MARKFORGED – VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG
Khi nói đến in 3D, hầu hết những người trong ngành hoặc có kinh nghiệm sử dụng đều sẽ nghĩ đến vật liệu nhựa. Mặc dù nhựa là loại vật liệu thường có nhiệt độ nóng chảy thấp và dễ in, nhưng chúng không không có đặc tính gì nổi trội khi trên phương diện sức mạnh, độ cứng, và kháng nhiệt. May mắn thay, bằng cách sử dụng công nghệ FFF (tương tự như FDM – công nghệ in 3D phổ biến nhất), Markforged đã sáng tạo ra phương pháp để in 3D các vật liệu composite với cơ tính vượt trội so với nhựa thông thường.
Vậy vật liệu composite là gì?
Composite thường được cấu thành từ 2 loại chất liệu trở lên, khi kết hợp chúng sẽ có những cơ tính khác nhau so với dạng nguyên bản. Chúng có 2 đặc điểm chính: kết hợp và gia cố. Đối với các vật liệu composite dạng sợi thông thường, vật liệu gia cố (ví dụ như sợi cacbon hoặc sợi thuỷ tinh) sẽ được tạo thành hình dạng theo yêu cầu, sau đó được bao bọc bởi ma trận vật liệu, thường là epoxy hoặc nhựa để cố định cấu trúc mẫu in.
Composite là loại một vật liệu hữu dụng bởi chúng sở hữu các đặc tính của các vật liệu khác nhau, cho phép hiệu suất của chúng vượt xa nhựa thông thường trong khi vẫn giữ được trọng lượng nhẹ. Trên thực tế, các chi tiết sử dụng sợi cacbon có thể chắc chắn hơn cả thép với chỉ 1/10 trọng lượng.
Trong phương pháp truyền thống, sợi cacbon dạng dệt tấm được cố định và gia cố bằng ma trận vật liệu
Có nhiều loại ma trận vật liệu và gia cố cho từng loại vật liệu composite khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào các vật liệu composite của Markforged, cơ tính của chúng và các ứng dụng phù hợp.
Vật liệu composite in 3D
Tương tự như các chi tiết composite khác, các mẫu in 3D composite của Markforged được tạo bởi 2 thành phần chính: ma trận vật liệu và gia cố. Ma trận vật liệu của Markforged được gọi là Onyx, một loại nhựa kết hợp với sợi nilon, và vật liệu gia cố là một trong bốn loại sợi liên tục của chúng tôi. Các vật liệu gia cố này bao gồm sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh kháng nhiệt độ cứng cao, và Kevlar.
Các mẫu in composite được in từng lớp, sử dụng quy trình gọi là CFF (Chế tạo sợi liên tục). Bên trên là hình ảnh một chi tiết được cắt thành 2 nửa để trình diễn phần gia cố sợi bên trong.
Sợi thuỷ tinh
Sợi thuỷ tinh là loại sợi gia cố cơ bản của Markforged. Nó được cấu tạo bởi các sợi thuỷ tinh kết dính lại thành dạng sợi. Sợi thuỷ tinh là loại sợi gia cố cơ bản có cơ tính tốt và giá thành phải chăng. Dưới tác động uốn cong, sợi thuỷ tinh chắc chắn hơn 4 lần và cứng hơn 11 lần so với ABS. Nó là loại vật liệu phù hợp để in 3D trong các ứng dụng như công cụ công nghiệp, đồ gá, và dụng cụ đỡ yêu cầu độ chắc chắn cao hơn các loại nhựa thông thường.
Sợi cacbon
Sợi cacbon là loại sợi chắc chắn và cứng nhất trong số vật liệu gia cố của Markforged. Với tỷ lệ sức mạnh trên trong lượng gần như gấp đôi so với nhôm 6061, các chi tiết in 3D sợi cacbon có hiệu suất vượt trội so với kim loại gia công. Sợi cacbon cũng sẽ biến dạng thấp hơn dưới lực tác động so với vật liệu nhôm thông thường.
Nhờ cơ tính này của sợi cacbon, khách hàng của chúng tôi sử dụng chúng để thay thế cho các chi tiết phải gia công như soft jaws, chi tiết thực, và công cụ sản xuất.
Kevlar
Kevlar là một loại sợi gia cố chuyên dụng với những cơ tính đặc biệt. Nó có độ bền cực cao, các chi tiết được gia cố bởi Kevlar có thể chống chịu lực tác động vô cùng lớn. Đồng thời, nó cũng là loại sợi gia cố nhẹ nhất của Markforged, với khối lượng riêng thấp hơn từ 15-20% so với các loại khác. Một trong những đặc tính nổi bật nhất của Kevlar là khả năng duy trì độ bền sau khi biến dạng. Các chi tiết được gia cố Kevlar có thể duy trì khả năng vận hành ngay cả khi đã đạt đến giới hạn tối đa, cho phép người dùng có thêm thời gian để thay thế. Một ví dụ cụ thể như sợi cacbon, mặc dù cứng hơn nhưng lại có độ giòn cao, vì vậy khi đạt đến ngưỡng tối đa, nó có thể bị gãy bất cứ lúc nào. Trong khi đó, chi tiết được gia cố bằng Kevlar sẽ biến dạng dần, giúp người dùng ước lượng được tuổi thọ của chi tiết.
Nhờ khối lượng riêng thấp và độ bền cao, Kevlar là một vật liệu tuyệt vời cho các ứng dụng thiên về chuyển động và liên tục va chạm với các chi tiết khác. Các khách hàng của chúng tôi sử dụng nó cho các chi tiết in 3D trên đầu gắp của cánh tay rô bốt, mô hình thử nghiệm, cữ chặn cơ, và các ứng dụng liên quan khác.
Sợi thuỷ tinh kháng nhiệt độ cứng cao (HSHT)
Sợi thuỷ tinh HSHT là một loại vật liệu gia cố đặc biệt khác. Như tên gọi của nó, đây là loại sợi thuỷ tinh kháng nhiệt, có độ cứng cao. Nó có khả năng duy trì độ cứng tốt ở nhiệt độ lên tới 150 độ C. HSHT cũng có khả năng kháng lực tác động rất tốt: 30 lần so với ABS và hơn 100 lần so với PLA. Hơn nữa, HSHT cũng là sợi vật liệu có độ đàn hồi tốt nhất của chúng tôi, nó sẽ cong dưới tải trọng, và trở lại hình dạng ban đầu sau khi tải trọng được loại bỏ. Đây là một cơ tính có lợi cho các chi tiết yêu cầu biến dạng liên tục.
Các đặc tính này cho phép HSHT chống chịu với các biến dạng khi kẹp và chịu nhiệt liên tục trong quy trình sản xuất. Người dùng của Markforged thường sử dụng HSHT để in 3D các đồ gá hàn, tạo hình nhiệt, khuôn nhựa nhiệt, insert khuôn nhựa, khuôn thổi, và các chi tiết dành cho ứng dụng có tác động lực, nhiệt độ cao.
Biểu đồ ứng suất cho sức mạnh và độ cứng của sợi gia cố của Markforged
In 3D composite
Với composite, kỹ sư và nhân viên thiết kế có thể kết hợp các cơ tính vật liệu khác nhau cho ứng dụng tương ứng xuyên suốt chu trình sản xuất. Các đặc tính được thể hiện bởi 4 loại sợi được đề cập trong bài viết này sẽ mở ra các cơ hội mới cho công nghệ sản xuất bồi đắp.
