим навантаженням (гайка M10) вуглеволокно показало кращу термостійкість або однаковий результат у 50% пар, тоді як скловолокно жодного разу його не перевершило. У тесті на повзучість під навантаженням 1,25 кг протягом доби версії з CF також деформувалися менше в більшості випадків, хоча в чотирьох парах скловолокно виявилося стійкішим.
14. ▶ 8:30Вміст волокон у композиті: Автор зазначив, що у своєму порівнянні не враховував точний процентний вміст волокон, який не завжди однаковий і часто у філаментах з GF є дещо вищим. На думку автора, компанії-виробники намагаються ввести максимально можливу частку волокон, за якої нитка ще не стає занадто крихкою для друку.

Підсумок: За словами автора, більшість механічних характеристик обох типів армування є схожими, проте вуглеволокно має беззаперечну перевагу в жорсткості та вищу температурну стійкість, тоді як скловолокно виграє за міжшаровою адгезією та ударною в'язкістю.