פילמנט מחוזק בסיבים — פחמן מול זכוכית, מה הם באמת עושים, ולמה כולם שחורים

"סיבי פחמן" הן שתי המילים שמוכרות הכי הרבה פילמנט בלי שהקונה יודע מה הוא קונה. הן נשמעות כמו אופני מרוץ ומטוסי קרב, ובגליל הן משהו אחר לגמרי: קטעים זעירים של סיב, באורך של עשיריות מילימטר, מפוזרים בתוך פלסטיק רגיל — PETG, ASA, ניילון או PLA — במינון של 10 עד 20 אחוז. מה שהם עושים הוא ממשי ומדיד, אבל הוא לא מה שרוב האנשים חושבים: הם אינם הופכים חלק ל"חזק יותר" במובן של קשה יותר לשבור, אלא לקשיח יותר — קשה יותר לכופף — ובמקרים רבים דווקא לשביר יותר. מי שמבין את ההבדל הזה יודע מתי הם שווים את המחיר, ומי שלא, קונה גליל שחור יקר ומתאכזב שהקליפס נשבר.

זה המדריך העשירי בסדרת הפילמנטים, והראשון מבין שלושה שעוסקים בפילמנטים מיוחדים — חומרים שאינם סוג פלסטיק בפני עצמו אלא תוסף לפלסטיק קיים. נסביר מה סיב עושה בתוך פולימר ולמה, מה ההבדל בין פחמן לזכוכית, למה כמעט כל גליל CF שחור וכל גליל GF בהיר, מה זה עושה לפייה ולמדפסת, מה זה עושה לבריאות בשיוף, ואיזה בסיס — PETG, ASA או ניילון — נכון לאיזה חלק. ההשוואה הכללית בין החומרים הבסיסיים נמצאת במאמר ההשוואה, ועל הניילון עם סיבי הפחמן כתבנו בהרחבה במדריך הניילון.

מה סיב עושה בתוך פלסטיק — קשיחות, לא חוזק

פלסטיק הוא חומר של שרשראות שמחליקות זו על פני זו כשמפעילים עליו כוח — וזו הסיבה שהוא מתכופף לפני שהוא נשבר, וגם הסיבה שהוא מתכופף בכלל. סיב, לעומת זאת, כמעט אינו מתארך: סיב פחמן קשיח פי מאה ויותר מהפלסטיק שסביבו, וסיב זכוכית פי עשרים־שלושים. כשמפזרים סיבים כאלה בתוך הפלסטיק, כל סיב "נועל" את השרשראות שסביבו ומונע מהן להחליק, והתוצאה היא חומר שדורש הרבה יותר כוח כדי להתכופף — המודול, המספר שמתאר את הקשיחות, עולה פי שניים עד שלושה. חוזק המתיחה, הכוח שצריך כדי לקרוע את החומר, עולה פחות — 20 עד 50 אחוז — כי הסיבים הקצוצים אינם רציפים ואינם נושאים את העומס לכל אורך החלק. והחסינות למכה יורדת, לעיתים בחצי: חומר שאינו יכול להתכופף אינו יכול לספוג אנרגיה, וקצה כל סיב הוא נקודה שסדק אוהב להתחיל ממנה.

המשמעות המעשית פשוטה לנסח: סיבים לחלקים שאסור להם להתכופף, לא לחלקים שאסור להם להישבר. זרוע של רחפן, תושבת של מצלמה, מסגרת, פרופיל ארוך, תבנית — כולם מרוויחים מקשיחות. קליפס, מכסה עם לשונית, ידית, מגן — כולם צריכים לספוג מכה, והסיבים דווקא מזיקים להם. וכשמישהו כותב לנו "החלק מ-PETG-CF נשבר, חשבתי שסיבי פחמן חזקים", התשובה היא כמעט תמיד שהחלק היה צריך PETG רגיל, וש"חזק" פירושו שני דברים שונים.

ויש יתרון שני, שלעיתים חשוב יותר מהקשיחות: יציבות מידות. הסיבים אינם מתכווצים בהתקררות, וכשהם מהווים 15 אחוז מהנפח הם "מחזיקים" את הפלסטיק שסביבם ומקטינים את ההתכווצות הכוללת באופן ניכר. חומר שמתכווץ פחות מתעקם פחות, נסדק פחות בין שכבות, ויוצא במידות שתוכננו — וזו הסיבה שסיבים הופכים ניילון ו-ASA, שני חומרים שמתעקמים בקלות, לחומרים שמדפסת סגורה ביתית מסתדרת איתם. הרבה אנשים קונים PETG-CF בשביל הקשיחות ומגלים שהיתרון שהם באמת מרגישים הוא שהחלקים יוצאים ישרים.

מנורת אדיסון לפילמנט — היסטוריה קצרה

סיב הפחמן הראשון הוא של תומאס אדיסון, ב-1879: חוט הלהט בנורות החשמל הראשונות שלו היה במבוק או כותנה שפוחמו — חוממו בלי חמצן עד שנשאר מהם רק פחמן — ולמעשה זה סיב פחמן לכל דבר, רק לא חזק. סיב הפחמן המודרני, זה שמייצרים ממנו כנפיים ושלדות, פותח בסוף שנות החמישים ובתחילת השישים, כשחוקרים בארצות הברית וביפן ואחר כך בבריטניה מצאו איך לפחם סיבים סינתטיים באופן שמסדר את אטומי הפחמן לאורך הסיב ומייצר חוזק וקשיחות שאין לשום חומר אחר ביחס למשקלו. סיב הזכוכית ותיק מעט יותר: חברת Owens-Illinois האמריקאית פיתחה ב-1932 תהליך למשיכת זכוכית מותכת לסיבים דקים, ורשמה את השם Fiberglas, ומאז שנות החמישים ניילון עם סיבי זכוכית הוא החומר של בתי מקדחות, של חלקי מנוע ושל כל מוצר פלסטיק שצריך להיות קשיח ולעמוד בחום.

אל הפילמנטים הסיבים הגיעו סביב 2014, משני כיוונים בו־זמנית: יצרנים כמו ColorFabb ו-Proto-pasta הוציאו PLA ו-PETG עם סיבי פחמן קצוצים למדפסות רגילות, וחברת Markforged השיקה מדפסת שמניחה סיב פחמן רציף בתוך החלק — טכנולוגיה אחרת לגמרי, שמייצרת חלקים בחוזק של אלומיניום ועולה בהתאם. מה שנמצא בגליל שלכם הוא הסוג הראשון: סיבים קצוצים, ובכל פולימר בסיס שאפשר להעלות על הדעת. ובשנים האחרונות, כשמדפסות סגורות ופיות מפלדה הפכו לנפוצות, PETG-CF ו-PA-CF הפכו מחומרים אקזוטיים לחומרים שמדפיסים מהם חלקי מדפסות, רחפנים ותושבות באופן שגרתי.

פחמן מול זכוכית — ולמה הצבע

שני הסיבים עושים את אותה עבודה, בדרגות שונות ובמחיר שונה, וההבדלים ביניהם הם בדיוק מה שקובע איזה לבחור.

סיבי פחמן (CF) קשיחים יותר, קלים יותר, ומעלים את המודול יותר — פי שניים־שלושה במינון של 15 אחוז. הם גם מוליכים חשמל מעט (על זה במדריך ה-ESD), עמידים לחום גבוה מאוד, ומעלים מעט את עמידות החום של הפולימר כולו כי הם מונעים ממנו להתרכך. החסרונות: יקרים יותר, מורידים את החסינות למכה יותר, ושחורים — פחמן הוא שחור, ו-15 אחוז סיבים שחורים בתוך כל פיגמנט נותנים שחור, או במקרה הטוב אפור כהה מאוד. "PETG-CF כחול" הוא כחול־שחור, ו"אדום" הוא חום כהה. מי שרוצה צבע לא יקבל אותו מסיבי פחמן, וזו הסיבה שכל הגלילים שאנחנו מחזיקים בקטגוריה הזו שחורים: זה הצבע היחיד שבו החומר נראה כפי שהוא.

סיבי זכוכית (GF) קשיחים פחות — המודול עולה פי אחד וחצי עד שניים — אבל שוברים פחות: הזכוכית מעט גמישה יותר מהפחמן, והחומר סופג מכה טוב יותר. הם זולים בהרבה, כבדים מעט יותר, ומאפשרים צבע: זכוכית היא לבנבנה־שקופה, ולכן פילמנט GF יוצא בגוון טבעי בהיר שאפשר לצבוע — לבן, אפור בהיר, וגם צבעים, אם כי דהויים ופסטליים, כי הסיבים מפזרים אור ומעמעמים את הפיגמנט. GF גם שוחק את הפייה פחות מ-CF, ומשאיר פני שטח מעט מחוספסים יותר. הכלל: קשיחות מרבית ומשקל נמוך — פחמן; קשיחות עם חסינות למכה, או צבע שאינו שחור — זכוכית. בשוק הביתי CF שולט, ו-GF נפוץ יותר בניילון הנדסי.

איזה בסיס — PETG, ASA, ניילון או PLA

הסיב משפר את הפולימר; הוא אינו משנה את אופיו. PETG-CF הוא עדיין PETG — עמיד עד 75–80 מעלות, מתעקם מעט, נדבק חזק למשטח; ASA-CF הוא עדיין ASA — עמיד ב-UV, דורש תא סגור; PA-CF הוא עדיין ניילון — סופג לחות, חלקלק, חסין לשחיקה. לכן הבחירה מתחילה מהשאלה "איזה חומר בסיס נכון לחלק", ורק אחר כך "האם הוא צריך סיבים".

PETG-CF הוא נקודת הכניסה, ומה שאנחנו ממליצים לרוב האנשים שמדפיסים חלק מחוזק ראשון: מדפיס במדפסת פתוחה, בלי תא, ב-240–260 מעלות, ונותן קשיחות פי שניים עם התעקמות כמעט אפסית וגימור מט יפה. ה-PETG-CF של AGF שאנחנו מחזיקים מכיל כ-6 אחוזי סיבים — מינון מתון שנותן את יציבות המידות ואת המראה בלי להפוך את החומר לשביר, ושמאפשר להדפיס אותו גם בפייה מפליז לגלילים ספורים לפני שהיא נשחקת. לתושבות, למסגרות, לחלקי מדפסות ולכל מה שיושב בבית — זה החומר.

ASA-CF הוא אותו רעיון לחוץ: תושבת ארוכה בשמש, זרוע של מצלמת אבטחה, מסגרת לפאנל סולארי — מקומות שבהם ASA רגיל מספיק לעמידות אבל מתכופף תחת משקל בחום של צהריים. ה-ASA-CF של AGF דורש את מה ש-ASA דורש — תא סגור, מאוורר כבוי — ובתמורה מתעקם פחות מ-ASA רגיל, וזה מקל על ההדפסה ולא מקשה.

PA12-CF הוא החומר ההנדסי: זרועות רחפן, גלגלי שיניים שנושאים עומס, חלקים לרכב ולמכונות. הקשיחות של הסיבים עם החלקלקות והחסינות לשחיקה של הניילון, ובתמורה — ייבוש קפדני, ופייה מפלדה בלי פשרות. כתבנו עליו בהרחבה במדריך הניילון. וPLA-CF, שקיים בשוק, הוא בעיקר חומר למראה — PLA שנראה כמו פחמן ומסתיר קווי שכבה — כי PLA מתרכך ב-60 מעלות עם סיבים או בלעדיהם, וקשיחות בחומר שאינו עמיד בחום פותרת בעיה מצומצמת. אם רוצים את המראה — כן; אם רוצים חלק שעובד — PETG-CF.

כמה סיבים — ולמה 6 אינו 20

אחוז הסיבים שכתוב על הגליל — כשהוא כתוב בכלל — משנה יותר מהשם של הפולימר. ב-5–8 אחוזים, כמו ב-PETG-CF שאנחנו מחזיקים, הסיבים נותנים את רוב יציבות המידות ואת כל המראה, מעלים את הקשיחות בכ-50 אחוז, וכמעט אינם פוגעים בחסינות למכה; פייה מפליז מחזיקה כמה גלילים, והחומר סלחני כמעט כמו הבסיס שלו. ב-15–20 אחוזים, שזה הטווח של "CF" ההנדסי, הקשיחות מכפילה ומשלשת את עצמה, החסינות למכה נחתכת, הפייה מפלדה הופכת לחובה מהגליל הראשון, והפילמנט עצמו שביר עד כדי כך שהוא נשבר ביד. שני החומרים נקראים באותו שם, ומי שקונה "PETG-CF" צריך לדעת איזה מהם הוא מקבל: הראשון הוא PETG טוב יותר, השני הוא חומר אחר. אנחנו בחרנו בכוונה במינון הנמוך לרוב הגלילים, כי זה מה שרוב המדפיסים בבית מרוויחים ממנו באמת — ובמינון הגבוה רק בניילון, שם הקשיחות היא המטרה.

מה זה עושה למדפסת

הפייה. סיבי פחמן שוחקים פליז כמו נייר זכוכית: פייה של 0.4 מ"מ מתרחבת ל-0.45–0.5 אחרי גליל אחד או שניים, והחלקים יוצאים עבים, לא מדויקים, ועם קצה פייה שנשחק לצורה לא עגולה שמורח את החומר. הפתרון הוא פייה מפלדה מוקשית, או מפלדה עם קצה קשיח, ובקוטר של 0.4 לפחות — 0.5–0.6 עדיף, כי סיב שנתקע בפתח צר סותם אותו. פייה מפלדה מוליכה חום פחות טוב מפליז, ולכן מעלים את הטמפרטורה ב-5–10 מעלות. ב-GF השחיקה מתונה יותר, ופייה מפליז מחזיקה כמה גלילים; ב-CF ב-6 אחוזים, כמו ה-PETG-CF שלנו, היא מחזיקה זמן מה; ב-CF ב-15–20 אחוז — גליל אחד.

מה שלא משתנה. וזה מפתיע אנשים: מלבד הפייה, פילמנט מחוזק מדפיס קל יותר מהפולימר הבסיסי שלו. פחות התעקמות, פחות חוטים (הסיבים "חותכים" את החוט הצמיג), הידבקות טובה למשטח, ופני שטח מט שמסתירים קווי שכבה ופגמים קטנים. ההגדרות הן של החומר הבסיסי עם 5–10 מעלות יותר בראש, מהירות מעט נמוכה יותר, ומאוורר מעט חלש יותר, כי החומר צמיג יותר. גם מנגנון ההזנה אינו סובל — הפילמנט עצמו קשיח ומאוד נוח להזנה, אם כי הוא שביר יותר, ופילמנט CF שנכפף בזווית חדה בדרך אל הראש עלול להישבר בצינור.

לחות. הסיבים אינם סופגים, אבל הפולימר סביבם כן, ובאותה מידה כמו בלעדיהם: PETG-CF מיובש כמו PETG (60–65 מעלות), PA-CF כמו ניילון (80–90), ASA-CF כמו ASA (70–80). לפי מדריך הלחות. הסיבים כן מקטינים את הנזק — חלק שיצא מגליל מעט לח ישנה מידות פחות — אבל לא מבטלים אותו.

בריאות — לא בהדפסה, בשיוף

בזמן ההדפסה, הסיבים נשארים בתוך הפלסטיק: הם ארוכים וכבדים מכדי להתנדף, והפליטות של פילמנט מחוזק הן הפליטות של הפולימר הבסיסי — נמוכות ב-PETG, גבוהות ב-ASA, כמפורט במדריך של כל אחד. הסיכון מתחיל אחרי ההדפסה. שיוף, קדיחה, חיתוך וניסור של חלק CF או GF משחררים אבק סיבים — קטעי פחמן או זכוכית דקים מספיק כדי להישאף ולגרות ריאות, וחדים מספיק כדי לגרות עור ועיניים; אבק זכוכית במיוחד. הכללים: שיוף רטוב בלבד, במים, שמונע מהאבק לעוף; מסכת אבק (N95 או FFP2, לא מסכה כירורגית); משקפי מגן; ושטיפת ידיים וזרועות אחר כך. ואם אפשר — לתכנן את החלק כך שלא יצטרך שיוף בכלל, כי הגימור המט של CF ממילא יפה כפי שהוא.

הערה על CF ומזון, כי היא חוזרת: לא. סיבי פחמן חשופים על פני השטח של חלק מודפס אינם משהו שרוצים במגע עם אוכל, וגם הפולימר הבסיסי אינו מאושר בלי הצהרת יצרן. חומר לחלקים מכניים, לא לכלים.

שלוש עובדות שלא ידעתם על פילמנט מחוזק

הסיבים מסתדרים בכיוון ההדפסה. כשהחומר עובר דרך הפייה, הסיבים הקצוצים מתיישרים לאורך הקו כמו בולי עץ בנהר — ולכן חלק מחוזק קשיח יותר לאורך הקווים מאשר לרוחבם, ובין השכבות הוא כמעט לא מחוזק בכלל. עומס שעובר בכיוון השכבות פוגש את הסיבים; עומס שמנסה להפריד שכבות פוגש רק את הפולימר. חלק CF שנשבר נשבר כמעט תמיד בין השכבות, וכיוון ההדפסה הוא חלק מהתכנון.

"פחמן" בפילמנט אינו כמו "פחמן" באופניים. שלדת אופניים היא סיבים רציפים ארוכים, שזורים לבד ומוטבעים בשרף — הסיב נושא את כל העומס. בפילמנט הסיבים הם קטעים של 0.1–0.3 מ"מ, ופחות מחמישית מהנפח; הפלסטיק עדיין עושה את רוב העבודה. זה ההבדל בין "קשיח יותר פי שלושה" ל"חזק כמו מתכת", ומי שמבטיח את השני עם גליל — מוכר משהו אחר.

המט מסתיר, ולכן משקר. פני השטח של CF מפזרים אור ומעלימים קווי שכבה, פגמים קטנים וגם חלקים ראשונים לא מכוילים — חלק CF נראה טוב גם כשההגדרות רחוקות מלהיות טובות. זה יתרון לתצוגה, ומלכודת לחלק שצריך לעבוד: הבדיקה היא לשבור קובייה, לא להסתכל עליה.

הגדרות מומלצות — נקודת התחלה

המספרים מבוססים על מדריך החומרים המחוזקים של Simplify3D, על מדריך ה-CF של MatterHackers ועל הנתונים של eSUN לסדרת ה-CF. הכלל: ההגדרות של החומר הבסיסי, עם ההתאמות שבטבלה.

הערה על גובה השכבה: בפילמנט מחוזק, שכבות של 0.2–0.3 מ"מ עדיפות על 0.1, משני טעמים — הסיבים סותמים פייה בזרימה איטית מדי, והמט ממילא מסתיר את ההבדל. ועל ה-flow: פילמנט CF צמיג יותר, ובדיקת קובייה עם דופן אחת לפני החלק הראשון חוסכת דפנות עבות או דקות מדי בכל מה שאחריה.

עשה ואל תעשה

עשו:

• החליפו לפייה מפלדה מוקשית לפני הגליל הראשון, לא אחרי שהחלקים התחילו לצאת עבים.
• תכננו את כיוון ההדפסה כך שהעומס יעבור לאורך השכבות. הסיבים מסתדרים בכיוון הקווים; בין השכבות אין חיזוק.
• שברו קובייה לפני החלק. המט מסתיר, ורק שבירה אומרת אם השכבות באמת נדבקו.
• שייפו רטוב, במסכה ובמשקפיים, אם בכלל. אבק סיבים אינו אבק פלסטיק.

אל תעשו:

• אל תדפיסו קליפסים, לשוניות ומגנים ב-CF. הם צריכים להתכופף, וסיבים הופכים "מתכופף" ל"נשבר".
• אל תצפו לצבע. CF הוא שחור; "כחול CF" הוא כחול־שחור. לצבע — GF, או חומר בלי סיבים.
• אל תכופפו את הפילמנט בזווית חדה בדרך לראש. הוא שביר, ונשבר בתוך הצינור במקום הכי לא נוח.
• אל תקנו "סיבי פחמן" כי זה נשמע חזק. קנו אותו כי החלק צריך להישאר ישר, ואז זה החומר הנכון.

מה ניתן למצוא אצלנו בחנות

בקטגוריית הפילמנטים המיוחדים שלנו שלושה חומרים מחוזקים, ושלושתם, לא במקרה, שחורים: PETG-CF של AGF עם כ-6 אחוזי סיבי פחמן — נקודת הכניסה, למדפסת פתוחה, לתושבות ולמסגרות בבית; ASA-CF של AGF — אותו דבר לחוץ, במדפסת סגורה; ו-PA12-CF של SUNLU — החומר ההנדסי, לחלקים שנעים ונושאים עומס. אם אתם מתלבטים בין השלושה: הפרש הטמפרטורה בסביבה קובע — עד 75 מעלות בבית, PETG-CF; בחוץ, ASA-CF; חיכוך ותנועה, PA12-CF. ואם אתם מתלבטים בין CF לחומר רגיל: תשאלו את עצמכם אם החלק צריך להיות ישר או צריך לספוג — ובמקרה השני, החומר הרגיל טוב יותר ושומר לכם את הפייה. ואם אתם עדיין לא בטוחים — הדפיסו את החלק קודם ב-PETG רגיל: אם הוא מתכופף היכן שאסור לו, הגליל הבא הוא CF; אם הוא נשבר, הבעיה בתכנון ולא בחומר.

מהחנות — רלוונטי לכתבה

מיוחדיםפילמנט למדפסת תלת מימד PVB – מבית SUNLU139 ₪ 179 ₪ מיוחדיםפילמנט למדפסת תלת מימד – PVA – מבית eSUN139 ₪ PETGפילמנט למדפסת תלת מימד – PETG-CF – מבית AGF – שחור99 ₪ 149 ₪ ASAפילמנט למדפסת תלת מימד – ASA-CF – מבית AGF – שחור99 ₪ 149 ₪

← בחזרה למרכז הידעלקטגוריית הדפסת תלת מימד

שאלות נפוצות על פילמנט מחוזק בסיבים

סיבים הם תוסף לשאלה מוגדרת — "האם החלק חייב להישאר ישר?" — ולא שדרוג כללי. כשהתשובה חיובית, הם הופכים PETG, ASA וניילון לחומרים קשיחים, יציבים ויפים; כשהיא שלילית, הם רק מוסיפים שבירות ומחיר. המדריך הבא בסדרה: פילמנט ESD — למה חשמל סטטי הורג רכיבים אלקטרוניים, ואיך פילמנט שמוליך "מעט" פותר את זה.

אסף צבארי — בעלים של מייקר דיפו. רואה חשבון ומנהל כספים לשעבר שהפך תחביב של שנים לעיסוק מלא, ועוסק בעצמו בהזמנות, בפניות ובמציאת הפתרונות ללקוחות החנות.