Thermoforming với khuôn in 3D đang trở thành lựa chọn hiệu quả cho các doanh nghiệp cần tạo mẫu nhanh, sản xuất linh hoạt và tối ưu chi phí. Nhờ khả năng gia công hình học phức tạp, rút ngắn thời gian chế tạo và thử nghiệm trực tiếp trên nhiều loại vật liệu nhựa, khuôn in 3D giúp quá trình thermoforming trở nên chính xác và dễ kiểm soát hơn.
Vinnotek đồng hành cùng doanh nghiệp trong việc ứng dụng công nghệ in 3D vào thiết kế – chế tạo khuôn, mang đến giải pháp phù hợp cho cả nghiên cứu, sản xuất nhỏ và phát triển sản phẩm.
1. Thermoforming là gì
Thermoforming là tập hợp các quy trình sản xuất trong đó các tấm nhựa được làm nóng đến trạng thái dẻo và định hình theo khuôn, tạo ra các chi tiết hoặc sản phẩm với hình dạng và bề mặt chính xác, phù hợp cho nhiều ứng dụng từ bao bì đến linh kiện kỹ thuật.
2. Các phương pháp Thermoforming
Trước khi đi vào chi tiết, cần nắm rõ các phương pháp phổ biến trong thermoforming. Tùy vào sản phẩm và loại tấm nhựa, mỗi kỹ thuật sẽ mang lại hiệu quả và chất lượng khác nhau.
2.1 Hút chân không
Hút chân không là kỹ thuật đơn giản nhất, ít tốn kém nhất và cũng phổ biến nhất trong các phương pháp thermoforming. Quy trình bắt đầu bằng việc làm nóng một tấm nhựa cho đến khi nó trở nên mềm dẻo, sau đó sử dụng lực hút chân không để kéo tấm nhựa ôm sát vào khuôn.
Lực hút thường đạt khoảng 0,9 bar (14 PSI), đủ để tấm nhựa bám sát vào các chi tiết của khuôn. Kỹ thuật này đặc biệt phù hợp với những chi tiết chỉ cần định hình chính xác ở một mặt, chẳng hạn như bao bì thực phẩm có bề mặt cong hoặc vỏ hộp điện tử.
2.2 Ép áp suất
Ép áp suất là kỹ thuật phổ biến thứ hai trong các phương pháp thermoforming. Trong quá trình này, tấm nhựa được làm nóng mềm và sau đó được ép chặt vào khuôn bằng áp lực — áp suất điển hình khoảng 6,9 bar (100 PSI).
Việc sử dụng áp suất cao hơn cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp và tinh xảo, đồng thời mang lại bề mặt hoàn thiện gần như tương tự các chi tiết đúc bằng ép nhựa (injection molding). Cả ép áp suất và đúc chân không đều thích hợp với các chi tiết có hình học nông, nhưng ép áp suất vượt trội khi cần độ chính xác và chi tiết bề mặt cao hơn.
2.3 Ép cơ khí / Hỗ trợ trụ đẩy
Ép cơ khí, hay còn gọi là ép hỗ trợ trụ đẩy, là một quy trình sử dụng khuôn hai phần kèm theo trụ dẫn (plug-assisted) và đặc biệt thích hợp cho các chi tiết có hình dạng sâu hoặc profile phức tạp.
Trong quá trình này, các khuôn âm và dương được ép chặt với nhau để định hình tấm nhựa đã được làm nóng, đảm bảo chi tiết theo đúng hình dạng mong muốn.
Phương pháp này mang lại độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt vượt trội so với các kỹ thuật khác, tuy nhiên, do cấu trúc khuôn phức tạp và yêu cầu thao tác chính xác, đây cũng là phương pháp tốn kém và khó thực hiện nhất trong các quy trình thermoforming.
>> Thông tin hữu ích: Các ứng dụng tiêu biểu của in 3D
3. Hướng dẫn thiết kế khuôn in 3D cho Thermoforming
Để tạo khuôn in 3D cho thermoforming hiệu quả, cần hiểu rõ các nguyên tắc thiết kế và chọn vật liệu phù hợp, giúp sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng cao và dễ gia công.
3.1 Quy tắc thiết kế
Để tối ưu hóa lực hút chân không và chất lượng bề mặt của chi tiết thermoforming, một số hướng dẫn quan trọng cần lưu ý:
- Hãy khoét rỗng khuôn để không khí có thể lưu thông và giảm thể tích nhựa in. Việc này giúp tiết kiệm vật liệu, rút ngắn thời gian in và cải thiện hiệu quả hút chân không. Nên giữ độ dày tường khuôn tối thiểu khoảng 1–2 mm để đảm bảo độ bền.
- Bố trí các lỗ thông hơi phù hợp với đường kính gợi ý dựa trên độ dày tấm nhựa. Công nghệ in 3D cho phép tích hợp các lỗ thông hơi rất nhỏ ở gần như bất kỳ vị trí nào trên bề mặt khuôn mà không tốn thêm công đoạn gia công.
- Điều này giúp tấm nhựa được kéo đều, lực hút phân bố đồng đều, nâng cao chất lượng chi tiết. Với nhựa Grey Resin, lỗ thông hơi nhỏ tới 0,5 mm có thể in dễ dàng; với nhựa Rigid 10K hoặc Fast Model, các lỗ nhỏ hơn 1 mm có thể cần khoan sau in.
- Tránh các cạnh sắc nhọn. Bo tròn các góc theo hướng kéo nhựa sẽ giảm nguy cơ hình thành vết nhăn (webbing) trên chi tiết.
- Hạn chế sử dụng giá đỡ (supports) trên bề mặt tạo hình, vì điều này có thể ảnh hưởng đến độ mịn và chính xác của chi tiết.
Để kéo dài tuổi thọ của dụng cụ thermoforming và đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài, cần lưu ý một số nguyên tắc thiết kế và gia công:
- Trước hết, bổ sung một mạng lưới gân theo hình dạng chi tiết giúp gia cố kết cấu cơ học, giảm nguy cơ cong vênh trong quá trình sử dụng. Các khía nhỏ trên gân không chỉ tăng cường độ bền mà còn hỗ trợ lưu thông không khí, cải thiện hiệu quả hút chân không.
- Tăng góc nghiêng của chi tiết tối thiểu 2–3° sẽ giúp tháo khuôn dễ dàng hơn và giảm nguy cơ hỏng bề mặt chi tiết.
- Thiết kế các chi tiết lắp ráp để cố định dụng cụ vào đế máy ép nhiệt là rất quan trọng. Các lỗ ren có thể tích hợp trực tiếp vào mô hình in 3D; nếu kích thước thay đổi, có thể điều chỉnh sau khi in bằng máy khoan.
- Cần chuẩn bị đầy đủ linh kiện lắp ráp để tránh vỡ khi đẩy chi tiết ra khỏi khuôn. Ngoài ra, có thể bổ sung các dải phẳng ở đáy mô hình để cố định dụng cụ bằng băng dính xốp hai mặt, nhưng cần lưu ý xốp có thể bị nén dưới nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến dòng chân không.
- Với khuôn lớn hoặc khối lượng chi tiết nặng, nên thiết kế các kênh làm mát để kiểm soát nhiệt độ dụng cụ, tránh biến dạng do nhiệt.
- Trong trường hợp xuất hiện các vết lõm hoặc chi tiết khó tháo, chia dụng cụ thành nhiều bộ phận sẽ giúp tháo lắp dễ dàng hơn. Có thể thêm thanh giằng gập để hỗ trợ việc đẩy chi tiết ra, hoặc nam châm để giữ các bộ phận cố định với nhau.
- Cuối cùng, tích hợp đường cắt (cut line) vào thiết kế CAD giúp loại bỏ vật liệu thừa sau khi đúc và nâng cao chi tiết trong quá trình tạo hình chân không, giảm thiểu sai sót và đảm bảo độ chính xác sản phẩm ở mức cao nhất.
3.2 Lựa chọn vật liệu in 3D
Khuôn thermoforming phải chịu được các lực lắp ráp, lực định hình (bao gồm cả lực hút chân không và áp suất), nhiệt độ, lực tháo chi tiết, cũng như các chất làm mát hoặc chất tách khuôn có thể sử dụng. Các vật liệu in 3D hiện nay hoàn toàn có khả năng đáp ứng những yêu cầu này và có thể thay thế khuôn nhôm trong sản xuất số lượng thấp.
Fast Model Resin: phù hợp khi chỉ cần tạo từ 1–5 sản phẩm và muốn nhanh chóng thử nghiệm thiết kế. Fast Model Resin in với độ phân giải thấp hơn so với các vật liệu chuẩn nhưng tốc độ in nhanh hơn gấp 4 lần, lý tưởng cho các chi tiết lớn, thiết kế đơn giản, nguyên mẫu ban đầu và lặp nhanh.
Grey Resin: Thích hợp cho các chi tiết cần chất lượng bề mặt cao và độ chi tiết tốt trong khoảng 1–5 sản phẩm. Mặc dù thermoforming không phải lúc nào cũng đòi hỏi độ chính xác cao, Grey Resin vẫn đem lại độ chính xác, độ đồng nhất và dễ loại bỏ giá đỡ hơn.
Đây là lựa chọn ưu tiên cho các chi tiết nhỏ khi tốc độ in không phải là yếu tố quan trọng. Khi chế tạo nhiều chi tiết từ cùng một khuôn in bằng Grey Resin hoặc Fast Model Resin, cần đảm bảo thời gian làm mát đủ lâu (khoảng 8–10 phút, tùy thuộc vào chi tiết và vật liệu).
Rigid 10K Resin: dành cho những điều kiện tạo hình khắt khe hơn. Đây là vật liệu công nghiệp, chứa nhiều sợi thủy tinh, có thể tạo ra các loạt chi tiết hạn chế với chu kỳ gần bằng sản xuất thực tế.
Rigid 10K Resin có nhiệt độ chịu biến dạng 218 °C @ 0.45 MPa và mô đun đàn hồi kéo 10.000 MPa, mang lại độ cứng, ổn định nhiệt cao và khả năng giữ hình dạng dưới áp lực và nhiệt độ, giúp sản xuất các chi tiết chính xác với dung sai hẹp.
4. Quy trình in 3D và lắp ráp khuôn
Sau khi hoàn thiện thiết kế và lựa chọn vật liệu in 3D phù hợp, bước tiếp theo là triển khai quy trình tạo khuôn và tiến hành thermoforming. Mỗi giai đoạn dưới đây đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng khuôn và sản phẩm cuối cùng.
Bước 1. Thiết kế khuôn
Sau khi in xong, làm sạch lỗ thoát khí và kênh làm mát bằng IPA theo hướng dẫn Formlabs, rồi thổi khô để tránh resin còn sót lại. Tiếp tục post-cure đúng thông số. Nếu kích thước có sai lệch, hiệu chỉnh bằng chà nhám, phay hoặc khoan nhẹ để đạt chuẩn.
Với Rigid 10K Resin, lau bề mặt bằng dầu khoáng để loại bỏ bụi bột. Tùy vào máy thermoforming, khuôn có thể được bắt ren và cố định lên plate kim loại trước khi đưa vào vận hành.
Bước 2. In 3D khuôn
Chọn công nghệ in 3D (FDM, SLA, SLS) và vật liệu phù hợp (ABS, PETG, resin chịu nhiệt, composite) tùy yêu cầu về độ bền, chịu nhiệt và độ chính xác. Thiết lập thông số in như độ dày lớp, tốc độ, mật độ infill để tối ưu chất lượng và giảm thời gian.
Sau khi in, thực hiện xử lý hậu kỳ (làm sạch, tháo support, gia nhiệt) để tăng độ bền và khả năng chịu nhiệt. Khuôn 3D giúp tạo mẫu nhanh, dễ gia công chi tiết phức tạp mà phương pháp truyền thống khó làm.
Bước 3. Lắp ráp khuôn
Bước lắp ráp là công đoạn hoàn thiện khuôn để sẵn sàng sử dụng trong máy định hình nhiệt. Sau khi in 3D, các bộ phận được kiểm tra, làm sạch và loại bỏ phần dư thừa. Nếu khuôn gồm nhiều module, các chi tiết được lắp ghép chính xác, đảm bảo kín khít và ổn định.
Khuôn sau đó được cố định trên thiết bị kẹp của máy thermoforming, đôi khi kết hợp phụ kiện hỗ trợ như hệ thống thoát khí, làm mát hoặc lớp phủ bề mặt để tăng tuổi thọ và chất lượng sản phẩm.
Bước 4. Kẹp tấm nhựa
Bước kẹp tấm nhựa là công đoạn chuẩn bị quan trọng, giúp giữ chắc tấm nhựa trong khung làm việc và đảm bảo các bước định hình tiếp theo hiệu quả. Tấm nhựa nhiệt dẻo, lớn hơn sản phẩm cuối cùng, được đặt vào khung kẹp chuyên dụng, cố định vị trí để tránh trượt, lệch hay méo trong quá trình gia nhiệt.
Sau khi kẹp chắc, tấm nhựa được chuyển vào vùng gia nhiệt đến mức mềm đủ để dễ dàng tạo hình khi áp lực tác động lên khuôn. Việc kẹp chính xác tối ưu vị trí và độ căng của nhựa, tạo nền tảng cho quá trình định hình chân không hoặc áp suất đạt chất lượng cao, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đúng hình dáng và tiêu chuẩn.
Bước 5. Làm nóng
Là giai đoạn nung mềm tấm nhựa nhiệt dẻo đã được cố định trong khung kẹp. Tấm nhựa được đưa vào buồng gia nhiệt sử dụng đèn hồng ngoại, khí nóng hoặc bề mặt gia nhiệt để tăng nhiệt độ đến vùng tạo hình — nằm giữa điểm chuyển thủy tinh và nhiệt độ nóng chảy của vật liệu.
Nhiệt độ và thời gian được kiểm soát chặt chẽ để nhựa đạt độ mềm dẻo tối ưu mà không bị cháy hoặc quá nhiệt. Khi đạt chuẩn, tấm nhựa trở nên linh hoạt và sẵn sàng biến dạng đồng đều theo khuôn dưới tác dụng của chân không hoặc áp suất ở bước tiếp theo.
Bước 6. Định hình
Là giai đoạn quan trọng nhất của quy trình thermoforming, nơi tấm nhựa mềm được kéo căng và ép sát vào khuôn để tạo ra hình dạng cuối cùng. Ngay sau khi đạt nhiệt độ mềm dẻo, tấm nhựa được đưa đến vị trí khuôn và lực hút chân không sẽ loại bỏ không khí giữa nhựa và bề mặt khuôn, giúp nhựa ôm chặt từng đường nét chi tiết.
Tùy theo yêu cầu, quy trình có thể kết hợp hoặc thay thế bằng áp suất không khí để tăng độ chính xác và kiểm soát độ dày thành. Việc duy trì lực hút/áp suất trong thời gian thích hợp đảm bảo nhựa định hình đồng đều, không bị nhăn, rách hay tạo bọt khí.
Bước 7. Làm nguội
Là giai đoạn giúp sản phẩm nhựa giữ vững hình dạng sau khi đã được định hình. Ngay khi tấm nhựa ôm sát vào khuôn, nó phải được làm nguội nhanh để vật liệu cứng lại và ổn định kích thước. Việc làm mát thường được thực hiện bằng quạt gió, phun sương hoặc hệ thống làm lạnh tích hợp trong khuôn nhằm tản nhiệt đồng đều trên toàn bộ bề mặt.
Làm nguội đúng cách giúp hạn chế các lỗi như co ngót, cong vênh hay nứt gãy. Trong môi trường công nghiệp, khuôn còn được trang bị hệ thống làm mát tuần hoàn bằng nước hoặc chất làm lạnh chuyên dụng, vừa rút ngắn chu kỳ sản xuất vừa tăng độ bền cho khuôn
Bước 8. Tách và cắt tỉa sản phẩm
Là công đoạn cuối cùng trong quy trình thermoforming, nhằm tạo ra sản phẩm hoàn thiện với kích thước và hình dạng chính xác. Khi tấm nhựa đã nguội và cứng lại trong khuôn, máy sẽ mở khuôn để tách sản phẩm ra ngoài.
Do tấm nhựa ban đầu luôn lớn hơn sản phẩm, phần thừa và bavia xung quanh sẽ được cắt tỉa bằng dao thủ công, máy cắt laser hoặc hệ thống CNC tùy yêu cầu độ chính xác. Các phần nhựa dư — thường gọi là skeleton — được thu gom và đưa vào quy trình tái chế để tiết kiệm vật liệu.
>> Có thể bạn quan tâm: các dòng máy in 3D tại Vinnotek:
5. Case Studies thực tế
Để giúp doanh nghiệp và kỹ sư hình dung rõ hơn cách thermoforming kết hợp với khuôn in 3D được ứng dụng trong thực tế, phần dưới đây tổng hợp một số case study tiêu biểu từ các ngành khác nhau. Các ví dụ bao gồm sản xuất linh kiện ô tô, hàng tiêu dùng, bao bì mỏng và các sản phẩm mini packaging.
5.1 IPC: Thermoforming tấm PS và ABS dày (ô tô)
IPC, trung tâm kỹ thuật hàng đầu tại Pháp chuyên về nhựa và composite, đã thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu về ứng dụng khuôn in 3D trong thermoforming tấm nhựa dày. Hợp tác cùng Tập đoàn VESTAL – nhà sản xuất linh kiện thermoforming quy mô lớn cho ngành ô tô, y tế và đường sắt – IPC đặt mục tiêu đánh giá tính khả thi, độ bền và hiệu quả kinh tế của khuôn SLA in bằng vật liệu Rigid 10K khi tạo hình tấm PS/ABS dày.
Nghiên cứu so sánh nhiều công nghệ in 3D, thử nghiệm thiết kế khuôn “torture test”, bổ sung hệ thống làm mát, tiến hành 20 chu kỳ thermoforming và phân tích độ bền, độ nhám, nhiệt độ, độ chính xác, chi phí cũng như thời gian chế tạo.
Kết quả cho thấy khuôn in 3D có thể đáp ứng yêu cầu tạo hình tấm dày trong sản xuất mẫu và lô nhỏ, giảm thời gian chế tạo từ vài tuần xuống còn 3,5 ngày và tiết kiệm hơn 50% chi phí so với khuôn nhôm.
5.2 Glassboard: Thermoforming tấm PC (hàng tiêu dùng)
Glassboard đã sử dụng in 3D để chế tạo nhanh khuôn cho nguyên mẫu từ tấm polycarbonate dày. Hai dự án điển hình gồm một “test puck” và một mũ bảo hiểm, với khuôn rỗng, gân gia cường và lỗ chân không tối ưu.
Khuôn được in bằng Fast Model Resin, sau khi làm sạch và mài nhẵn, cho phép thermoforming các tấm PC 3 mm thành sản phẩm 1,5 mm dày, nhiệt độ 194–204 °C, áp suất 20–25 bar, mà không hỏng khuôn.
In 3D tại chỗ giúp giảm chi phí gấp 10 lần, rút ngắn thời gian từ vài tuần xuống còn 1 ngày, đồng thời nhanh chóng tạo nguyên mẫu “looks-like, works-like” cho R&D và thử nghiệm sản phẩm.
5.3 Thermoforming tấm ABS/HIPS mỏng (bao bì)
Formech đã thử nghiệm sử dụng khuôn in 3D trên máy vacuum forming để sản xuất khay túi nhỏ từ tấm ABS và HIPS dày 1,5 mm. Khuôn thiết kế rỗng, có gân gia cường, lỗ chân không 1 mm, và 3° draft angle, vừa giảm vật liệu in vừa tăng độ cứng.
Ba loại nhựa in 3D được thử nghiệm: Grey Resin, Rigid 10K Resin, và High Temp Resin, in bằng máy Form 4L, rửa và post-cure theo hướng dẫn. Khuôn được cố định trên máy Formech 686 và tạo hình ở 180 °C, thời gian chu kỳ 2,5 phút.
Kết quả: 50 sản phẩm được tạo ra trên mỗi khuôn, chất lượng tương đương khuôn truyền thống. Grey Resin có độ dẻo nhẹ khi nóng, Rigid 10K Resin hoàn toàn cứng chắc và bền bỉ. Formech khuyến nghị dùng Grey Resin cho sản xuất ngắn hạn, Rigid 10K Resin cho các lô lớn, đảm bảo chi tiết sắc nét và tuổi thọ cao.
5.4 Thermoforming PETG, PE, PP (mini packaging)
Một số thử nghiệm thực hiện với tấm PETG, PE và PP dày 0,5–2 mm trên máy thermoforming với khuôn 3D nhỏ (100 x 100 x 20 mm). Mỗi khuôn có thể tạo ra 15–20 sản phẩm mà không bị hỏng.
Kết quả cho thấy: tấm mỏng 0,5 mm khó tách sau khoảng 10 chu kỳ, tấm dày 1–2 mm dễ tách hơn và chất lượng sản phẩm cao. Nhiệt độ khuôn ổn định khoảng 60 °C. Khuôn in 3D bằng nhựa tiêu chuẩn phù hợp cho số lượng nhỏ, nhựa chịu nhiệt tốt hơn phù hợp cho sản xuất lô lớn.
Thí nghiệm này chứng minh rằng khuôn in 3D là giải pháp nhanh, tiết kiệm chi phí cho sản xuất thử nghiệm, lô nhỏ hoặc sản phẩm tùy chỉnh, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng cho nhiều loại vật liệu và ngành công nghiệp khác nhau.
Kết luận
Sử dụng khuôn in 3D trong thermoforming đã chứng minh là giải pháp nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và linh hoạt, phù hợp cho cả sản xuất nguyên mẫu, lô nhỏ và sản phẩm tùy chỉnh.
Các thử nghiệm với PS, ABS, HIPS, PC, PETG, PE, PP cho thấy khuôn in 3D có thể tạo ra chi tiết chính xác, chất lượng bề mặt tốt và độ bền ổn định, đồng thời rút ngắn thời gian chế tạo từ vài tuần xuống còn vài ngày. Lựa chọn vật liệu phù hợp, từ nhựa tiêu chuẩn cho lô nhỏ đến nhựa chịu nhiệt cao cho lô lớn, giúp tối ưu hóa tuổi thọ khuôn và hiệu quả sản xuất.
Liên hệ Vinnotek ngay hôm nay để được tư vấn chi tiết, thử nghiệm mẫu và lựa chọn giải pháp in 3D tối ưu cho dự án thermoforming của bạn.
