ABS-CF20

Anglies pluoštu sustiprinta ABS medžiaga

ABS-CF20 – tai šiuolaikinis, pažangus inžinerinis termoplastikas turintis kompozitinių savybių. Ši medžiaga sudaryta iš neperdirbtos ABS (akrilonitrilo–butadieno–stireno) žaliavos, kuri praturtinta 20 % smulkiomis anglies pluošto dalelėmis. Rezultatas – ši medžiaga pasižymi ženkliai padidėjusiu standumu, mažesniu svoriu, didesniu atsparumu šilumai, bei mažesniu terminiu plėtimosi koeficientu lyginant su tradicinėmis 3D spausdinimui skirtomis ABS medžiagomis.

Ši medžiaga yra gaminama naudojant dvigubą ekstruziją (angl. double-core extrusion), kurios metu medžiagos gija įgauna dvisluoksnę struktūrą: išorinis ABS sluoksnis spausdinant modelius užtikrina gerą sukibimą tarp sluoksnių ir glotnų paviršių, o vidinis sluoksnis – ABS medžiaga sustiprinta anglies pluoštu – suteikia mechaninį tvirtumą bei termostabilumą. Trumpai tariant, ši medžiagų kombinacija pagerina medžiagos standumą ir termostabilumą tiek XY, tiek Z kryptimis.

Surinkimo linijos įrankis. 3D spausdinimo technologija: 3D FDM | Medžiaga: ABS-CF20 | Matmenys: 200 x 100 x 120 mm. (©WRYEDGE nuotrauka)

Dėl šių savybių ABS-CF20 medžiaga puikiai tinka geresnių mechaninių savybių reikalaujantiems prototipams, funkcinėms detalėms bei pramonei skirtoms tvirtinimo sistemoms, kur svarbus gaminamo objekto matmenų stabilumas, tvirtumas ir 3D spausdinimo patikimumas.

ABS-CF20 medžiagos gamybos procesas

ABS-CF20 yra kompozitinė medžiaga, sudaryta iš ABS polimero, sustiprinto anglies pluošto dalelėmis. Gamybos procesas vyksta keliais etapais, kurių kiekvienas svarbus galutinėms medžiagos savybėms užtikrinti: nuo pluošto paruošimo iki dvigubos ekstruzijos.

I etapas: anglies pluošto paruošimas

Šiai dvikomponentei medžiagai naudojamas anglies pluoštas, dažniausiai yra iš anksto susmulkintas į itin mažas daleles, kurių ilgis dažniausiai svyruoja tarp 100–300 µm, o skersmuo – 5–7 µm. Toks dalelių dydis parinktas neatsitiktinai, o tam kad būtų išlaikyta pusiausvyra tarp tinkamų medžiagos mechaninių savybių ir sklandaus 3D spausdinimo proceso užtikrinimo (išlyditos medžiagos pratekėjimo per 3D spausdintuvo antgalį). Kuo ilgesnės anglies pluošto dalelės – tuo geresnės atspausdinto objekto mechaninės savybės, tačiau tuo pačiu padidėja spausdinimo proceso sudėtingumas bei įrangos nusidėvėjimas.

II etapas: ABS ir anglies pluošto maišymas

Anglies pluošto dalelės maišomos su ABS medžiagos granulėmis specialiu dviejų sraigtų ekstruderiu, naudojant procesą, vadinamą plastiko kompaundavimu. Šio proceso metu pasiekiamas vienodas anglies pluošto paskirstymas ABS matricoje. Be to, dažnai šio proceso metu, papildomai naudojami dispersiniai agentai ir kiti rišikliai, kurie pagerina anglies pluošto dalelių sukibimą su ABS medžiagos struktūra, taip padidinant galutinės medžiagos vientisumą.

II etapas: dviguba ekstruzija

Gautas homogenizuotas mišinys paduodamas į dvigubos ekstruzijos (koekstruzijos) sistemą, kurioje naudojami du atskiri srautai: vienas – grynas ABS, skirtas išoriniam sluoksniui (angl. skin), kitas – ABS su anglies pluoštu vidiniam sluoksniui (angl. core). Tokiu būdu formuojama dviejų sluoksnių medžiaga (filamentas), kurio išorė yra švaresnė ir lengviau spausdinama, o vidus – tvirtesnis. Galutinis skersmuo kalibruojamas (1.75 mm arba 2.85 mm), o temperatūros svyruoja apie iki 260 °C priklausomai nuo konkrečios ABS formulės ir anglies pluošto koncentracijos. Atvėsinta medžiagos gija vyniojama ant jau visiems gerai pažįstamos ritės.

Orientuotos anglies pluošto dalelės ABS-CF20 medžiagos (filamento) viduje. (©WRYEDGE nuotrauka)

Šioje makro nuotraukoje puikiai matomas ABS-CF20 (ABS su 20 % anglies pluošto) medžiagos skerspjūvis su kompozitinės medžiagos struktūra ir išsidėstymu. Itin aiškiai matomi smulkios, orientuotai pasiskirsčiusios anglies pluošto dalelės – tai pagrindinis šios medžiagos armuojantis komponentas. Akivaizdu, kad pluoštas yra gerai integruotas į ABS matricos struktūrą – tai rodo tinkamą mišinio homogenizavimą medžiagos gamybos metu.

Svarbus faktorius – anglies pluošto dalelių orientacija spausdinimo metu. Dėl kompaundavimo proceso (kai anglies pluoštas maišomas su ABS) etapo, anglies pluošto dalelės dažniausiai orientuojasi ekstruzijos kryptimi.

3D spausdinimas su ABS-CF20 medžiaga

ABS-CF20 yra inžinerinio lygio medžiaga, todėl spausdinimas su ja reikalauja šiek tiek daugiau patirties ir tinkamai parinktų 3D spausdintuvo parametrų. Dėl sudėtyje esančių anglies pluošto dalelių medžiaga tampa standesnė ir atsparesnė šilumos poveikiui, tačiau, ši medžiaga turi abrazyvinių dalelių, todėl gali pakenkti spausdintuvų komponentams (pvz., antgaliui).

Parametras	Vertė / Pastabos
*Ekstruderio (angl. nozzle)* temperatūra**	250–270 °C
Darbo stalo temperatūra	100–110 °C
Ekstruderio dydis \| medžiaga	0.4–1.0 mm \| įrankinis plienas, HRC 60-65
Darbo stalo pagrindo tipas	PEI ir PVP klijų sluoksnis
3D spausdinimo greitis	30–120 mm/s (optimalus: 50 mm/s)
*3D modelio užpildymo (ang. infill)* tankis**	Pasirinktinai \| 90 % (testuose)
Užpildymo kampas	±45°
Raft atskyrimo atstumas	0.18–0.20 mm
*Atitraukimo (angl. retraction)* atstumas**	1–3 mm
Atitraukimo greitis	1800–3600 mm/min
Medžiagos džiovinimas prieš spausdinimą	Rekomenduojama 60–70 °C, 4–6 val.
Palaikymo medžiaga (angl. support)	HIPS \| Modifikuotas HIPS (rekomenduojama)

ABS-CF20 sluoksnių mikrostruktūra

ABS-CF20 medžiagos paviršius turi šiek tiek didesnę nei įprastą sluoksniuotą struktūrą, susidarančią 3D FDM spausdinimo proceso metu. Kiekvienas spausdinimo sluoksnis išryškėja dėl didesnio šiurkštumo, kurį lemia anglies pluošto dalelės. Padidintame nuotraukos fragmente, matomas sluoksnių mikrobangavimus – tai tipinis sluoksniavimo efektas, atsirandantis dėl spausdinimo galvutės krypties pasikeitimų arba nedidelių ekstruderio vibracijų. Ši tekstūra yra vizualus sluoksnių tarpusavio sukibimo indikatorius. Kuo mažesni tarpai tarp sluoksnių ir tolygesnis jų susiliejimas, tuo didesnis mechaninis vientisumas.

ABS-CF20 medžiagos (filamento) sluoksnių išsidėstymas. (©WRYEDGE nuotrauka)

Anglies pluoštas yra pagrindinis veiksnys, kuris prisideda prie paviršiaus tekstūros nelygumo, bet kartu suteikia funkcionalumo apdirbant – geresnį sukibimą su klijais, dažais, ir smūgiams atsparesnę išorinę struktūrą.

Taip pat, labai svarbi sluoksniavimo kryptis, kur ABS-CF20 medžiagos atveju, dėl anglies pluošto dalelių orientacijos XY plokštumoje, detalių mechaninės savybės yra stipriausios horizontalia kryptimi. Tuo tarpu Z kryptimi, t. y. tarp sluoksnių, tvirtumą lemia tarpsluoksninio sukibimo efektyvumas ir likusių, chaotiškai pasiskirsčiusių anglies pluošto dalelių. Gerai sukalibruotas spausdinimo profilis, optimali ekstruderio temperatūra bei sausos medžiagos naudojimas leidžia pasiekti vienodesnę struktūrą ir sumažinti delaminacijos riziką.

Tai svarbu ruošiant detales 3D spausdinimui, kur svarbi anizotropija, t. y. skirtingos savybės skirtingomis kryptimis. Pvz., laikikliai, jungtys ar konstrukciniai elementai turėtų būti orientuoti taip, kad apkrovos kryptis atitiktų didžiausio stiprio ašį (XY plokštumą).

ABS-CF20 hidroskopinės savybės

Kaip ir dauguma amorfinių termoplastikų, ABS-CF20 medžiaga yra vidutiniškai higroskopiška, tai reiškia, kad ji geba absorbuoti drėgmę iš aplinkos, ypač esant aukštai oro drėgmei. Ši savybė dar labiau išryškėja dėl joje esančių 20 % smulkių anglies pluošto dalelių, kurios padidina bendrą paviršiaus plotą ir gali veikti kaip mikroskopiniai „drėgmės kaupikliai“, o tai lemia spartesnį drėgmės įsigėrimą į medžiagos struktūrą.

Nors ABS nėra toks stipriai higroskopiškas kaip, pavyzdžiui, nailonas ar PC, tačiau dėl anglies pluošto papildymo ir didesnio tankio drėgmė gali turėti reikšmingą poveikį spausdinimo kokybei:

✅Gali atsirasti mikrosprogimai (angl. popping) spausdinant, kai įkaitusi drėgmė virsta garais.
✅Sluoksnių sukibimas tampa silpnesnis, ypač esant žemai pirmajai sluoksnių temperatūrai.
✅Gali sumažėti paviršiaus kokybė – atsiranda šiurkštumas ar burbuliukai.
✅Matmenų stabilumas taip pat nukenčia – modeliai gali deformuotis arba trauktis džiūstant.

Dėl šios priežasties ABS-CF20 prieš spausdinimą būtina džiovinti. Rekomenduojama temperatūra – 60–70 °C, trukmė 4–6 valandos (naudojant specialius filamentų džiovintuvus arba klimato kameras su tikslia temperatūros kontrole). Tinkamai išdžiovintas filaments ne tik pagerina spausdinimo kokybę, bet ir prailgina spausdinimo antgalio tarnavimo laiką, nes sumažina abrazyvų poveikį.

Koks 3D spausdintuvas tinkamas?

ABS-CF20 medžiaga nėra labai įprasta, todėl ją gali tinkamai spausdinti tik specialiai paruoštas ir tam pritaikytas 3D spausdintuvas. Svarbu, kad spausdintuvas atitiktų kelis pagrindinius reikalavimus:

✅ Uždaras korpusas – padeda išlaikyti pastovią temperatūrą ir sumažina deformacijos (angl. warping) riziką.
✅ Šildomas darbo stalas – būtinas, kad pirmas sluoksnis gerai prikibtų. Rekomenduojama temperatūra – ~100 °C.
✅ Grūdinto plieno antgalis – dėl anglies pluošto abrazyvumo, standartiniai (žalvariniai) antgaliai greitai susidėvi.
✅ Ekstruderio (ang. nozzle) temperatūros palaikymas ≥ 270 °C – tai būtina, nes ABS-CF20 reikalauja aukštesnės ekstruzijos temperatūros.
✅ Aušinimo valdymas – dažniausiai spausdinama be aušinimo arba su minimalia ventiliacija (0–20 %).

ABS-CF20 panaudojimo sritys

Anglies pluoštu sustiprinta ABS medžiaga, dažniausiai skirta inžinerinėms užduotims. Ši medžiaga puikiai tinka tada, kai reikia šiek tiek didesnio tvirtumo, matmenų stabilumo, gaminamo modelio lengvumo ir pakankamo atsparumo šilumai.

Puikiai tinka	Nerekomenduojama
✅ Funkcinėms detalėms, prototipams. ✅ Nereikšmingiems dronų / robotikos komponentams. ✅ Iki ~90 °C atsarumo detalėms. ✅ Tvirtinimo sistemoms, techniniams laikikliams. ✅ Ne itin didelių mechaninių apkrovų reikalaujantiems komponentams.	❌ Estetiniams, glotnaus paviršiaus modeliams. ❌ Smulkiemss ar labai detaliemss objektams. ❌ Lankstiems ar elastingiems komponentams. ❌ Kontaktui su maistu ar medicina. ❌ Didesnių mechaninių apkrovų reikalaujantiems objektams.

ABS-CF20 – tai moderni kompozitinė medžiaga, kuri sujungia ABS savybių patikimumą su anglies pluošto standumu. Dėl savo mechaninių savybių, stabilumo ir šiek tiek didesnio atsparumo šilumai, ši medžiaga tinkama funkcinėms, didesnę apkrovą laikančioms detalėms bei prototipams.

Nors ji netinka estetinėms ar itin smulkioms dalims, tačiau ten, kur reikia didesnio tvirtumo, mažesnio svorio, pakankamai gero tikslumo ir patikimumo – ABS-CF20 yra neblogas pasirinkimas.

Trumpi paaiškinimai su nuorodomis: double-core extrusion, ABS material, carbon fiber material, plastic compounding.

ABS-CF20 specifikacija

Ruošiama…