Sähköä johtava filamentti

Sähköä johtava filamentti 3D-tulostukseen: mihin sitä käytetään

Sähköä johtava filamentti valmistetaan PLA- tai TPU-pohjasta, johon on lisätty hiilipartikkeleita. Tämä täyteaine laskee materiaalin resistiivisyyden mitattavalle tasolle, yleensä 15–30 ohm·cm valmistajan reseptistä riippuen, kun tavallisen PLA:n resistiivisyys on käytännössä ääretön. Vertailun vuoksi kuparilangan resistiivisyys on luokkaa 1,7×10⁻⁶ ohm·cm. Johtava filamentti ei siis korvaa sähköjohtoa: sitä käytetään matalajännitteisten liuskojen, kapasitiivisten painikkeiden tai painesensoreiden tulostamiseen suoraan osan sisään.

Käytännön sovellukset: anturit, painikkeet, elektroniikkaprototyypit

Yleisimpiä käyttökohteita ovat mikro-ohjaimeen (Arduino, ESP32) kytketyt kapasitiiviset kosketuspainikkeet, yhdellä tulostuskerralla valmistetut taipuma-anturit sekä elektroniikkakotelon sisäiset liitäntäliuskat. Yksinkertainen paineanturi saadaan tulostamalla kaksi johtavaa kerrosta, joiden välissä on eristävä kerros tavallista 3D PLA-filamenttia: elektrodien välillä mitattu vastus muuttuu puristuksen mukaan. Tekniikkaa on käytetty harrastajarobotiikassa ensimmäisistä, noin vuonna 2015 markkinoille tulleista johtavista resepteistä lähtien.

Mihin tämä materiaali ei sovellu

Johtavaa filamenttia ei saa koskaan kytkeä 230 V:n sähköverkkoon eikä akkuun, joka pystyy tuottamaan suuren virran. Sen resistiivisyys on liian korkea suuren tehon siirtoon ilman lämpenemistä, eikä hiilitäytteinen materiaali ole lämpöeristetty. Se soveltuu matalajännitteisiin, tyypillisesti 3,3–12 V:n tasavirtapiireihin, tunnistukseen tai kevyeen kytkentään – ei sähkönjakeluun.

Johtava PLA vai TPU: minkä pohjan valita osan mukaan

Johtava PLA-pohja tulostuu 200–220 °C:ssa ilman lämmitettävää alustaa, ja se sopii jäykille osille, kuten anturikoteloille. Johtava TPU-pohja pysyy joustavana tulostuksen jälkeen, mikä on hyödyllistä älytekstiileissä tai sensoroiduissa pohjallisissa, mutta se vaatii hitaamman tulostusnopeuden ja suoravetoisen (direct-drive) ekstruuderin tukkeutumisen välttämiseksi. Jos osan täytyy pysyä jäykkänä ja kestää ulkokäyttöä, 3D ASA-filamentti kestää UV-säteilyä paremmin kuin tavallinen PLA, vaikka sitä ei tässä kaupassa olekaan johtavana versiona.

Halkaisija, kelan koko ja tulostinyhteensopivuus

Johtavia filamenttikeloja on saatavilla 1,75 mm ja 2,85 mm halkaisijoilla, 500 g:sta 8 kg:aan. 500 g:n kela riittää testeihin tai pienten anturisarjojen tulostukseen; 2 kg tai suurempi koko kannattaa toistuvassa painikkeiden tai liuskojen tuotannossa. Tarkista ekstruuderisi halkaisija ennen tilausta: 2,85 mm:n filamentti 1,75 mm:lle kalibroidussa tulostimessa tukkeutuu aina, merkistä riippumatta.

Refill-täytöt: vähemmän muovijätettä kelasta

Refill-täytöt toimitetaan ilman muovikelaa, valmiiksi omistettuun kelarunkoon ladattavaksi. Kilohinta laskee yleensä 15–20 % vastaavaan uuteen kelaan verrattuna, mikä on merkittävä etu, kun johtavaa filamenttia kuluu useita kiloja prototyyppisarjan valmistukseen.

Tulostusasetukset ja suuttimen huolto

Johtavan filamentin sisältämä hiili kuluttaa suutinta nopeammin kuin tavallinen PLA. Vakiomessinkisuutin menettää mittatarkkuutensa jo muutaman sadan gramman tulostuksen jälkeen; karkaistusta teräksestä tai rubiinikärjellä varustettu suutin kestää useita kiloja ilman merkittävää halkaisijan muutosta. Tämä lisätarvikevalinta estää sähkövastuksen vääristymisen, sillä kulunut suutin muuttaa tulostetun langan poikkipinta-alaa ja siten tulostetun liuskan johtavuutta.

Asetusten osalta 30–40 mm/s:n nopeus ja lyhyt retraktio vähentävät hiilitäytteisille filamenteille tyypillistä valumista. Vertailun vuoksi, ilman täyteainetta olevan filamentin asetukset ovat lähellä tavallisen 3D ABS-filamentin suuttimen lämpötila-asetuksia, eikä johtava PLA vaadi suljettua tulostuskammiota.

Usein kysytyt kysymykset

Miten valita johtavan PLA- ja TPU-filamentin väliltä?

PLA sopii jäykälle osalle, kuten kapasitiivisen anturin kotelolle, ja se tulostuu helposti ilman lämmitettävää alustaa. Johtava TPU on välttämätön joustavalle osalle, kuten pohjalliselle tai älytekstiilille, mutta se vaatii suoravetoisen ekstruuderin ja alle 25 mm/s:n tulostusnopeuden.

Mikä ero on johtavalla filamentilla ja puu- tai hiilikomposiittifilamentilla?

Hiili- tai puukomposiittifilamentin tarkoitus on mekaaninen lujuus tai visuaalinen ilme, ei sähköinen toiminto: sen resistiivisyys on liian korkea anturikäyttöön. Vain nimenomaan johtavuutta varten formuloitu filamentti, jonka valmistaja ilmoittaa resistiivisyyden ohm·cm-yksikössä, toimii matalajännitteisessä piirissä.

Mihin projekteihin sähköä johtava filamentti sopii?

Se sopii kapasitiivisiin kosketuspainikkeisiin, taipuma- tai paineantureihin sekä matalajännitteisiin, enintään 12 V:n tasavirtaprototyyppeihin. Se ei sovellu verkkovirtakaapelointiin eikä useiden satojen milliampeerien ylittävän virran siirtoon ilman lämpenemistä.

Tarvitaanko johtavan filamentin tulostukseen erikoissuutin?

Kyllä, karkaistusta teräksestä tai rubiinikärjellä varustettu suutin estää hiilipartikkelien aiheuttaman nopean kulumisen. Vakiomessinkisuutin muotoutuu jo muutaman sadan gramman jälkeen ja vääristää langan poikkipinta-alaa, mikä muuttaa valmiin osan mitattua sähkövastusta.

Minkä kokoinen kela kannattaa valita ensimmäiseen testiin?

500 g:n koko riittää johtavuuden ja tulostusasetusten testaamiseen ennen suurempaa hankintaa. Anturi- tai painikesarjojen tuotannossa 2 kg:n kela tai refill-täyttö laskee kilohintaa 15–20 %.