Với công nghệ in 3D khuôn composite, các nhà sản xuất có thể tạo ra mẫu 3D, xử lý bề mặt và chuẩn bị khuôn composite một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí và linh hoạt hơn so với phương pháp truyền thống. Bài viết này Vinnotek sẽ hướng dẫn chi tiết từ A đến Z quy trình in 3D khuôn composite, giúp bạn nắm vững từng bước, từ in mẫu ban đầu, xử lý epoxy, đến gia công prepreg và hoàn thiện sản phẩm cuối cùng.
1. Giới thiệu về in 3D khuôn composite
In 3D khuôn composite là công nghệ tiên tiến, sử dụng máy in 3D để chế tạo khuôn từ vật liệu composite – một loại vật liệu tổng hợp được hình thành từ sự kết hợp của nhựa nhiệt dẻo hoặc nhựa epoxy với các vật liệu gia cường như sợi thủy tinh, sợi carbon hoặc hạt khoáng.
Nhờ sự kết hợp này, khuôn composite không chỉ có độ bền và độ cứng cao hơn nhiều so với nhựa thông thường mà còn chịu được lực cơ học lớn, khả năng chống biến dạng dưới nhiệt độ cao và áp suất mạnh.
Công nghệ này giúp các nhà sản xuất nhanh chóng tạo ra khuôn chính xác, tiết kiệm thời gian và chi phí so với khuôn kim loại truyền thống, đồng thời mở ra khả năng sản xuất linh hoạt cho các sản phẩm thử nghiệm, lô nhỏ và các chi tiết phức tạp mà phương pháp truyền thống khó thực hiện.
2. Các vật liệu dùng cho in 3D khuôn composite
Để in 3D khuôn composite, việc lựa chọn vật liệu phù hợp là bước quan trọng quyết định độ bền, khả năng chịu lực và chất lượng bề mặt của khuôn. Các vật liệu in 3D phổ biến bao gồm:
- PLA (Polylactic Acid): Vật liệu dễ in, ổn định, có khả năng bám tốt với lớp phủ epoxy. Thích hợp cho các mẫu thử và khuôn sản xuất số lượng nhỏ.
- ABS/ASA: Chịu nhiệt và cơ lý tốt hơn PLA, phù hợp với các khuôn cần làm việc ở nhiệt độ cao hoặc có lực định hình lớn.
- Resin chịu nhiệt (High Temp Resin, Rigid 10K Resin): Loại nhựa SLA có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt và giữ hình dạng chính xác dưới áp suất. Thường dùng cho khuôn in 3D cho các sản phẩm yêu cầu dung sai hẹp và chu kỳ sử dụng lâu.
- Fast Model Resin / Grey Resin: Phù hợp để in nhanh các khuôn thử nghiệm hoặc chi tiết nhỏ, dễ xử lý, độ bền vừa phải cho lô thử nghiệm.
Ngoài vật liệu in, các lớp phủ epoxy XCR hoặc gelcoat được sử dụng để tăng độ cứng, bề mặt mịn và khả năng chống dính, giúp in 3D khuôn composite dễ tách sản phẩm và chịu được nhiều chu kỳ thermoforming.
Việc kết hợp đúng vật liệu in và lớp phủ giúp khuôn composite bền bỉ, chính xác và đạt chất lượng tương đương khuôn kim loại truyền thống nhưng với chi phí và thời gian chế tạo thấp hơn nhiều.
3. Quy trình in 3D khuôn composite
Trước khi bắt đầu, cần hiểu rằng quy trình in 3D khuôn composite kết hợp in 3D, xử lý bề mặt và chuẩn bị vật liệu để tạo khuôn bền, chính xác.
Bước 1: Tạo bản in 3D
Bước đầu tiên trong quy trình là tạo bản in 3D. Chi tiết cần được thiết kế đầy đủ, bao gồm các gờ và rào chắn, và in bằng PLA. Thông thường, bạn có thể sử dụng chế độ in nhanh “draft” với độ dày lớp 0,2 mm; các đường lớp ở độ phân giải này sẽ dễ dàng được che phủ bằng lớp epoxy sau đó.
Độ dày vỏ in thường đặt khoảng 0,8 mm với mật độ in 20%. Nếu yêu cầu độ chính xác cao hơn, có thể chọn độ phân giải lớn hơn.
Với các chi tiết cần độ chính xác cao về kích thước, bề mặt in có thể được offset khoảng 0,25 mm để bù cho lớp phủ epoxy. Những chi tiết lớn hơn thể tích in của máy có thể được in theo từng phần và ghép lại bằng keo phù hợp; với PLA, keo cyanoacrylate hoặc epoxy đều mang lại kết quả tốt và chắc chắn.
Bước 2. Chà nhám và tạo độ bám
Bước tiếp theo trong quy trình là làm mịn và tạo “key” (độ bám) cho mẫu in 3D. Trước khi phủ lớp epoxy, bề mặt của mẫu cần được chà nhám kỹ bằng giấy nhám 240 grit.
Việc chà nhám này có hai tác dụng quan trọng: thứ nhất, nó loại bỏ các điểm nhô, khuyết tật hoặc vết gợn sóng còn sót lại từ quá trình in 3D; thứ hai, nó tạo ra một bề mặt hơi nhám, giúp lớp epoxy bám chắc hơn vào mẫu.
Khi lớp epoxy được phủ lên bề mặt đã chuẩn bị kỹ càng, mẫu sẽ dễ dàng tách ra khỏi khuôn mà không làm hỏng chi tiết, đồng thời đảm bảo rằng bề mặt khuôn sau này mịn màng, đều và đạt chất lượng cao cho các bước gia công tiếp theo. Việc chuẩn bị cẩn thận bước này đóng vai trò quyết định đến độ chính xác và chất lượng cuối cùng của khuôn composite.
Bước 3. Phủ epoxy XCR lên mẫu in 3D
Bước tiếp theo là phủ lớp XCR Epoxy Coating Resin lên mẫu 3D để tạo bề mặt mịn, kín và dễ tách khuôn. Mỗi lớp thường cần khoảng 300 g/m²; với mẫu nhỏ, nên chuẩn bị nhiều hơn để bù hao hụt. Tỷ lệ resin và cứng hóa phải chính xác 100:35, trộn kỹ trong hai cốc để tránh nhựa chưa hòa lẫn.
Epoxy được quét đều bằng cọ như sơn bóng, tránh quá nhiều gây chảy nhựa. Thường cần 2 lớp: lớp thứ hai quét khi lớp đầu đạt B-stage (dính nhẹ nhưng không để lại nhựa). Sau cùng, để epoxy tự cứng 12–24 giờ. Lưu ý: không để resin trộn sâu >5 mm trong cốc để tránh quá nhiệt; resin thừa nên đổ ra khay nông hoặc nơi an toàn.
Bước 4. Mài phẳng và đánh bóng lớp epoxy
Bước tiếp theo là mài phẳng và đánh bóng lớp XCR để đạt bề mặt chuẩn và mịn. Quá trình bắt đầu bằng giấy nhám 400–800 grit ướt, sau đó tăng dần đến 1200 grit để loại bỏ các vết không đều. Các vùng cong xử lý trực tiếp bằng giấy nhám, còn mặt phẳng và cong đơn giản nên quấn quanh khối phẳng để giữ độ chính xác.
Sau khi mài nhẵn, sử dụng compound NW1 để đánh bóng, tốt nhất với pad mút trên máy, nhưng có thể thực hiện bằng tay nếu kiên nhẫn. Compound tự mòn giúp bề mặt sáng bóng dần, kết thúc bằng lau sạch bằng khăn microfiber để lộ bề mặt gương hoàn hảo.
Bước 5. Phủ chất chống dính
Bước tiếp theo là phủ lớp chất tách khuôn để tránh mẫu in dính vào khuôn khi đúc. Có thể sử dụng sáp, PVA hoặc các loại chất tách chuyên dụng; trong các dự án này, Easylease Chemical Release Agent được khuyến nghị nhờ độ tin cậy cao.
Trước khi phủ, làm sạch bề mặt mẫu và thực hiện trong môi trường thông thoáng. Dùng khăn không xơ tẩm một lớp mỏng chất tách, đợi 5–30 giây cho bay hơi nhẹ, rồi dùng khăn thứ hai theo chuyển động tròn để loại bỏ dư thừa và trải đều.
Với mẫu mới, nên phủ ít nhất 6 lớp, cách nhau tối thiểu 15 phút, và để lớp cuối ít nhất 1 giờ trước khi tiến hành đúc. Sử dụng khăn mới cho mỗi lớp để tránh nhiễm bẩn và đảm bảo bề mặt khuôn hoàn hảo.
>> Xem thêm: một số ứng dụng khác của in 3D:
Bước 6. Dùng mẫu để làm khuôn composite
Bước tiếp theo trong quy trình là sử dụng mẫu 3D hoàn thiện để tạo khuôn composite. Trước hết, gelcoat EG160 được trộn kỹ và phủ đều lên mẫu trong hai lớp, mỗi lớp dày khoảng 0,5 mm. Lớp gelcoat đầu tiên được để đông đến B-stage – tức là cứng nhưng vẫn còn dính nhẹ – trước khi phủ lớp thứ hai nhằm đảm bảo bề mặt mịn, đều và sẵn sàng cho việc gia cố.
Sau khi gelcoat đạt B-stage, lớp gia cố chính EMP160, bao gồm nhựa epoxy, chất độn và sợi thủy tinh, được phủ lên với độ dày khoảng 10 mm. Lớp này dễ dàng chèn vào các góc cạnh và chi tiết, giảm thiểu bọt khí và tạo kết cấu chắc chắn cho khuôn.
Để khuôn đạt trạng thái đủ cứng nhưng không giòn, giai đoạn đông ban đầu nên thực hiện ở 40 °C trong khoảng 12 giờ; phương pháp này vừa giúp bảo vệ mẫu 3D, vừa đảm bảo khuôn có thể tách ra an toàn và bền bỉ trong quá trình sử dụng.
Bước 7. Tách khuôn khỏi mẫu + chuẩn bị khuôn
Khi khuôn đã được để đông cứng hoàn toàn, trước tiên hãy loại bỏ bất kỳ phần thừa nào quanh mép để quá trình tách khuôn diễn ra dễ dàng hơn. Sử dụng nêm nhựa hoặc dụng cụ chuyên dụng để tách khuôn khỏi mẫu một cách nhẹ nhàng, tránh làm hỏng bề mặt hoặc biến dạng khuôn.
Với các khuôn cao nhiệt, bước post-cure là cần thiết: tăng dần nhiệt độ theo quy trình khuyến nghị để ổn định vật liệu, đảm bảo khuôn chịu được nhiệt độ làm việc mà không biến dạng.
Cuối cùng, trước khi đưa vào sử dụng, phủ một lớp Easylease Release Agent đều trên bề mặt khuôn, giúp ngăn khuôn dính với vật liệu composite trong quá trình chế tạo sản phẩm, đồng thời kéo dài tuổi thọ và giữ chất lượng bề mặt khuôn.
Bước 8. Gia công lớp prepreg trong khuôn
Quá trình laminate chi tiết là bước quan trọng để tạo ra sản phẩm composite cuối cùng. Trong dự án này, chúng tôi sử dụng phương pháp out-of-autoclave với prepreg, yêu cầu bọc chân không và lò nướng, giúp kiểm soát chất lượng mà không cần thiết bị phức tạp.
Lớp laminate rất mỏng, chỉ 0,25 mm, gồm 1 ply XC110 carbon prepreg 210 g. Khi trải prepreg vào khuôn, cần thao tác cẩn thận từ điểm thấp nhất ra ngoài, đảm bảo vật liệu ôm sát bề mặt mà không tạo khe hở hay nhăn gấp.
Dụng cụ hỗ trợ như dibber có thể giúp ấn prepreg vào các góc và chi tiết phức tạp, đồng thời cắt nhỏ bằng composite snips để vật liệu lắp khớp chính xác, tránh bridging hay nếp gấp. Việc này đảm bảo laminate đồng nhất, bền chắc và bề mặt cuối cùng đạt chất lượng cao.
Bước 9. Làm túi hút chân không
Bước này liên quan đến việc bọc chân không cho chi tiết. Vì chỉ 1 ply mỏng, không cần de-bulking, chi tiết được đặt trực tiếp vào túi chân không với lớp film không perforated. Film phải ôm sát bề mặt khuôn, không tạo khe hở, có thể dùng flash tape để cố định.
Chỉ cần breather ở cạnh và dưới chi tiết để dẫn khí, giúp túi chân không vào các góc và chi tiết phức tạp. Khi đặt túi, ban đầu hút một phần để điều chỉnh vị trí, sau đó kéo full vacuum và kiểm tra rò rỉ ít nhất 10 phút.
Bước 10. Đưa vào lò để cure prepreg
Sau khi túi chân không đã được hút và kiểm tra rò rỉ thành công, chi tiết có thể đưa vào lò để tiến hành quá trình cure. Đặt túi cẩn thận, tránh vướng vào các cạnh hoặc mép sắc để không bị thủng.
Kết nối đường ống chân không bên trong lò và máy bơm bên ngoài, đảm bảo túi được duy trì ở trạng thái chân không đầy đủ trong suốt quá trình. Sau đó, đóng cửa lò và cài đặt chương trình nhiệt phù hợp. Các lò hiện đại, như OV301, thường có giao diện cảm ứng tiện lợi, giúp nhanh chóng thiết lập chu trình cure chuẩn theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
Bước 11. Tháo sản phẩm
Sau khi chu trình cure trong lò kết thúc, để chi tiết nguội hoàn toàn về nhiệt độ phòng trước khi tháo khuôn, tránh làm hỏng bề mặt và gây các khuyết tật. Khi chi tiết đã nguội, tháo túi chân không, lớp release film và breather; lớp release film thường sẽ dễ dàng bóc ra. Sử dụng các đinh nhựa hoặc dụng cụ mỏng để nhẹ nhàng tách từng mép chi tiết khỏi khuôn, làm theo vòng quanh khuôn để nâng chi tiết đều và tránh làm xước khuôn.
Sau khi lấy ra, chi tiết cần được cắt tỉa và hoàn thiện bằng dụng cụ cắt quay, giấy nhám hoặc dụng cụ mài cacbua để tạo cạnh sắc nét và sạch. Chi tiết carbon fibre hoàn thiện giờ đã sẵn sàng cho ứng dụng.
>> Xem thêm: Các dòng máy in 3D công nghiệp tiêu biểu của Vinnotek:
Kết luận
Công nghệ In 3D Khuôn Composite mang đến giải pháp tối ưu cho các doanh nghiệp và xưởng sản xuất muốn tạo khuôn nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm chi phí. Từ việc in mẫu 3D, xử lý bề mặt, phủ epoxy, tạo khuôn đến gia công prepreg và hoàn thiện sản phẩm, mỗi bước trong quy trình đều được chuẩn hóa để đảm bảo chất lượng cao và khả năng tái sử dụng lâu dài.
Với kinh nghiệm và giải pháp công nghệ tiên tiến, Vinnotek sẵn sàng đồng hành cùng bạn trong việc áp dụng In 3D Khuôn Composite, từ tư vấn vật liệu, thiết lập quy trình đến cung cấp thiết bị và hỗ trợ kỹ thuật chuyên sâu. Hãy liên hệ với Vinnotek ngay hôm nay để nâng cấp quy trình sản xuất của bạn, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
