Карбон (CF) vs Стекловолокно (GF): Какой композитный филамент прочнее?

Два мотка композитного филамента (чёрный углеродный и светло-серый стекловолокно) рядом с напечатанными образцами и 3D‑принтером на заднем плане

В статье разбираем, в чём отличия углеродного и стекловолоконного композитного филамента и как эти различия влияют на прочность готовых деталей. Рассматриваем строение материалов, реальные методы испытаний, влияние базового полимера и настройки печати, а также практические рекомендации для домашнего использования и безопасности.

Устройство композитных филаментов и свойства волокон

Чтобы понять, какой филамент прочнее, нужно сначала заглянуть внутрь самой нити. Композитный филамент это не просто пластик. Это сложная система, где один материал усиливает другой. Представьте себе железобетон. Сам по себе бетон хорошо сопротивляется сжатию, но плохо растяжению. Стальная арматура, наоборот, отлично работает на растяжение. Вместе они создают прочную конструкцию. С композитными филаментами для 3D-печати всё очень похоже. У нас есть базовый полимер, который выступает в роли «бетона», и армирующие волокна в роли «арматуры».

Основой любого композитного филамента служит термопластичный полимер. Его ещё называют матрицей. Именно он определяет базовые свойства материала, такие как температура печати, химическая стойкость и гибкость. В домашних 3D-принтерах чаще всего встречаются композиты на основе:

  • PLA. Самый простой и популярный вариант. Добавление волокон делает его значительно прочнее и жёстче, убирая его главную слабость ломкость.
  • PETG. Хороший компромисс между простотой печати PLA и прочностью ABS. С волокнами становится ещё более износостойким и жёстким.
  • Nylon (PA). Очень прочный и износостойкий полимер. Армирование волокнами выводит его механические свойства на новый уровень, приближая к инженерным пластикам.
  • ASA или ABS. Эти материалы известны своей стойкостью к ультрафиолету и погодным условиям. Волокна добавляют им жёсткости и снижают усадку при печати, что является большой проблемой для этих пластиков.

В эту пластиковую основу внедряются короткие, измельчённые волокна. В филаментах для FDM/FFF-печати мы имеем дело не с длинными непрерывными нитями, как в авиастроении, а с мелкими частицами или «хлопьями». Их длина обычно составляет от 50 до 200 микрон. Содержание этих волокон в коммерческих филаментах варьируется, но обычно находится в диапазоне от 5% до 30% по массе. Меньшее количество не даёт заметного прироста прочности, а большее делает филамент слишком хрупким и трудным для печати, вызывая постоянные засоры сопла.

Теперь о главном. В чём же разница между углеродным волокном (карбоном) и стекловолокном?

Углеродное волокно (Carbon Fiber, CF) получают из тончайших нитей углерода, атомы которого выстроены в кристаллическую структуру. Это придаёт ему уникальные свойства.

  • Высокая жёсткость и модуль упругости. Детали из CF-композитов очень неохотно гнутся. Они отлично сопротивляются деформации под нагрузкой. Модуль упругости чистого углеволокна может достигать 200–300 ГПа, что сравнимо со сталью.
  • Высокая удельная прочность. Это отношение прочности к весу. Карбон невероятно прочный для своего веса. Плотность углеволокна составляет около 1.6 г/см³, что почти в пять раз меньше плотности стали. Поэтому детали получаются одновременно лёгкими и прочными.
  • Хрупкость. У высокой жёсткости есть обратная сторона. Углеродное волокно почти не растягивается перед разрушением. Его относительное удлинение до разрыва составляет всего 1–2%. Это значит, что при превышении предела нагрузки деталь не согнётся, а резко сломается.

Стекловолокно (Glass Fiber, GF), как следует из названия, изготавливается из тонких нитей расплавленного стекла. Оно служит более доступной альтернативой карбону.

  • Меньшая жёсткость. Стекловолокно не такое жёсткое, как карбон. Его модуль упругости составляет примерно 70–85 ГПа. Детали из GF-композитов будут более гибкими при тех же условиях.
  • Хорошее сочетание прочности и пластичности. Стекловолокно лучше переносит ударные нагрузки. Оно способно растягиваться на 3–5% перед разрывом, что делает его менее хрупким. Деталь под критической нагрузкой скорее треснет и деформируется, чем мгновенно разлетится на куски. Подробнее о сравнении можно почитать в статье Что лучше — карбон или стекловолокно.
  • Низкая стоимость. Производство стекловолокна значительно дешевле, что напрямую отражается на цене филамента. GF-пластики часто являются оптимальным выбором по соотношению цены и прочности.

Важно понимать, что свойства самого волокна не переносятся на напечатанную деталь один в один. Здесь в игру вступают несколько факторов.

Во-первых, ориентация волокон. При печати короткие волокна имеют тенденцию выстраиваться вдоль направления движения сопла. Это создаёт анизотропию свойств. Деталь будет очень прочной на растяжение вдоль линий печати, но значительно слабее поперёк них, особенно между слоями. Межслойная адгезия остаётся слабым местом любой FDM-печати, и волокна, лежащие плоско в слое, почти не усиливают связь между слоями.

Во-вторых, качество сцепления волокна с матрицей. Прочность композита зависит от того, насколько хорошо полимер «обволакивает» каждое волокно и передаёт на него нагрузку. Если адгезия плохая, волокна просто «проскальзывают» внутри пластика, не выполняя свою армирующую функцию. Производители филаментов решают эту проблему специальными химическими добавками.

И наконец, концентрация и длина волокон. Чем длиннее волокна и чем их больше, тем лучше армирующий эффект. Но, как уже говорилось, для 3D-печати существуют технологические ограничения. Поэтому прочность детали из CF-Nylon, напечатанной на домашнем принтере, будет далека от прочности детали из сплошного углепластика, используемого в Формуле-1. Тем не менее, даже такое армирование даёт огромный прирост в механических характеристиках по сравнению с чистым полимером, о чём мы и поговорим в следующей главе.

Механические показатели и реальные тесты прочности

Когда мы говорим «прочнее», что именно мы имеем в виду? В мире инженерных материалов это слово распадается на несколько конкретных понятий. Чтобы понять, какой филамент, с углеродным или стеклянным волокном, лучше подходит для вашей задачи, нужно разобраться в этих характеристиках. Основные из них это модуль упругости, предел прочности при растяжении и изгибе, ударная вязкость и усталостные свойства.

Давайте по порядку.

  • Модуль упругости, или модуль Юнга, это синоним жёсткости. Он показывает, насколько сильно материал сопротивляется деформации под нагрузкой. Материал с высоким модулем упругости будет очень жёстким, он почти не гнётся.
  • Предел прочности при растяжении это максимальное напряжение, которое материал выдерживает, когда его тянут в разные стороны, прежде чем он порвётся. Это классический тест «на разрыв».
  • Предел прочности на изгиб похож на предыдущий, но характеризует способность детали выдерживать нагрузку, которая пытается её согнуть. Для многих деталей, вроде кронштейнов, это ключевой параметр.
  • Ударная вязкость описывает способность материала поглощать энергию при резком ударе, не разрушаясь. Хрупкий материал может быть очень прочным на растяжение, но расколется от одного удара молотком.
  • Усталостные характеристики показывают, как долго деталь может выдерживать циклические нагрузки. Например, пружина или деталь, подверженная постоянной вибрации.

В лабораториях для оценки этих параметров используют стандартизированные методы. Самые известные это стандарты ASTM и ISO. Например, для испытаний на растяжение применяют ASTM D638 или ISO 527, для изгиба ASTM D790, а для ударной вязкости методы Шарпи или Изода. Для этого печатают специальные образцы, похожие на гантели или бруски, и ломают их на специальных машинах, фиксируя все показатели.

Главная особенность FFF-печати, которая влияет на все тесты, это анизотропия. Свойства напечатанной детали сильно зависят от направления укладки слоёв. Деталь всегда будет прочнее вдоль линий экструзии и значительно слабее поперёк, в месте спекания слоёв. Поэтому при тестировании образцы печатают в разных ориентациях, обычно горизонтально (XY) и вертикально (Z), чтобы понять реальные возможности материала.

Теперь сравним, чего ожидать от филаментов с карбоном (CF) и стекловолокном (GF) на одной и той же полимерной основе, например, нейлоне.

Карбон (CF) почти всегда выигрывает в жёсткости. Модуль упругости у напечатанных деталей из CF-композитов обычно находится в диапазоне 3–7 ГПа. Для GF-композитов этот показатель скромнее, около 2–5 ГПа. Это значит, что при одинаковой геометрии деталь из CF-пластика будет гнуться заметно меньше. Предел прочности на растяжение у карбоновых композитов тоже выше. В среднем можно ожидать значений 70–90 МПа для CF-Nylon против 50–70 МПа для GF-Nylon. Это делает карбон отличным выбором для деталей, которые должны сохранять форму под большой статической нагрузкой, например, рамы дронов или корпуса приборов.

Стекловолокно (GF) берёт реванш в пластичности и ударной вязкости. Углеродное волокно само по себе очень хрупкое. Оно придаёт жёсткость, но не любит резких ударов. Удлинение перед разрывом у CF-композитов редко превышает 1-2%. Стекловолокно более эластично, поэтому детали из GF-пластика могут растягиваться на 3-5% перед разрушением. Они лучше поглощают энергию удара. Типичные значения ударной вязкости для CF-композитов составляют 3–6 кДж/м², тогда как для GF они могут достигать 5–10 кДж/м². Если вы делаете защитный кожух, бампер или деталь, которая будет подвергаться вибрациям и ударам, стекловолокно часто оказывается более удачным выбором.

Но свойства самого материала это лишь половина дела. Огромную роль играют параметры печати и проектирования.

  • Ориентация слоёв. Всегда располагайте деталь на столе так, чтобы основные нагрузки приходились вдоль линий печати, а не поперёк слоёв. Межслойная адгезия это самое слабое место любой FFF-детали.
  • Заполнение и толщина стенки. Для максимальной прочности нужно использовать высокое заполнение, от 50% до 100%. Увеличение числа периметров (стенок) также вносит огромный вклад в прочность на изгиб и кручение. Для нагруженных деталей рекомендуется ставить не менее 3–4 периметров.
  • Постобработка. Отжиг, или контролируемый нагрев детали после печати, может значительно улучшить механические свойства. Он снимает внутренние напряжения и усиливает спекание между слоями, повышая прочность на 10-20%.

Вам не обязательно иметь дорогую лабораторию, чтобы сравнить два филамента. Провести простой тест на изгиб можно и дома. Напечатайте несколько одинаковых брусков из разных материалов с одинаковыми настройками. Положите брусок на две опоры, например, на два кирпича, и постепенно нагружайте его по центру, подвешивая груз. Вы сможете наглядно увидеть, какой образец прогнётся меньше (выше жёсткость) и какой выдержит больший вес перед поломкой (выше прочность на изгиб). Это не даст вам точных цифр в мегапаскалях, но для выбора материала под конкретную задачу этого часто достаточно.

И последнее. Производители филаментов указывают механические характеристики в технических паспортах (datasheets). Эти цифры получены в идеальных лабораторных условиях на профессиональном оборудовании. Ваши реальные результаты почти всегда будут отличаться. Они зависят от вашего принтера, его состояния, настроек слайсера, влажности филамента и даже температуры в комнате. Поэтому относитесь к данным производителя как к ориентиру, но всегда проверяйте прочность на собственных образцах, напечатанных на вашем оборудовании. Только так вы будете уверены в надёжности финального изделия.

Практика печати и эксплуатационные нюансы для домашних пользователей

Переход от теории к практике с композитными филаментами похож на пересадку с обычного седана на гоночный болид. Управлять можно, но нужно знать нюансы, иначе первая же попытка закончится разочарованием. Давайте разберёмся, как приручить карбоновые (CF) и стеклонаполненные (GF) пластики на домашнем 3D-принтере.

Первое, с чем вы столкнётесь, это температура. Композиты требуют большего нагрева. Простого повышения на 5–15°C от базовых значений для чистого полимера обычно хватает. Например, если вы печатаете PLA при 205°C, то для PLA-CF или PLA-GF стоит начать с 215–220°C. Для нейлона с карбоном (PA-CF) температуры могут достигать 250–270°C. Волокна в составе пластика действуют как теплоизолятор, поэтому для качественного проплавления и хорошей межслойной адгезии требуется больше энергии.

Скорость печати и высота слоя напрямую влияют на итоговую прочность. Здесь действует правило «тише едешь, дальше будешь». Оптимальные скорости для композитов лежат в диапазоне 40–60 мм/с. На более высоких скоростях филамент не успевает равномерно прогреться, что ведёт к плохой адгезии между слоями, а это главный враг прочности. Высоту слоя лучше держать в пределах 0.1–0.2 мм. Слишком толстые слои могут содержать пустоты и плохо спекаться, ослабляя деталь.

Адгезия к столу у композитов обычно лучше, чем у их чистых аналогов. Волокна уменьшают коэффициент теплового расширения, поэтому детали меньше деформируются и отрываются от стола. Но пренебрегать подготовкой поверхности не стоит. Подогреваемый стол, покрытый PEI-листом, стеклом с клеем-карандашом или специальными адгезивными составами, остаётся золотым стандартом.

Главная особенность композитов, о которой нужно знать до первой печати, это их абразивность. Углеродные и стеклянные волокна действуют как наждачная бумага. Ваш стандартный латунный наконечник сопла превратится в бесполезный кусок металла буквально за несколько десятков граммов филамента. Диаметр отверстия увеличится, что приведёт к полной потере качества печати. Поэтому замена сопла на износостойкое не рекомендация, а обязательное условие. Минимальный выбор это закалённая сталь. Лучше всего себя показывают сопла с рубиновым или сапфировым наконечником, либо полностью из карбида вольфрама. Диаметр сопла желательно выбирать от 0.4 мм, а лучше 0.6 мм, чтобы снизить риск засоров из-за скопления волокон. Износ касается не только сопла. Абразивные частицы будут стачивать и шестерни экструдера, особенно если они латунные. Стальные шестерни прослужат дольше.

Проблемы с засорами, трением и деформацией тоже случаются. Засоры часто возникают из-за некачественного филамента с неравномерным распределением волокон или слишком низкой температуры печати. Точная калибровка подачи пластика (E-steps) критически важна, так как композиты менее текучи.

Постобработка напечатанных деталей имеет свои особенности. Шлифовка возможна, но здесь кроется главная опасность. Микроскопическая пыль углеродного или стеклянного волокна очень вредна для лёгких. Работать нужно только в хорошо проветриваемом помещении, в респираторе класса FFP2 или FFP3, и желательно использовать влажную шлифовку, чтобы пыль не разлеталась. Идеальный вариант это система аспирации, подключённая к шлифовальному инструменту. После шлифовки поверхность можно покрыть эпоксидной смолой или лаком. Это не только улучшит внешний вид, но и закроет поры, добавив детали прочности и влагостойкости.

Для улучшения межслойной адгезии, помимо повышения температуры, можно использовать несколько хитростей. Печать с большим количеством периметров (3–5 вместо стандартных 2) создаёт прочный внешний каркас. Наклон слоёв на 45 градусов относительно основной оси нагрузки также помогает распределить напряжение более равномерно. Термообработка или отжиг (аккуратный нагрев детали в духовке после печати) способствует снятию внутренних напряжений и улучшает спекание слоёв, но нужно быть готовым к небольшой усадке и возможной потере геометрии.

Теперь о главном, что выбрать и сколько это стоит? CF-филаменты в среднем на 50–100% дороже аналогичных GF-пластиков. Выбор зависит от задачи.

  • Карбон (CF) рационально использовать там, где нужны максимальная жёсткость и минимальный вес. Это идеальный материал для рам дронов, кронштейнов для тяжёлого оборудования, спортивного инвентаря и инструментов, где важна точность и отсутствие деформаций под нагрузкой.
  • Стекловолокно (GF) это более доступный вариант для деталей, требующих хорошей прочности, ударостойкости и некоторой гибкости. Оно отлично подходит для корпусных деталей, защитных кожухов, креплений, которые могут испытывать ударные нагрузки. Для декоративных элементов GF тоже хорош, так как часто имеет интересную текстуру.

Наконец, безопасность. Это не тот случай, когда можно пренебречь правилами.

  1. Вентиляция. При печати композитами, особенно на базе ABS или Nylon, выделяются летучие органические соединения. Обязательно используйте вытяжку или печатайте в хорошо проветриваемом помещении.
  2. Защита дыхания. Респиратор необходим при любой механической обработке напечатанных деталей.
  3. Защита рук. Перчатки уберегут от микроскопических заноз из волокон при обработке.
  4. Уборка. После работы проводите влажную уборку рабочего места, чтобы собрать всю пыль.
  5. Утилизация. Отходы композитов не следует выбрасывать с обычным пластиком. Утилизируйте их как строительный мусор, чтобы микроволокна не попадали в окружающую среду.

Печать композитами требует вложений в оборудование и более внимательного подхода, но результат того стоит. Вы получаете детали, которые по своим характеристикам на голову превосходят изделия из обычных пластиков.

Часто задаваемые вопросы об углеродных и стекловолоконных филаментах

Композитные филаменты вызывают много вопросов, особенно у тех, кто только начинает с ними работать. Ниже собраны ответы на самые частые из них, которые помогут вам разобраться в нюансах и сделать правильный выбор между углеродным и стекловолоконным пластиком для ваших проектов.

В чём реальная разница по прочности между CF и GF?

Если говорить коротко, то карбон (CF) жёстче, а стекловолокно (GF) выносливее к ударам. Детали из CF-филамента будут значительно лучше сопротивляться изгибу и растяжению. При одинаковом базовом полимере и проценте наполнения, модуль упругости у деталей с углеволокном может быть на 30–50% выше. Это значит, что под нагрузкой такая деталь будет деформироваться меньше. Однако у этой жёсткости есть обратная сторона. Углеволокно довольно хрупкое, поэтому детали из CF-пластиков плохо переносят резкие ударные нагрузки и могут треснуть.

Стекловолокно, в свою очередь, более эластично. Детали из GF-филаментов лучше поглощают энергию удара и менее склонны к разрушению при падениях или столкновениях. Они могут больше изгибаться перед тем, как сломаться. Поэтому, если вам нужна деталь, которая должна выдерживать вибрации или случайные удары, стекловолокно часто оказывается более практичным выбором. И не забывайте, что финальные свойства сильно зависят от базового полимера. Например, Nylon-CF будет прочнее и термостойче, чем PLA-CF.

Какие филаменты лучше для функциональных деталей?

Выбор зависит от функции детали.

  • Карбон (CF) идеален для деталей, где важна максимальная жёсткость и минимальный вес. Это рамы для дронов, кронштейны, корпуса, которые не должны деформироваться под статической нагрузкой, а также различные рычаги и конструкционные элементы. Если деталь должна сохранять свою форму с высокой точностью, выбирайте CF.
  • Стекловолокно (GF) лучше подходит для деталей, которые подвергаются динамическим нагрузкам, вибрациям или ударам. Это могут быть защитные кожухи, гибкие защёлки, детали для спортивного инвентаря или компоненты механизмов, где важна усталостная прочность. GF прощает больше ошибок при эксплуатации.

Проведите мысленный эксперимент. Если деталь сломается от того, что её согнули слишком сильно, лучше подойдёт CF. Если она скорее сломается от удара молотком, то GF будет надёжнее.

Сколько процентов волокон обычно нужно?

В большинстве коммерческих филаментов для домашней 3D-печати содержание армирующих волокон составляет от 10% до 20% по массе. Этого количества достаточно, чтобы значительно улучшить механические свойства базового полимера, но при этом не создавать серьёзных проблем с печатью. Содержание менее 5% даёт скорее эстетический эффект, чем реальное усиление. А филаменты с содержанием волокон выше 25–30% становятся очень сложными в печати, требуют специального оборудования и часто страдают от засоров сопла.

Влияет ли длина волокон на прочность?

Да, очень сильно. Чем длиннее волокно, тем эффективнее оно передаёт нагрузку внутри полимерной матрицы и тем прочнее получается деталь. В филаментах для FDM/FFF печати используются короткие, рубленые волокна (обычно длиной 50–200 микрон), потому что они должны свободно проходить через сопло. Существуют технологии печати непрерывным волокном, но это уже промышленный уровень, недоступный для большинства домашних принтеров. Поэтому в рамках домашней 3D-печати мы всегда имеем дело с компромиссом между прочностью и возможностью экструзии.

Нужны ли специальные сопла?

Да, это обязательное требование. И углеродное, и стекловолокно являются очень абразивными материалами. Они сточат стандартное латунное сопло за несколько часов печати, а иногда и быстрее. В результате диаметр сопла увеличится, что приведёт к потере точности и проблемам с экструзией. Для печати композитами необходимо использовать сопла из закалённой стали, карбида вольфрама или с рубиновым наконечником. Также рекомендуется использовать сопла диаметром не менее 0.4 мм, а лучше 0.5 или 0.6 мм, чтобы снизить риск засорения.

Как тестировать детали в домашних условиях?

Для сравнительного анализа не обязательно иметь доступ к лабораторному оборудованию. Самый простой и наглядный тест, это тест на трёхточечный изгиб. Напечатайте несколько одинаковых балок из разных материалов. Положите балку на две опоры и постепенно нагружайте её центр, подвешивая груз. Замеряйте прогиб при определённом весе или вес, при котором деталь ломается. Это даст вам отличное представление об относительной жёсткости и прочности. Для оценки межслойной адгезии печатайте образцы в разной ориентации (лёжа, на ребре, стоя) и ломайте их руками. Так вы быстро поймёте, какое направление печати самое слабое.

Безопасны ли пыль и пары?

Нет, и к этому вопросу нужно отнестись серьёзно. При печати любой пластик выделяет летучие органические соединения, поэтому помещение всегда должно хорошо проветриваться. Но главная опасность композитов кроется в постобработке. При шлифовке, сверлении или любой другой механической обработке в воздух поднимается мелкая пыль из частиц волокон и пластика. Эти частицы, особенно микроиглы стекла или углерода, очень вредны для лёгких. Всегда работайте в респираторе (класс защиты FFP2/FFP3), защитных очках и в хорошо проветриваемом помещении. Использование влажной шлифовки помогает связать пыль и не дать ей подняться в воздух.

Можно ли термообрабатывать напечатанные части?

Да, можно и даже нужно, если вы хотите получить максимум прочности. Процесс называется отжигом. Он заключается в нагреве напечатанной детали до температуры, близкой к температуре стеклования базового полимера, выдерживании её при этой температуре некоторое время и последующем медленном остывании. Отжиг снимает внутренние напряжения, возникшие при печати, и улучшает спекание слоёв между собой. Прочность детали может вырасти на 10–20%. Конкретный режим отжига (температура и время) зависит от материала. Например, для PLA-композитов это может быть 2 часа при 80°C. Важно обеспечить детали опору во время отжига, чтобы она не деформировалась.

Как оценить стоимость/эффективность использования CF vs GF?

Филаменты с углеволокном обычно на 50–100% дороже аналогов со стекловолокном. Оценивать эффективность нужно исходя из задачи. Если для вашего проекта критически важна максимальная жёсткость при минимальном весе (например, в авиамоделизме), то переплата за CF оправдана. Если же вам нужна просто прочная деталь, способная выдерживать удары, а лишние 20% веса не играют роли, то GF предложит гораздо лучшее соотношение цены и качества. Не забудьте включить в расчёты стоимость расходников, в первую очередь, износостойких сопел.

Можно ли усиливать детали постпринтом?

Конечно. Это отличный способ получить ещё более прочные детали. Вот несколько популярных методов:

  • Металлические вставки. Можно заранее предусмотреть в модели отверстия под болты, гайки или стержни и вклеить их после печати на эпоксидный клей.
  • Покрытие смолами. Покрытие детали эпоксидной или полиэфирной смолой не только сгладит поверхность, но и заполнит микропоры, добавив монолитности и прочности.
  • Непрерывное армирование. Это более сложный метод, когда в специально напечатанные каналы укладывается непрерывная нить (углеродная, стеклянная или арамидная) и пропитывается смолой. Такая технология позволяет добиться прочности, сопоставимой с деталями из цельного композита.

Эти методы требуют определённых навыков, но позволяют создавать по-настоящему инженерные изделия на домашнем 3D-принтере.

Источники

Похожие записи