TÓM TẮT NHANH

Quy trình tạo hình bằng cách ép đùn vật liệu trong in 3D biến đổi một mô hình 3D kỹ thuật số thành một bộ phận vật lý hoàn chỉnh bằng cách làm nóng chảy một vật liệu nhiệt dẻo, thường là dạng sợi, và lắng đọng từng lớp thông qua một vòi phun nóng. Phương pháp sản xuất cộng gộp này, còn được gọi là Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM), bao gồm việc chuẩn bị tệp kỹ thuật số, thiết lập máy in, quá trình in tự động và cuối cùng là gia công sau in để hoàn thiện bộ phận.

Hiểu về Quy trình Ép đùn Vật liệu

In phun vật liệu là một công nghệ nền tảng trong lĩnh vực in 3D, nổi bật nhờ tính dễ tiếp cận và đa dụng. Về cơ bản, quy trình này hoạt động giống như một chiếc súng keo nóng tự động. Một vật liệu nhiệt dẻo rắn, thường ở dạng sợi dài được cuốn thành cuộn, được đưa vào đầu in đã được đun nóng. Tại đó, vật liệu được làm nóng chảy đến trạng thái bán lỏng và được ép – hay phun – ra qua một vòi phun nhỏ. Một máy tính điều khiển chuyển động của vòi phun này, vẽ hình dạng từng lớp của vật thể lên nền in.

Khi một lớp hoàn thành, nền tảng in sẽ hạ xuống một chút và đầu in bắt đầu phun lớp tiếp theo lên trên lớp trước. Mỗi lớp vật liệu nóng chảy sẽ kết dính với lớp bên dưới khi nguội đi và đông đặc lại. Việc tạo hình từng lớp như vậy tiếp tục cho đến khi toàn bộ vật thể được xây dựng từ dưới lên. Phương pháp này chính thức thuộc một trong bảy nhóm chính của sản xuất cộng gộp và được biết đến rộng rãi với tên thương mại Fused Deposition Modeling (FDM), lần đầu tiên được thương mại hóa bởi Stratasys.

Mặc dù quy trình này thường được liên kết chủ yếu với các loại nhựa như PLA và ABS dùng trong tạo mẫu nhanh và mục đích nghiệp dư, nhưng các dạng chuyên biệt của phương pháp đùn vật liệu cũng được áp dụng cho các vật liệu khác, bao gồm kim loại. Trong những lĩnh vực yêu cầu cao như ngành công nghiệp ô tô, một quy trình sản xuất khác gọi là đùn nhôm được sử dụng để chế tạo các bộ phận bền chắc và nhẹ. Các công ty như Shaoyi Metal Technology chuyên về lĩnh vực này, cung cấp các dịch vụ toàn diện từ tạo mẫu đến sản xuất quy mô lớn theo các hệ thống chất lượng nghiêm ngặt như IATF 16949.

Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống Ép Đùn In 3D

Để chuyển đổi thành công một tệp kỹ thuật số thành một vật thể thực tế, máy in 3D ép đùn phụ thuộc vào nhiều thành phần quan trọng hoạt động đồng bộ với nhau. Việc hiểu rõ vai trò của chúng là chìa khóa để nắm được cách thức vận hành của toàn bộ hệ thống. Những bộ phận này quản lý mọi khía cạnh, từ việc đưa nguyên liệu vào, làm nóng chảy cho đến đặt chính xác vị trí in.

Trái tim của hệ thống là máy đùn , có nhiệm vụ đưa sợi nhựa vào máy in. Bộ phận này bao gồm một 'đầu lạnh' với động cơ và cơ cấu bánh răng để giữ chặt sợi nhựa và đẩy nó tiến về phía trước, và một 'đầu nóng' nơi diễn ra quá trình nóng chảy. Bộ hotend bản thân chứa khối gia nhiệt và cảm biến nhiệt (thermistor) để duy trì nhiệt độ chính xác, đảm bảo sợi nhựa nóng chảy đồng đều nhằm tạo dòng chảy trơn tru qua đầu phun. Chất lượng của bộ hotend rất quan trọng để ngăn ngừa tắc nghẽn và đạt được các bản in chất lượng cao.

Tiếp theo là cái nổ , đầu phun nhỏ nơi nhựa nóng chảy được đẩy ra. Đường kính của đầu phun là một thông số quan trọng, vì nó quyết định độ phân giải của bản in. Một đầu phun nhỏ hơn có thể tạo ra các chi tiết tinh xảo hơn, trong khi đầu phun lớn hơn có thể in nhanh hơn nhưng với độ chi tiết thấp hơn. Cái sợi liên tục là vật liệu thô. Đây là loại nhựa nhiệt dẻo được cung cấp dưới dạng cuộn và có nhiều loại khác nhau, chẳng hạn như PLA (dễ in), ABS (bền và chịu nhiệt), và PETG (sự cân bằng giữa độ bền và độ dễ sử dụng). Cuối cùng, bề mặt in là bề mặt phẳng nơi đối tượng được in lên. Trên nhiều máy, bề mặt này được đun nóng để cải thiện độ bám dính của lớp đầu tiên và ngăn chi tiết bị cong vênh khi nguội.

Quy trình: Từ thiết kế kỹ thuật số đến đối tượng vật lý

Hành trình từ một mô hình 3D trên màn hình đến một chi tiết hoàn chỉnh hữu hình tuân theo một quy trình rõ ràng và hệ thống. Quá trình này tạo nên cầu nối giữa thiết kế kỹ thuật số và hiện thực vật lý thông qua nhiều giai đoạn riêng biệt.

1. chuẩn bị mô hình 3D và cắt lớp: Quy trình bắt đầu bằng một mô hình kỹ thuật số 3D, có thể được tạo ra bằng phần mềm CAD hoặc tải xuống từ kho lưu trữ trực tuyến. Mô hình này, thường ở định dạng tệp STL, sau đó được nhập vào một chương trình chuyên dụng gọi là 'slicer' (phần mềm cắt lớp). Phần mềm slicer chuyển đổi mô hình 3D thành hàng trăm hoặc hàng ngàn lớp ngang mỏng và tạo ra một tệp chứa các chỉ thị máy, được gọi là G-code. Mã này quy định mọi chuyển động của máy in, từ đường đi của đầu phun đến tốc độ đùn và nhiệt độ.
2. Thiết lập máy in & Nạp vật liệu: Trước khi bắt đầu in, cần phải chuẩn bị máy in. Việc này bao gồm việc lắp cuộn filament vào bộ phận đẩy (extruder), đảm bảo bề mặt in sạch sẽ và cân bằng, đồng thời làm nóng trước cả đầu phun và bàn in đến nhiệt độ phù hợp với loại vật liệu đang sử dụng. Việc thiết lập đúng rất quan trọng để in thành công, vì các vấn đề như bàn in không cân bằng có thể khiến lớp đầu tiên in thất bại, làm hỏng toàn bộ sản phẩm in.
3. Quá trình in thực tế: Với mã G đã được tải và máy in được chuẩn bị, quá trình in bắt đầu. Máy in tuân theo các hướng dẫn một cách cẩn thận, di chuyển đầu phun theo các trục X và Y để phun sợi nhựa nóng chảy. Sau khi hoàn thành mỗi lớp, đầu in di chuyển lên hoặc bàn in di chuyển xuống theo trục Z để tạo không gian cho lớp tiếp theo. Quá trình cộng thêm này được lặp lại từng lớp một cho đến khi vật thể được hình thành đầy đủ. Giai đoạn này chủ yếu được tự động hóa và có thể kéo dài từ vài phút đến nhiều giờ, tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của vật thể.
4. Làm nguội & Tháo chi tiết: Sau khi lớp cuối cùng được phun xong, bộ gia nhiệt của máy in sẽ tắt và vật thể cần được làm nguội. Việc để chi tiết và bàn in nguội dần là rất quan trọng để tránh cong vênh hoặc nứt do ứng suất nhiệt. Sau khi đã nguội đến nhiệt độ phòng, chi tiết hoàn chỉnh có thể được tháo ra khỏi bàn in một cách cẩn thận, thường với sự hỗ trợ của một cái spatula hoặc dụng cụ cạo.

Gia công sau in: Hoàn thiện chi tiết đã in xong

Một quan niệm sai lầm phổ biến về in 3D là chi tiết đã hoàn thiện hoàn toàn ngay khi vừa được lấy ra khỏi bàn in. Trên thực tế, hầu hết các sản phẩm in đều cần trải qua một số hình thức xử lý sau in để chuyển đổi từ một vật thô thành một bộ phận hoàn chỉnh, có chức năng sử dụng. Giai đoạn cuối này rất quan trọng để đạt được ngoại hình mong muốn, độ bền và độ chính xác về kích thước. Các bước thực hiện có thể dao động từ việc dọn dẹp đơn giản đến các kỹ thuật hoàn thiện phức tạp hơn.

Bước xử lý sau in cơ bản nhất là tháo gỡ vật hỗ trợ . Đối với các thiết kế có phần nhô ra hoặc cầu nối phức tạp, máy in sẽ tạo ra các cấu trúc hỗ trợ tạm thời để ngăn nhựa nóng chảy bị võng xuống trong quá trình in. Những vật hỗ trợ này cần được tách ra hoặc cắt bỏ cẩn thận khỏi bộ phận chính. Với các máy in sử dụng vật liệu hòa tan trong nước làm vật hỗ trợ, quy trình này có thể đơn giản chỉ bằng cách ngâm hòa tan chúng trong nước. Tuy nhiên, đối với vật hỗ trợ tiêu chuẩn được làm cùng vật liệu với chi tiết, việc tháo gỡ có thể để lại những vết trầy xước nhỏ cần được xử lý thêm.

Để cải thiện độ hoàn thiện bề mặt và loại bỏ các đường lớp nhìn thấy được đặc trưng của in FDM, đá và mịn là các kỹ thuật phổ biến. Bắt đầu bằng giấy nhám hạt thô và chuyển dần sang các loại hạt mịn hơn có thể tạo ra bề mặt nhẵn và đồng đều. Đối với một số loại nhựa như ABS, quy trình được gọi là làm nhẵn bằng hơi, trong đó chi tiết được tiếp xúc với hơi dung môi, có thể làm nóng chảy nhẹ lớp bề mặt để tạo ra vẻ ngoài bóng như nhựa đúc phun. Các kỹ thuật hoàn thiện bổ sung khác bao gồm sơn, phủ lớp epoxy để tăng độ bền và bịt kín chi tiết, hoặc thậm chí hàn các mảnh in riêng lẻ lại với nhau để tạo thành các cụm lớn hơn.

Các câu hỏi thường gặp

1. Quy trình đùn trong in 3D là gì?

Quá trình đùn trong in 3D bao gồm việc kéo một vật liệu rắn, thường là sợi nhựa, qua một vòi phun nóng để làm nóng chảy nó. Vật liệu nóng chảy này sau đó được phun theo đường đi được kiểm soát, từng lớp một, lên nền in. Mỗi lớp sẽ kết dính với lớp bên dưới khi nguội đi, từ từ tạo thành một vật thể ba chiều dựa trên mô hình kỹ thuật số.

2. Làm gì khi một bản in 3D hoàn thành?

Khi một bản in 3D hoàn thành, bước đầu tiên là để cho cả chi tiết và bàn in của máy nguội xuống nhiệt độ phòng để tránh cong vênh. Khi đã nguội, vật thể có thể được tháo cẩn thận khỏi nền. Sau khi tháo ra, thường cần thực hiện các bước gia công hậu kỳ, chẳng hạn như loại bỏ các cấu trúc hỗ trợ, chà nhám bề mặt để làm mịn các đường lớp, hoặc sơn để tăng tính thẩm mỹ.

3. In 3D có được coi là phương pháp đùn không?

Không phải tất cả in 3D đều là ép đùn, nhưng ép đùn vật liệu là một trong những loại công nghệ in 3D phổ biến nhất. Thuật ngữ in 3D, hay sản xuất cộng thêm, bao gồm nhiều quy trình khác nhau. Ép đùn vật liệu, được biết đến nhiều nhất với tên Gia công Lắng đọng Nóng chảy (FDM), là một hạng mục cụ thể trong in 3D, nơi vật liệu được đùn qua một vòi phun để tạo nên chi tiết.