3D Baskıda Karbon Nanofiberin Rolü

Üç boyutlu (3D) baskı teknolojisi, geleneksel üretim yöntemlerine kıyasla sağladığı çeşitli avantajlar ile üretim süreçlerinde devrim yaratmaktadır. Bu teknolojinin başarısında kullanılan malzemelerin özellikleri ise kritik bir rol oynamaktadır. 

Bu malzemelerden biri olan Karbon nanofiberler (CNF), yüksek mukavemet, düşük yoğunluk ve üstün iletkenlik özellikleriyle öne çıkmakla beraber, 3D baskıya önemli bir katkı sağlamaktadır. Karbon bazlı malzemelerde yüksek performans ve kalite standartlarını benimseyen Nanografi ile tanışın!

Giriş

Karbon nanofiberler (CNF'ler), çapları bir mikrometreden küçük olan, nano ölçekli karbon yapılarıdır. Bu yapılar, grafen katmanlarının spiral şekilde sarılmasıyla oluşur ve yüksek mekanik mukavemet, elektriksel iletkenlik ve termal iletkenlik gibi üstün özelliklere sahiptirler. Birçok kullanım alanına sahip olan karbon nanofiberlerin, bu makalede üç boyutlu (3D) baskıdaki rolü incelenecektir.

3D Baskı Nedir?

3D baskı, bilgisayarları kullanarak üç boyutlu katı cisimler yapma işlemine dayanır. Nesne, sıvı moleküller veya toz taneleri gibi taramalı malzeme katmanları tarafından yaratılır. Geleneksel üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında 3D baskı, daha az malzeme kullanarak karmaşık şekilli ürünlerin üretimine olanak tanır. Hassaslık, tekrarlanabilirlik ve çok çeşitli sarf malzemeleri nedeniyle 3D baskı, aynı zamanda katkı maddesi olarak da adlandırılan endüstriyel bir üretim teknolojisi olarak tanımlanmaktadır.

İlave üretim, malzemeyi kesin geometrik şekillerde biriktirmek için CAD (bilgisayar destekli tasarım) yazılımı veya 3D nesne tarayıcıları gerektirir. Ardışık her katman, erimiş veya kısmen erimiş malzeme benzeri metal tozu, termoplastikler, seramikler, camlar ve hatta çikolatalardan oluşan önceki katmana bağlanır. Tüm malzemeler soğudukça, üç boyutlu bir nesne oluşturmak için bir araya gelirler. Temelde katkı üretimi bu şekilde çalışır.

Karbon Nanofiber Nedir?

Karbon, metalden sonra en popüler ikinci malzemedir. Tek başına, karbon atomları birlikte gruplandırılmış olarak kullanılamaz, çünkü ince, kırılgan yapıları nedeniyle kırılması kolaydır. Bununla birlikte, bir grup oluşturup birbirlerine bağlandıklarında, fiberler çok güçlü ve hafif bir kompozit materyal oluşturur. CNF'lerin temel özellikleri ve uygulama alanlarına dair ayrıntılı bir inceleme aşağıda sunulmuştur.

Özellikler

Yüksek Mekanik Dayanım: Karbon nanofiberler, yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptir. Bu özellikler, onları güçlü ve dayanıklı malzemeler yapar.

Elektriksel İletkenlik: CNF'ler, mükemmel elektrik iletkenliğine sahiptir. Bu özellik, elektronik ve enerji depolama cihazlarında kullanılmalarını sağlar.

Isıl İletkenlik: Karbon nanofiberler, yüksek ısıl iletkenlik gösterirler. Bu da onların ısı yönetimi uygulamalarında etkili olmasını sağlar.

Yüzey Alanı: CNF'lerin yüksek yüzey alanı, onları katalizör taşıyıcıları ve adsorbanlar gibi yüzey-aktif uygulamalar için ideal hale getirir.

Uygulama Alanları

Kompozit Malzemeler: Karbon nanofiberler, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini artırmak için kullanılır. Özellikle havacılık ve otomotiv sektörlerinde yaygın olarak kullanılırlar.

Elektronik Cihazlar: CNF'ler, iletken malzeme olarak elektronik devrelerde ve enerji depolama cihazlarında (örneğin, bataryalar ve süperkapasitörler) kullanılır.

Biyomedikal Uygulamalar: Karbon nanofiberler, doku mühendisliği, ilaç taşıma sistemleri ve biyosensörler gibi biyomedikal alanlarda araştırılmaktadır.

Çevresel Uygulamalar: CNF'ler, su ve hava filtrasyon sistemlerinde kirleticilerin adsorpsiyonu için kullanılabilir.

3D Baskıda Karbon Nanofiber

Karbon nanofiberler, yüksek mekanik dayanım ve elektriksel iletkenlik özellikleri sayesinde çeşitli endüstriyel ve teknolojik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde karbon nanofiber baskısı için iki temel yöntem bulunmaktadır: kıyılmış karbon nanofiber dolgulu termoplastik ve sürekli karbon nanofiber takviye. Her iki yöntem de karbon nanofiber kullanmakla birlikte, yöntemler arasında önemli farklar bulunmaktadır. Bu farkları anlamak, spesifik uygulamalara uygun baskı yöntemini seçmek için kritik öneme sahiptir.

Şekil 1: Karbon fiber kompozit 3D baskı örnekleri.

Kıyılmış Karbon Nanofiber Dolgulu Termoplastik

Kıyılmış karbon nanofiberler, standart yazıcılar tarafından basılabilen termoplastik malzemelerle karıştırılarak kullanılır. Bu yöntemde, karbon nanofiberler küçük doğranmış teller şeklinde termoplastik matris içerisine dağılır. Kıyılmış karbon nanofiberlerin kullanımı, özellikle malzemelerin mekanik dayanımını artırmak amacıyla tercih edilir. Genellikle naylon, PLA (Polilaktik Asit) veya ABS (Akrilonitril Bütadien Stiren) gibi termoplastiklerle kombine edilir.

Kıyılmış karbon nanofiberler, modelin boyutsal stabilitesini, yüzey kalitesini ve hassasiyetini artırırken, aynı zamanda modelin gücünü ve esnekliğini de geliştirir. Ancak, karbon nanofiberlerin aşırı doygunluğu, bileşenin genel kalitesini olumsuz yönde etkileyebilir. Bu nedenle, kıyılmış karbon nanofiber kullanımı, prototiplerin ve son kullanım parçalarının üretimi için uygun bir seçenek olsa da, daha yüksek mukavemet gerektiren metal parça üretiminde ilk tercih değildir.

Sürekli Karbon Nanofiber Takviye

Sürekli karbon nanofiber takviye yöntemi, sürekli karbon nanofiber ipliklerine dayanan farklı bir işlemle gerçekleştirilir. Bu yöntemde, karbon nanofiberler, kesintisiz iplikler halinde bileşene entegre edilir. Sürekli karbon nanofiberlerin en önemli avantajı, kesintisiz bir yapısal bağlantı oluşturarak bileşenin dayanıklılığını ve mekanik mukavemetini önemli ölçüde artırmasıdır.

Sürekli karbon nanofiberler, özellikle yüksek mukavemet gerektiren metal parça üretiminde tercih edilir. Kıyılmış karbon nanofiberler birbirine yapışmış küçük parçalardan oluşurken, sürekli karbon nanofiberler aynı bileşene sahip olmasına rağmen, yükleme yüzeyleri arasında kesintisiz bir bağlantı oluşturur. Bu bağlantı, malzemenin birleşik dayanıklılığını artırarak ekstra güç sağlar ve kıyılmış karbon nanofiberlerle sürekli karbon nanofiberleri birbirinden ayıran temel özelliktir.

Sonuç

Karbon nanofiberlerin (CNF) 3D baskı teknolojisinde kullanımı, üretim süreçlerine büyük avantajlar getirir. Kıyılmış karbon nanofiber dolgulu termoplastikler, standart yazıcılarla kolayca kullanılabilir ve parçaların dayanıklılığını artırır. Sürekli karbon nanofiber takviye yöntemi ise bileşenlerin mekanik mukavemetini önemli ölçüde yükseltir. Nanografi gibi yüksek performans ve kalite standartlarına sahip şirketler ise karbon nanofiberlerin bu üstün özelliklerini kullanarak yenilikçi çözümler geliştirmektedir. Karbon nanofiberler, 3D baskı ile üretilen parçaların performansını ve kalitesini artırarak üretim süreçlerinde devrim yaratmaya devam etmektedir.

Nanoteknoloji ve ileri malzemeler alanlarında öğretici ve güncel gelişmeler hakkında daha fazla bilgi almak için Blografi'yi takip edin.

Kaynakça

Goh, G. D., Agarwala, S., Goh, G. L., Dikshit, V., Sing, S. L., Yeong, W. Y., & Wei, J. (2016). Additive manufacturing in unmanned aerial vehicles (UAVs): Challenges and potential. Additive Manufacturing, 12, 12-22. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.04.003

Ko, Y. G., & Jang, J. (2020). Carbon nanofibers for 3D printing: A review on recent advances and applications. Composites Part B: Engineering, 188, 107866. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107866

Kompozit 3D Baskı - Karbon Fiber - Cam Fiber. (n.d.). Retrieved June 10, 2024, from https://formbond.com/kompozit-3d-baski/

Li, X., Liu, Y., Guo, Z., & Guo, Y. (2018). Advances in 3D printing of carbon-based nanomaterials for energy storage applications. Carbon, 132, 14-32. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.02.078

Thakur, V. K., & Thakur, M. K. (2019). Processing and characterization of carbon fiber-reinforced polymer composites for 3D printing applications. Materials Today: Proceedings, 17, 1535-1541. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.324