Silicon bạch kim và silicon thiếc: chọn silicon làm khuôn sao cho đúng

Người mới làm khuôn hay hỏi một câu giống nhau: “Silicon nào cũng là silicon, sao giá chênh nhau gấp đôi gấp ba?”. Câu trả lời nằm ở chất xúc tác. Trên thị trường, silicon lỏng hai thành phần dùng làm khuôn chia ra hai họ chính. Một họ đông cứng nhờ thiếc (tin-cure, còn gọi là condensation cure), họ kia đông nhờ bạch kim (platinum-cure, hay addition cure). Hai loại nhìn bên ngoài khá giống nhau, đổ ra cũng mềm dẻo như nhau, nhưng cách chúng phản ứng với mẫu gốc, độ bền theo thời gian và chuyện có được dùng cho thực phẩm hay không thì khác hẳn.

Nếu bạn chưa nắm khuôn silicon hoạt động thế nào, nên đọc trước bài khuôn silicon là gì. Bài này đi tiếp một bước: chọn đúng loại silicon cho từng việc, tránh mấy lỗi tốn tiền mà xưởng nào cũng từng gặp ít nhất một lần.

Hai cơ chế đông khác nhau ra sao

Silicon thiếc đông theo kiểu ngưng tụ. Khi trộn phần A với chất xúc tác chứa thiếc, các mạch polymer nối với nhau và nhả ra một lượng nhỏ phân tử phụ. Theo mô tả trên Wikipedia về silicone rubber, phản ứng ngưng tụ cần một ít hơi ẩm trong không khí và sinh ra sản phẩm phụ trong quá trình đông. Chính lượng chất phụ thoát ra dần này là lý do khuôn thiếc co nhiều hơn theo thời gian.

Silicon bạch kim đông theo kiểu cộng. Hai nhóm chức trên mạch polymer gắn thẳng vào nhau nhờ xúc tác bạch kim và không tạo ra sản phẩm phụ. Không có gì bay hơi đi, nên khuôn giữ kích thước rất ổn định. Phản ứng này còn tăng tốc được bằng nhiệt, nhiều xưởng cho khuôn vào tủ sấy nhẹ để rút ngắn thời gian chờ.

Điểm yếu của bạch kim là “khó tính”. Xúc tác bạch kim rất dễ bị “đầu độc” bởi lưu huỳnh, thiếc, một số hợp chất amin. Gặp mấy chất này, silicon sẽ không đông hoặc đông lớp ngoài còn lớp sát mẫu thì nhớt dính. Silicon thiếc thì dễ chịu hơn nhiều, hầu như không bị ảnh hưởng bởi đa số vật liệu làm mẫu.

Bảng so sánh nhanh

Hãng Smooth-On (Mỹ), một trong những nhà sản xuất cao su làm khuôn lớn nhất thế giới, ghi trong mục hỏi đáp của họ rằng khuôn thiếc dòng phổ thông chỉ giữ được khoảng một năm trong kho, dòng thiếc tốt khoảng 5 đến 7 năm, còn khuôn bạch kim có thể để hơn 30 năm. Họ cũng nhắc rằng các bảo tàng thường chọn silicon bạch kim khi lấy khuôn hiện vật có giá trị. Con số cụ thể sẽ khác theo từng sản phẩm, nên bạn luôn phải đọc phiếu kỹ thuật (TDS) của đúng loại mình mua.

Độ cứng Shore A: chọn bao nhiêu là vừa

Độ cứng của silicon đo bằng thang Shore A. Số càng nhỏ silicon càng mềm. Một cục tẩy bút chì nằm khoảng Shore 40A, theo ví dụ của Formlabs, nên bạn có thể hình dung dễ hơn.

Trong thực tế làm khuôn ở xưởng, chúng tôi hay chia như sau:

• Shore A 10 đến 20: rất mềm, dẻo, dễ lột khỏi mẫu có nhiều chỗ lõm ngược (undercut), hoa văn sâu. Hợp với tượng nhỏ, phù điêu, đồ trang sức, mẫu có râu tóc chi tiết. Đổi lại khuôn dễ biến dạng nếu thành mỏng, phải có vỏ đỡ.
• Shore A 20 đến 30: mức dùng nhiều nhất. Đủ mềm để tháo, đủ cứng để giữ hình. Phần lớn khuôn đúc resin, thạch cao, xà bông, nến nằm ở khoảng này.
• Shore A 30 đến 50: cứng hơn, giữ hình tốt với chi tiết lớn hoặc chi tiết kỹ thuật cần kích thước chuẩn. Hơi khó lột với mẫu nhiều undercut.

Một mẹo nhỏ: khi mẫu vừa có chi tiết mảnh vừa có khối lớn, có thể dùng silicon mềm cho lớp đầu ôm sát bề mặt rồi đổ silicon cứng hơn phía sau. Nhớ chỉ ghép cùng một họ (thiếc với thiếc, bạch kim với bạch kim). Smooth-On lưu ý rằng silicon ngưng tụ sẽ không đông khi đổ lên silicon cộng đã đông và ngược lại.

Lỗi “không đông” trên mẫu in 3D và cách xử lý

Đây là lỗi phổ biến nhất khi xưởng bắt đầu dùng mẫu in 3D làm master. Bạn in một mẫu resin SLA đẹp long lanh, đổ silicon bạch kim lên, chờ cả đêm, sáng ra lớp silicon sát mẫu vẫn nhớt như keo. Mất cả mẫu lẫn silicon.

Nguyên nhân, theo giải thích của Smooth-On: bản in SLA vừa ra khỏi máy chưa đóng rắn hoàn toàn. Lượng resin còn sót trên bề mặt và ở những hốc sâu, góc khuất mà đèn UV không chiếu tới sẽ ức chế xúc tác bạch kim.

Cách xử lý mà chúng tôi áp dụng, khớp với khuyến cáo của hãng:

1. Rửa sạch: rửa bằng cồn IPA, sau đó rửa thêm nước xà phòng rồi để khô hẳn.
2. Post-cure thật kỹ: chiếu UV ít nhất 6 tiếng trong buồng UV hoặc phơi nắng, xoay mẫu để mọi mặt đều được chiếu. Chiếu dư không sao, chiếu thiếu mới có chuyện. Resin trong (clear) cho tia UV xuyên vào sâu hơn nên dễ đóng rắn đều hơn.
3. Phủ lớp ngăn: xịt 2 lớp sơn acrylic trong hoặc quét một lớp epoxy phủ bề mặt, chờ khô hoàn toàn.
4. Đổ thử trước: quét một chút silicon lên một góc không quan trọng của mẫu, chờ đông. Nếu ổn mới đổ cả khuôn. Năm phút thử có thể cứu cả ngày làm.
5. Đổi sang silicon thiếc nếu mẫu quá phức tạp hoặc không chắc chắn về vật liệu.

Mẫu in FDM bằng PLA, PETG thường ít gây ức chế hơn resin, nhưng bề mặt có vân lớp sẽ in hằn vào khuôn. Phần làm mịn mẫu in trước khi lấy khuôn có trong bài hậu xử lý bản in 3D. Muốn hiểu thêm khác biệt giữa hai công nghệ in làm master, xem so sánh in 3D FDM và resin trên trang CT3D Group.

Những vật liệu khác hay làm hỏng silicon bạch kim

Ngoài resin in 3D, có vài thủ phạm quen mặt:

• Đất sét nặn có lưu huỳnh: nhiều loại đất sét dầu (oil-based clay) chứa lưu huỳnh. Nếu nặn mẫu bằng đất, hãy mua loại ghi rõ “sulfur-free”.
• Găng tay cao su latex: latex có thể gây ức chế. Dùng găng nitrile hoặc vinyl khi trộn và thao tác.
• Silicon thiếc cũ: đổ bạch kim lên khuôn thiếc hoặc dùng chung cốc, que khuấy với silicon thiếc là đủ gây lỗi.
• Băng keo, keo nến, một số loại sơn, chất chống dính không tương thích.
• Một số loại gỗ: Smooth-On đã thử 44 loại gỗ cắt ngang không phủ gì. Silicon thiếc chỉ bị ức chế với một loại (thông đỏ), còn silicon bạch kim bị ức chế với bốn loại gồm vài loại thông và gỗ đoạn (basswood). Phủ ít nhất hai lớp acrylic trong là cả hai loại đều đông bình thường. Đây là điểm cần nhớ khi bạn làm khuôn gỗ CNC hoặc dùng mẫu gỗ làm master.

Quy tắc chung của xưởng: cái gì không chắc thì thử trên mảnh nhỏ trước.

An toàn thực phẩm: không phải silicon nào cũng làm khuôn bánh được

Khách hay đặt khuôn chocolate, khuôn bánh trung thu, khuôn kẹo, khuôn đá. Với các loại này, gần như chắc chắn phải dùng silicon bạch kim có chứng nhận tiếp xúc thực phẩm.

Ở Mỹ, quy định áp dụng thường được nhắc tới là 21 CFR 177.2600 của FDA. Điều khoản này nói về các sản phẩm cao su dùng lặp lại khi tiếp xúc với thực phẩm, liệt kê polymer và phụ gia được phép, trong đó có các loại silicone elastomer, và đặt giới hạn tổng lượng chất chiết ra từ bề mặt tiếp xúc khi thử với nước và với dung môi mô phỏng thực phẩm béo.

Có vài điều cần hiểu đúng, lấy từ ghi chú của chính nhà sản xuất:

• “Đạt chuẩn 21 CFR 177.2600” không có nghĩa là “được FDA phê duyệt”.
• Silicon phải được trộn đúng tỷ lệ và thường phải sấy hậu đóng rắn (post-cure) bằng nhiệt theo hướng dẫn thì mới đạt.
• Có loại chỉ phù hợp đồ khô và đồ có nước, không dùng lâu dài với đồ nhiều chất béo như bơ, chocolate.
• Khi nướng, giữ nhiệt dưới mức nhà sản xuất cho phép (một số loại ghi khoảng 204°C) và không để khuôn sát nguồn lửa trực tiếp.

Silicon thiếc thì không nên dùng cho bất kỳ thứ gì ăn được. Lý do đơn giản: xúc tác thiếc và sản phẩm phụ của phản ứng ngưng tụ không phải thứ bạn muốn nằm trên miếng bánh.

Khuôn 2 mảnh hay khuôn lột: chọn theo hình dạng mẫu

Chọn loại silicon xong, câu hỏi tiếp theo là làm khuôn kiểu gì. Ở xưởng có ba kiểu hay gặp.

Khuôn đổ 1 mảnh (one-piece block mold)

Giống khay đá tủ lạnh. Đặt mẫu lên đế, quây hộp, đổ silicon ngập mẫu. Mẫu cần có một mặt phẳng làm đế và không có undercut quá sâu. Ưu điểm là sản phẩm không có đường nối, mọi mặt còn lại đều liền. Phù hợp với huy hiệu, phù điêu, xà bông, nến, móc khóa.

Khuôn đổ 2 mảnh (two-piece mold)

Dùng cho mẫu không có mặt phẳng hoặc có undercut sâu, ví dụ tượng tròn, chi tiết kỹ thuật cần đúc nguyên khối. Mẫu được vùi một nửa vào đất sét (loại không lưu huỳnh nếu dùng bạch kim), đổ nửa đầu, đợi đông, lật lại, quét chống dính rồi đổ nửa sau. Formlabs lưu ý rằng khuôn 2 mảnh phức tạp hơn và nếu hai nửa không khít sẽ để lại đường bavia trên sản phẩm. Cần làm khóa định vị (registration key) và kênh rót, lỗ thoát khí.

Khuôn 2 mảnh là kiểu cơ bản cho đúc chân không. Phần quy trình đó đã có trong bài đúc mẫu chân không vacuum casting, nên ở đây không nhắc lại.

Khuôn lột hay khuôn quét (brush-on / glove mold)

Silicon dạng sệt (thixotropic) được quét từng lớp lên mẫu, mỗi lớp dày vài mm, sau đó làm thêm một lớp vỏ cứng bằng thạch cao hoặc composite ôm bên ngoài để giữ hình. Khi tháo, lớp silicon được lột ra như lột găng tay.

Theo hướng dẫn của Smooth-On, khuôn quét hợp với mẫu ở mọi kích thước, kể cả mẫu dựng đứng hay gắn trên tường, trần. Kiểu này tốn ít silicon nên rẻ vật tư hơn nhiều, đổi lại tốn công và cần tính toán kỹ. Khuôn đổ thì nhanh, ít công, có thể xong trong ngày, nhưng ăn nhiều silicon.

Kinh nghiệm thực tế: mẫu dưới khoảng 30 cm thì đổ khối cho nhanh. Tượng cao từ nửa mét trở lên, phù điêu lớn, cột trang trí thì nên làm khuôn quét kèm vỏ composite, tiết kiệm được rất nhiều silicon. Vỏ đỡ bằng sợi thủy tinh làm giống cách làm khuôn composite FRP.

Cách tính lượng silicon cần mua

Tính thiếu thì giữa chừng hết silicon, khuôn bị phân lớp. Tính dư thì phí tiền, nhất là với bạch kim. Có hai cách tính tùy kiểu khuôn.

Với khuôn đổ

Công thức đơn giản:

Khối lượng silicon (g) = (Thể tích hộp quây − Thể tích mẫu) × tỷ trọng silicon

Tỷ trọng silicon làm khuôn thường quanh 1,1 g/cm³, xem đúng số trên TDS của loại bạn dùng.

Ví dụ: hộp quây trong lòng 15 × 10 × 8 cm, tức 1.200 cm³. Mẫu tượng nhỏ khoảng 300 cm³. Phần cần đổ là 900 cm³, nhân 1,1 ra khoảng 990 g. Cộng thêm 10 đến 15% hao hụt dính cốc, dính que, bạn cần chừng 1,1 đến 1,15 kg.

Không biết thể tích mẫu? Có ba cách. Nếu có file 3D, phần mềm slicer hoặc CAD cho ra con số ngay. Nếu chỉ có mẫu thật, nhúng mẫu (đã bọc kín) vào ca nước đo phần nước dâng. Còn cách nhanh nhất là đổ gạo hoặc hạt nhựa vào hộp quây có mẫu, đổ ra cân rồi quy đổi.

Mẹo để bớt silicon: chừa thành khuôn khoảng 1 đến 1,5 cm quanh mẫu là đủ với mẫu nhỏ. Hộp quây càng sát theo hình mẫu, càng ít silicon thừa. Có xưởng in 3D luôn hộp quây ôm theo dáng mẫu, cách làm này nằm trong bài khuôn in 3D.

Với khuôn quét

Tính theo diện tích bề mặt mẫu nhân độ dày lớp silicon. Nếu tổng độ dày bạn muốn là 6 mm (0,6 cm) trên một mẫu có diện tích bề mặt 2.000 cm², thể tích silicon khoảng 1.200 cm³, nhân 1,1 ra khoảng 1,3 kg, cộng hao hụt khi quét (thường cao hơn khuôn đổ, khoảng 15 đến 20%). Diện tích bề mặt lấy từ file 3D là chính xác nhất. Nếu mẫu đã được scan 3D, phần mềm xử lý lưới cho ra diện tích ngay.

Quy trình chọn silicon trong 5 câu hỏi

Khi nhận một đơn làm khuôn, chúng tôi tự hỏi lần lượt:

1. Sản phẩm có tiếp xúc thực phẩm, da người không? Có thì chọn bạch kim đạt chuẩn, xong.
2. Mẫu gốc làm bằng gì? Resin in 3D, đất sét có lưu huỳnh, gỗ thông thì hoặc xử lý bề mặt thật kỹ, hoặc dùng thiếc.
3. Khuôn dùng bao lâu, có cần cất lại để đúc lần sau không? Đúc một đợt vài chục cái rồi bỏ thì thiếc là đủ. Cần lưu khuôn nhiều năm, đúc lại theo đơn hàng lặp lại thì bạch kim.
4. Sản phẩm cần chính xác kích thước tới đâu? Chi tiết lắp ráp, vỏ thiết bị thì bạch kim vì ít co.
5. Hình dạng mẫu và kích thước? Quyết định độ cứng Shore và kiểu khuôn đổ, 2 mảnh hay khuôn quét.

Về số lần đúc, nhiều yếu tố quyết định: vật liệu đúc (PU, epoxy ăn mòn khuôn nhanh hơn thạch cao, sáp), độ phức tạp của mẫu, nhiệt toả ra khi đóng rắn và cách bảo quản. Trang dịch vụ khuôn silicon của CT3D đưa ra mức tham khảo khoảng 20 đến 100 sản phẩm cho khuôn mỹ thuật hoặc đúc PU. Muốn ra hàng nghìn sản phẩm cùng một mẫu thì nên tính sang khuôn cứng.

Bảo quản khuôn silicon để dùng được lâu

• Rửa sạch, để khô, cất ở nơi thoáng mát, tránh nắng.
• Đặt khuôn đúng tư thế, có vỏ đỡ hoặc ráp lại cùng mẫu cũ để khuôn không bị méo.
• Không xếp chồng vật nặng lên khuôn.
• Khuôn thiếc nên đánh dấu ngày làm. Sau một thời gian, nó sẽ khô, giòn và co. Đừng để đến lúc có đơn mới phát hiện khuôn hỏng.
• Với resin PU, epoxy, nên quét chống dính phù hợp giữa các lần đúc để kéo dài tuổi thọ khuôn.

Câu hỏi thường gặp

Silicon thiếc có rẻ hơn nhiều không, có nên dùng cho tất cả?
Thiếc rẻ hơn rõ rệt và dễ dùng hơn. Với khuôn ngắn hạn, đúc thạch cao, resin số lượng vừa phải, thiếc là lựa chọn hợp lý. Nhưng nếu cần khuôn bền lâu, chính xác hoặc dùng cho thực phẩm thì nên chọn bạch kim.

Đổ silicon bạch kim lên khuôn silicon thiếc cũ được không?
Không nên. Hai họ silicon không đông khi đổ lên nhau. Nếu bắt buộc phải sửa khuôn, hãy dùng cùng loại silicon với khuôn cũ.

Mẫu in 3D resin có làm khuôn bạch kim được không?
Được, nếu bạn rửa sạch, post-cure UV đủ lâu, phủ lớp acrylic hoặc epoxy và thử trước trên một góc nhỏ. Nếu mẫu quá nhiều hốc sâu, dùng silicon thiếc an toàn hơn.

Bao lâu thì khuôn silicon tháo được?
Tùy loại. Có loại đông nhanh khoảng 30 phút đến vài tiếng, loại phổ thông thường để qua đêm. Silicon bạch kim có thể rút ngắn bằng cách sấy nhẹ, nhưng không vượt nhiệt độ TDS cho phép.

Làm sao biết silicon mình mua là thiếc hay bạch kim?
Đọc TDS hoặc nhãn: “tin-cure”, “condensation” là thiếc; “platinum”, “addition cure” là bạch kim. Tỷ lệ trộn cũng là gợi ý: nhiều loại thiếc trộn 100:10 hoặc 100:5 theo khối lượng, còn bạch kim hay trộn 1:1. Không chắc thì hỏi nhà cung cấp.

Cần làm khuôn silicon theo mẫu của bạn?

Nếu bạn đã có mẫu thật hoặc file 3D, đội kỹ thuật CT3D có thể tư vấn chọn loại silicon, độ cứng, kiểu khuôn và báo giá theo đúng mẫu. Chưa có mẫu gốc thì có thể đi từ thiết kế, in 3D resin SLA làm master, rồi mới lấy khuôn. Xem thêm cách tính chi phí trong bài báo giá làm khuôn silicon và cách làm khuôn 2 mảnh, hoặc tham khảo các dịch vụ khuôn mẫu tại CT3D Group.

Liên hệ hotline/Zalo 0975 008 728 để gửi ảnh mẫu hoặc file 3D.

Bài viết liên quan

• Khuôn silicon là gì? Giải pháp nhân bản mẫu chi phí thấp
• Đúc mẫu chân không vacuum casting từ khuôn silicon
• Tạo mẫu nhanh 3D mô hình, mẫu làm khuôn silicon
• Chi phí tạo mẫu nhanh và in 3D
• Hậu xử lý bản in 3D trước khi lấy khuôn

Nguồn tham khảo

• Smooth-On, FAQ: What are the major differences between tin-cure and platinum-cure silicone mold making rubbers? https://www.smooth-on.com/support/faq/184/
• Smooth-On, FAQ: My silicone rubber mold did not cure against my SLA 3D printed model. https://www.smooth-on.com/support/faq/210/
• Smooth-On, FAQ: How long can I store my rubber mold in a mold library? https://www.smooth-on.com/support/faq/146/
• Smooth-On, FAQ: Will wood surfaces cause silicone cure inhibition? https://www.smooth-on.com/support/faq/199/
• Smooth-On, FAQ: Pour-on vs brush-on. https://www.smooth-on.com/support/faq/125/
• Smooth-On, FAQ: Food safe rubber. https://www.smooth-on.com/support/faq/126/
• Formlabs, How to make silicone molds. https://formlabs.com/blog/how-to-make-silicone-molds/
• Wikipedia, Silicone rubber (curing systems). https://en.wikipedia.org/wiki/Silicone_rubber
• U.S. eCFR, 21 CFR 177.2600 Rubber articles intended for repeated use. https://www.ecfr.gov/current/title-21/chapter-I/subchapter-B/part-177/subpart-C/section-177.2600