Khuôn in 3D: in thẳng ra khuôn cát, khuôn đổ silicon, insert ép nhựa và khuôn hút chân không

Phần lớn người tìm đến xưởng in 3D đều muốn in ra sản phẩm: một cái vỏ hộp, một bức tượng, một chi tiết lắp thử. Nhưng có một nhóm khách hỏi câu khác hẳn: “Anh in giùm em cái khuôn được không?”. Họ không cần một món, họ cần năm chục, hai trăm, có khi vài nghìn món giống nhau, bằng vật liệu mà máy in 3D không in được, ví dụ nhôm đúc, xi măng, sáp nến, cao su silicon hay nhựa PP.

Lúc đó máy in 3D không làm ra sản phẩm cuối nữa. Nó làm ra công cụ. Dân trong nghề gọi chung là rapid tooling, nghĩa là làm khuôn nhanh. Bài này đi qua bốn kiểu khuôn in 3D mà xưởng hay gặp nhất, nói rõ kiểu nào chạy được, kiểu nào chỉ nên dùng để thử, và khi nào thì nên quay về khuôn truyền thống cho đỡ tốn.

Nếu bạn chưa quen với các công nghệ in, nên đọc trước bài so sánh công nghệ in 3D SLA, FDM, SLS, SLM để dễ theo phần dưới.

Khuôn in 3D khác gì so với in mẫu gốc để làm khuôn?

Hai việc này hay bị nhầm. Cách thứ nhất, cũng là cách phổ biến nhất, là in 3D một mẫu gốc (master) rồi đổ silicon hay composite bao quanh nó để ra khuôn. Máy in chỉ góp phần ở bước đầu. Cách này mình đã nói kỹ trong bài khuôn silicon là gì.

Cách thứ hai là in thẳng cái khuôn: phần lõm, phần âm, lòng khuôn. Lấy ra khỏi máy, làm sạch, xử lý bề mặt là đổ vật liệu vào được luôn, không qua bước trung gian. Gọi theo tiếng Anh là direct tooling, còn cách đầu là indirect tooling.

Cái lợi của in thẳng khuôn là bỏ được một khâu, giảm sai số do chép qua chép lại, và vẽ được những lòng khuôn phức tạp mà đục tay hay phay CNC rất khó với tới. Cái hại là bản thân khuôn phải chịu nhiệt, chịu áp lực, chịu hóa chất của vật liệu đổ vào. Không phải loại nhựa in nào cũng chịu nổi.

Theo trang tổng hợp về rapid tooling của Wikipedia, khuôn làm nhanh giúp cắt thời gian và chi phí, dễ sao chép, làm theo nhu cầu nên ít phải tồn kho khuôn, đổi lại độ chính xác và tuổi thọ thấp hơn khuôn sản xuất thông thường. Câu đó tóm đúng cái được và cái mất của mọi loại khuôn in 3D bên dưới.

Loại 1: Khuôn cát in 3D cho đúc kim loại (binder jetting)

Đây là loại khuôn in 3D “có tiền” nhất, xuất hiện ở các xưởng đúc lớn của châu Âu, Mỹ, Nhật từ những năm 2010.

Cách làm truyền thống

Đúc cát kiểu cũ cần một cái mẫu (pattern), thường làm bằng gỗ, kim loại hoặc nhựa. Thợ nén cát quanh mẫu, rút mẫu ra, để lại khoang rỗng có hình sản phẩm, rồi rót kim loại nóng chảy vào. Muốn có lỗ rỗng bên trong như đường nước làm mát trong block máy thì phải làm thêm lõi cát (core) đặt vào khuôn. Mẫu phải to hơn sản phẩm một chút để bù co ngót khi kim loại nguội, và các mặt đứng phải có góc nghiêng (draft) để rút mẫu ra không làm vỡ cát. Phần làm mẫu gỗ cho đúc cát, bạn xem thêm ở bài khuôn gỗ CNC trong cùng loạt.

Cách làm bằng máy in

Máy binder jetting rải từng lớp cát mỏng, sau đó đầu phun chấm chất kết dính lên đúng chỗ cần đông lại. Hết lớp này đến lớp khác, cuối cùng ta có một khối cát mà trong lòng là cái khuôn hoàn chỉnh. Phủi phần cát rời đi là xong.

Trang Wikipedia về sand casting mô tả ngắn gọn: thay vì nén cát quanh mẫu thì khuôn được in 3D, nên bỏ được hẳn bước làm mẫu. Người ta cũng hay làm kiểu lai: khuôn ngoài vẫn làm bằng mẫu truyền thống, chỉ in riêng lõi cát vì lõi có hình phức tạp nhất.

Ưu điểm của binder jetting nói chung, theo bài tổng quan về công nghệ này, là bột chưa kết dính tự đỡ phần nhô ra nên không cần support, lớp bột rải nhanh nên tốc độ in cao, và phần bột thừa tái sử dụng được ở một mức độ nhất định. Nhược điểm là chi tiết vừa in xong còn yếu, việc phủi bột ra khỏi những khoang kín khá mất công, và giá máy công nghiệp từ khoảng 50 nghìn đến 2 triệu USD.

Ở Việt Nam thì sao?

Nói thật, máy in cát cho đúc ở Việt Nam còn rất ít. Phần lớn xưởng đúc trong nước vẫn đi đường vòng: in 3D mẫu bằng nhựa hoặc phay CNC mẫu bằng gỗ, xốp, rồi làm khuôn cát theo kiểu cũ. Cách này rẻ hơn nhiều và đủ dùng cho tượng đồng, phụ tùng thay thế, chi tiết máy nông nghiệp. Nếu bạn cần làm mẫu đúc kim loại, bài nhận làm mẫu đúc kim loại, mẫu đúc composite, phóng size có kể cách xưởng hay làm.

Một hướng khác cho chi tiết nhỏ là in 3D sáp hoặc resin đốt cháy được (castable resin) để đúc mẫu chảy, kiểu đúc trang sức. Mẫu in đặt vào thạch cao chịu nhiệt, nung cho cháy hết, kim loại rót vào thế chỗ. Về bản chất đây vẫn là in mẫu, không phải in khuôn, nhưng nó giải quyết được cùng một nhu cầu.

Loại 2: Khuôn nhựa in 3D để đổ silicon, bê tông, sáp, xà phòng

Đây là loại khuôn in 3D mà xưởng nhỏ và người làm thủ công dùng nhiều nhất, vì rẻ và in được trên máy FDM hay SLA thông thường.

Đổ silicon vào khuôn in 3D

Nghe hơi ngược, nhưng có nhiều trường hợp người ta cần ra sản phẩm bằng silicon: núm cao su, gioăng, miếng đệm, đồ chơi mềm, khuôn bánh. Khi đó khuôn cứng in 3D chính là cái để đổ silicon vào. Khuôn thường làm hai mảnh trở lên, có chốt định vị, có lỗ rót và lỗ thoát khí.

Chỗ khó nhất là silicon gốc bạch kim (platinum cure) rất dễ bị ức chế khi gặp một số loại resin in 3D chưa đóng rắn hết. Bề mặt chỗ tiếp xúc sẽ dính nhớp, không chịu khô dù để mấy ngày. Xưởng thường xử lý bằng cách sấy UV kỹ hơn, sấy thêm nhiệt, phủ một lớp sơn lót hoặc chuyển sang silicon gốc thiếc. Chuyện này mình tách riêng thành bài silicon bạch kim và silicon thiếc vì nó dài.

Đổ bê tông, xi măng, thạch cao

Chậu cây, gạch trang trí, đế đèn, tấm ốp tường hoa văn: những thứ này hay được đổ bằng bê tông hoặc xi măng nghệ thuật. Khuôn in FDM bằng PLA hoặc PETG chạy ổn với loại vật liệu này vì nhiệt tỏa ra khi xi măng đông kết không cao như nhựa đúc. Chỗ cần lưu ý là xi măng có tính kiềm và rất dính, nên phải phủ chất chống dính, và thiết kế góc thoát rộng tay để tháo ra không phải đập khuôn.

Một mẹo hay là in khuôn thật mỏng, dùng một lần, rồi bóp vỡ hoặc ngâm cho tan (nếu in bằng vật liệu tan trong nước). Kiểu khuôn bỏ đi này cho phép làm hình rất phức tạp, có undercut, mà khuôn hai mảnh không tháo được.

Đổ sáp nến, xà phòng, sô cô la

Sáp nến nóng chảy khoảng 50 đến 70 độ C tùy loại, PLA bắt đầu mềm quanh 55 đến 60 độ C. Hai con số sát nhau như vậy nên đổ sáp thẳng vào khuôn PLA thì khuôn rất dễ méo. Xưởng thường làm khuôn silicon từ mẫu in 3D, hoặc in khuôn bằng resin chịu nhiệt, PETG, ABS. Với đồ ăn như sô cô la, kẹo, nhựa in 3D thông thường có nhiều khe li ti khó vệ sinh, nên gần như luôn phải đi qua silicon thực phẩm. Bên in3d.edu.vn có bài viết khá chi tiết về khuôn silicon chịu nhiệt, khuôn làm bánh và khuôn đúc tượng cho trường hợp này.

Bề mặt khuôn quyết định bề mặt sản phẩm

Khuôn in FDM để lại vân lớp rất rõ, và từng đường vân sẽ in hằn lên sản phẩm. Nếu bạn đổ silicon, bê tông hay sáp vào mà muốn bề mặt láng thì phải chà nhám, bả, sơn lót khuôn trước. Khuôn in SLA mịn hơn nhiều, độ dày lớp có thể xuống 25 đến 100 micron theo thông số bên dịch vụ in 3D của CT3D, nên đỡ công xử lý. Các bước chà, bả, sơn cụ thể nằm trong bài hậu xử lý bản in 3D.

Loại 3: Insert khuôn ép nhựa số lượng nhỏ bằng resin chịu nhiệt

Đây là loại khiến nhiều kỹ sư sản phẩm hứng thú nhất, vì nó cho phép ép thử nhựa thật (PP, PE, TPE, ABS) trước khi đặt khuôn thép.

Tại sao cần?

Khuôn ép nhựa bằng thép rất bền. Theo trang Wikipedia về injection moulding, nhiều khuôn thép được thiết kế để ép trên một triệu sản phẩm, nhưng có khuôn tốn tới hàng trăm nghìn USD. Khuôn nhôm rẻ hơn, làm nhanh hơn, phù hợp sản lượng thấp hơn. Còn nếu bạn chỉ cần 50 cái để test lắp ráp, test thả rơi, gửi khách xem, thì cả khuôn nhôm cũng là quá sức.

Lúc này người ta in 3D phần lòng khuôn (insert) bằng resin chịu nhiệt cao, lắp vào một khung khuôn kim loại tiêu chuẩn (mold base), rồi gắn lên máy ép. Khung kim loại chịu lực kẹp, insert in 3D chỉ làm nhiệm vụ tạo hình. Cũng trang Wikipedia đó có nhắc rằng photopolymer in 3D dùng được cho một số khuôn ép đơn giản, với điều kiện nhựa nóng chảy ở nhiệt độ thấp.

Giới hạn cần biết trước khi làm

Insert in 3D dẫn nhiệt rất kém so với thép, nên mỗi chu kỳ phải chờ lâu hơn cho nhựa nguội, và khuôn nóng dần lên sau mỗi lần ép. Bề mặt resin giòn, những gân mảnh, chốt nhỏ có thể gãy sau vài chục phát. Nhựa kỹ thuật cần nhiệt cao như PC, PA gia cường sợi thủy tinh gần như không chạy được. Số lần ép được dao động rất rộng tùy resin, tùy hình dạng và tùy người đứng máy, nên hãy coi đây là khuôn thử, đừng tính chuyện sản xuất.

Thiết kế insert cũng khác thiết kế khuôn thép một chút. Góc thoát nên rộng hơn, bán kính bo góc to hơn, tránh gân quá cao và mỏng, kênh dẫn nhựa (runner, gate) nên làm to để giảm áp. Nếu bạn đang có sản phẩm cũ cần làm khuôn lại, bài thiết kế ngược khuôn mẫu: dung sai, góc thoát, co ngót sẽ có ích.

Lựa chọn thay thế: đúc chân không

Với số lượng từ vài chục đến khoảng một trăm và bạn chấp nhận vật liệu PU giả nhựa thay cho nhựa thật, đúc chân không vào khuôn silicon thường rẻ và dễ hơn insert ép nhựa. Xem bài đúc mẫu chân không vacuum casting để so sánh. Theo trang khuôn silicon của CT3D, đúc PU trong khuôn silicon mô phỏng được ABS, PP, PE, PC, cao su, cả resin trong suốt và resin chịu nhiệt.

Loại 4: Khuôn hút chân không (thermoforming, vacuum forming)

Vỉ đựng hàng, khay linh kiện, mặt nạ hóa trang, vỏ đèn, khay nhựa đựng bánh: tất cả đều có thể làm bằng cách hút chân không tấm nhựa mỏng lên một cái khuôn.

Quy trình khá đơn giản. Tấm nhựa được nung tới khi mềm dẻo, áp lên khuôn, máy hút không khí ra để tấm nhựa ôm sát bề mặt khuôn, để nguội cho định hình rồi cắt tỉa. Theo trang Wikipedia về thermoforming, khuôn có thể làm bằng thạch cao, gỗ, nhựa hoặc nhôm, còn khuôn cho tấm dày thường là nhôm đúc hoặc composite.

Khuôn hút chân không chịu lực rất nhẹ so với khuôn ép phun, nên đây là chỗ khuôn in 3D tỏa sáng. Khuôn in FDM bằng PETG, ABS, ASA hay khuôn SLA bằng resin chịu nhiệt đều làm được, miễn chịu được nhiệt của tấm nhựa nóng áp lên trong vài giây. Vài điểm thợ hay để ý:

Khuôn phải có lỗ hút nhỏ ở những góc sâu, nếu không không khí kẹt lại và tấm nhựa không ôm vào được. Với khuôn in FDM, nhiều người để mật độ in (infill) thưa và bỏ lớp đáy để không khí đi xuyên qua khuôn, khỏi phải khoan lỗ. Mặt đứng cần góc thoát để rút sản phẩm ra, chỗ nào có undercut thì phải tính cách tháo hoặc dùng khí thổi ngược. Hốc sâu làm tấm nhựa bị kéo mỏng ở đáy, có thể cần thêm phần đẩy (plug assist).

So sánh khuôn in 3D với khuôn truyền thống

Thay vì một bảng dài, mình tóm theo câu hỏi mà khách hay đặt ra.

Cần bao nhiêu sản phẩm? Từ 1 đến khoảng vài chục, in thẳng sản phẩm hoặc khuôn in 3D là hợp lý. Từ vài chục đến vài trăm, khuôn silicon từ mẫu in 3D thường thắng về giá. Hàng nghìn trở lên với cùng một mẫu, nên tính tới khuôn composite, khuôn nhôm hay khuôn thép. Bài khuôn composite FRP nói về lựa chọn ở giữa này.

Vật liệu đổ vào là gì? Xi măng, thạch cao, silicon, sáp nhiệt độ thấp, tấm nhựa hút chân không: khuôn in 3D chạy tốt. Nhựa nóng chảy áp lực cao, kim loại nóng chảy: cần khuôn chuyên dụng (resin chịu nhiệt cho ép thử, cát in 3D hoặc cát truyền thống cho đúc kim loại).

Có cần gấp không? Khuôn thép có thể mất vài tuần đến vài tháng. Khuôn in 3D cỡ vừa thường xong trong vài ngày kể cả xử lý bề mặt. Khuôn silicon theo CT3D thường mất 2 đến 7 ngày làm việc tùy độ phức tạp.

Có định sửa thiết kế không? Đây là chỗ khuôn in 3D có giá trị nhất. Sửa file, in lại khuôn, thử tiếp, mỗi vòng tốn ít tiền. Với khuôn thép, mỗi lần sửa là một lần đau ví. Rất nhiều công ty dùng khuôn in 3D để chốt thiết kế, rồi mới làm khuôn thép một lần cho đúng.

Bề mặt và độ chính xác? Khuôn thép đánh bóng cho bề mặt và dung sai mà khuôn in 3D không theo kịp. Khuôn in SLA khá mịn, khuôn in FDM cần xử lý nhiều. Với khuôn đổ silicon hay bê tông, độ chính xác của máy in thường đã dư dùng.

Nếu muốn nhìn bức tranh lớn hơn về chuyện chọn phương pháp tạo mẫu, bài tạo mẫu nhanh là gì có phần so sánh khá đầy đủ.

Mấy lỗi thường gặp khi tự làm khuôn in 3D

Lỗi phổ biến nhất là quên góc thoát. Mẫu vẽ vuông thành sắc cạnh nhìn rất đẹp trên máy, nhưng đổ xong thì không cách nào gỡ ra. Góc nghiêng vài độ trên các mặt đứng là đủ cứu cả mẻ.

Lỗi thứ hai là khuôn quá mỏng. Silicon và bê tông nặng hơn bạn nghĩ, khuôn thành mỏng sẽ phình ra ở giữa. Nên thêm gân gia cường bên ngoài hoặc đặt khuôn trong thùng cát.

Lỗi thứ ba là không có đường thoát khí. Bọt khí kẹt ở điểm cao nhất của lòng khuôn sẽ thành lỗ trên sản phẩm. Cứ chỗ nào cao nhất là phải có lỗ thoát.

Lỗi thứ tư là chọn sai vật liệu in theo nhiệt. Đổ sáp nóng vào PLA, ép nhựa vào resin thường, hút chân không lên khuôn PLA mỏng: đều là những cách nhanh nhất để làm hỏng khuôn sau lần đầu.

Cuối cùng là file lỗi. Khuôn in 3D cần mặt kín, thành đủ dày, không có lỗ thủng trên lưới. Nếu file STL của bạn có vấn đề, xem bài sửa file STL lỗi trước khi in 3D trước khi gửi xưởng. Nguyên tắc thiết kế cho in 3D chung thì có trong bài thiết kế 3D để in 3D theo DfAM.

Khi nào nên nhờ xưởng làm thay?

Bạn hoàn toàn tự in được khuôn đổ xi măng hay khuôn hút chân không nhỏ trên máy FDM ở nhà. Nhưng có vài trường hợp nên đưa cho xưởng có kinh nghiệm:

Khuôn khổ lớn, vượt khổ máy để bàn, cần chia mảnh và ghép chính xác. CT3D có in 3D SLA khổ lớn với khổ in tới 800 x 800 x 500 mm. Khuôn cần độ mịn cao để ra sản phẩm trưng bày hoặc đồ trang sức. Khuôn đi kèm bước làm silicon, đúc PU hay composite, khi một xưởng làm trọn gói sẽ đỡ cảnh đổ lỗi qua lại giữa các bên. Và chi tiết cần đúc kim loại, khi đó xưởng sẽ tư vấn nên đi đường in mẫu, in khuôn hay in thẳng kim loại bằng SLM. Thông tin chung về các dịch vụ khuôn có ở trang dịch vụ khuôn mẫu của CT3D Group.

Câu hỏi thường gặp

Khuôn in 3D dùng được bao nhiêu lần?
Không có con số chung. Khuôn đổ bê tông, thạch cao hay hút chân không làm cẩn thận có thể dùng lâu. Insert ép nhựa bằng resin thì thường chỉ tính bằng vài chục lần trở xuống. Tốt nhất là làm thử vài lần rồi quan sát độ mòn.

In khuôn bằng FDM hay SLA tốt hơn?
FDM rẻ, in khuôn to, phù hợp khuôn bê tông, khuôn hút chân không. SLA mịn, chính xác, hợp khuôn đổ silicon chi tiết nhỏ và insert ép nhựa. Nhiều xưởng in FDM phần khung lớn và SLA phần có chi tiết.

Đổ silicon vào khuôn in resin bị dính nhớp, phải làm sao?
Đó là hiện tượng ức chế đóng rắn của silicon bạch kim. Sấy UV và sấy nhiệt khuôn kỹ hơn, phủ lớp sơn lót cách ly, hoặc thử chuyển sang silicon gốc thiếc.

Có in 3D khuôn đúc nhôm, đồng được không?
Không in khuôn nhựa để rót kim loại được. Bạn cần khuôn cát in 3D bằng máy binder jetting, hoặc in mẫu bằng nhựa, sáp, resin đốt cháy được rồi làm khuôn cát hoặc khuôn thạch cao theo cách truyền thống.

Khuôn in 3D có rẻ hơn khuôn silicon không?
Với khuôn nhỏ, đổ vật liệu dễ, khuôn in 3D thường rẻ hơn vì bỏ được bước làm mẫu. Với sản phẩm nhiều undercut, cần bề mặt rất mịn hoặc cần đúc nhiều lần, khuôn silicon từ mẫu in 3D hay kinh tế hơn.

Bạn đang có sản phẩm cần nhân bản mà chưa biết nên in khuôn, làm khuôn silicon hay đi thẳng khuôn composite? Gửi file 3D hoặc hình ảnh mẫu cho CT3D qua hotline/Zalo 0975 008 728 để được tư vấn phương án và báo giá.

Nguồn tham khảo

• Wikipedia, “Rapid tooling”: https://en.wikipedia.org/wiki/Rapid_tooling
• Wikipedia, “Sand casting” (mục khuôn cát in 3D, mẫu, lõi, độ co ngót): https://en.wikipedia.org/wiki/Sand_casting
• Wikipedia, “Binder jetting”: https://en.wikipedia.org/wiki/Binder_jetting
• Wikipedia, “Injection moulding” (vật liệu, tuổi thọ, chi phí khuôn): https://en.wikipedia.org/wiki/Injection_moulding
• Wikipedia, “Thermoforming”: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoforming
• CT3D, dịch vụ khuôn silicon: https://in3d.edu.vn/dich-vu-khuon-mau/khuon-silicon/
• CT3D Group, dịch vụ in 3D: https://ct3dgroup.com/dich-vu-in-3d/