Cẩm Nang In 3D Trong Ứng Dụng Chế Tạo Khuôn

Khám phá các lợi ích về chi phí, tốc độ và thiết kế của việc in 3D khuôn mẫu và chế tạo khuôn nhanh cho công nghệ ép phun, tạo hình chân không và các quy trình đúc khuôn khác.

Ép phun là ngành công nghiệp đang phát triển nhanh chóng và có tính cạnh tranh gay gắt với giá trị hàng trăm tỷ đô la, thúc đẩy các nhà sản xuất liên tục tìm kiếm các phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn để vượt lên dẫn đầu. In 3D (hay còn gọi là sản xuất bồi đắp – additive manufacturing) đang dần trở thành những phương pháp mới giúp các nhà sản xuất chế tạo khuôn mẫu và công cụ chế tạo (tooling) cho quá trình ép phun tốt hơn, nhanh hơn và rẻ hơn so với các quy trình truyền thống. Hãy cùng tìm hiểu cách thức và lý do tại sao công nghệ này lại làm được điều đó.

Ảnh: Chi tiết insert khuôn ép phun được in 3D để tạo mẫu thử sản phẩm

Trong nhiều trường hợp, in 3D được sử dụng để thay thế hoàn toàn cho ép phun. Ví dụ: khi bạn chỉ cần một vài mẫu thử (prototype) hoặc một số lượng nhỏ các chi tiết bằng nhựa, việc in 3D trực tiếp nhìn chung sẽ rẻ hơn và nhanh hơn so với ép phun. Lý do là vì ép phun đòi hỏi hai giai đoạn: tạo khuôn trước, sau đó mới ép phun ra sản phẩm.

Tuy nhiên, in 3D cũng có thể được ứng dụng ngay trong chính quy trình ép phun. Bản thân các bộ khuôn – vốn là phần tốn kém nhất trong toàn bộ quy trình – có thể được in 3D bằng nhựa chịu nhiệt, kim loại hoặc gốm sứ.

Tại đây, chúng ta sẽ khám phá cách thức và lý do các công ty sử dụng in 3D để tạo ra các công cụ chế tạo (tooling) tốt hơn cho sản xuất truyền thống, như khuôn đúc (molds), khuôn dập (dies) và mẫu đúc (patterns), sau đó sử dụng chúng trong các quy trình sản xuất truyền thống để tạo ra sản phẩm thử nghiệm cũng như chi tiết thương mại hoàn thiện. Đây là một ứng dụng đang phát triển và mang tính bổ trợ mạnh mẽ của in 3D song song với sản xuất truyền thống.

Tại sao lại in 3D khuôn mẫu?

Ảnh: ECCO, một trong những thương hiệu giày hàng đầu thế giới, đã dành nhiều năm hoàn thiện giải pháp in 3D khuôn đế giày bằng máy in 3D Stratasys. Hiện công ty cung cấp dịch vụ tạo mẫu thử cho thị trường giày dép rộng lớn hơn

Máy in 3D đã làm thay đổi ngành chế tạo khuôn mẫu trong nhiều năm qua nhờ khả năng tạo ra các khuôn nhựa giá rẻ, nhanh chóng cũng như các khuôn kim loại độc đáo cho phép hiện thực hóa các thiết kế phức tạp, tùy biến hàng loạt (mass customization) và đẩy nhanh thời gian sản xuất.

Mặc dù vậy, việc chế tạo khuôn ngày nay thường vẫn là một quy trình gia công cơ khí. Mô hình 3D kỹ thuật số của sản phẩm cuối cùng sẽ được dùng để thiết kế khuôn trên các phần mềm chuyên dụng. Quá trình này bao gồm việc xác định số lượng lòng khuôn (cavities), vị trí cổng phun (gate locations) và hệ thống kênh dẫn (runner systems) cần thiết cho quá trình ép phun.

Sau đó, các thành phần của khuôn được gia công bằng các thiết bị điều khiển bằng máy tính như máy phay và máy tiện CNC dựa trên đường cắt được lập trình sẵn. Các thợ làm khuôn lành nghề có thể lấy phôi gia công thô từ máy CNC và đưa qua một loạt bước gia công tinh cho đến khâu đánh bóng cuối cùng để đạt chất lượng bề mặt yêu cầu. Đó là một quy trình nhiều bước, đòi hỏi nhiều thiết bị và thợ máy, có thể mất nhiều ngày hoặc nhiều tuần.

Công nghệ in 3D resin có thể tạo ra các khuôn ép phun với độ chi tiết cực cao 

Mặc dù tốc độ của in 3D so với gia công cơ khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố (bao gồm công nghệ sử dụng, kích thước, độ phức tạp của chi tiết và vật liệu), in 3D đòi hỏi ít bước hơn và có thể tạo ra khuôn chỉ trong vài giờ. Điều này đặc biệt lý tưởng cho việc tạo mẫu thử sản phẩm.

Bài viết này sẽ đề cập chi tiết về cả phương pháp in khuôn bằng nhựa và kim loại, Chức năng của chúng cùng những điểm mạnh và yếu trong từng ứng dụng.

Bảng so sánh đặc tính:

Tiêu chí	Khuôn & Tooling truyền thống	Khuôn nhựa in 3D	Khuôn kim loại in 3D
Chi phí sản xuất	Cao	Thấp	Từ thấp đến cao (tùy ứng dụng)
Tốc độ sản xuất	Lâu (vài tuần/tháng)	Nhanh (vài giờ/ngày)	Nhanh đến trung bình
Thời gian làm nguội khuôn	Nhanh đến trung bình	Lâu hơn	Rất nhanh (nhờ kênh làm mát tối ưu)
Độ bền của khuôn	Rất cao (hàng triệu shot)	Thấp (100 – 10.000 lần)	Cao đến rất cao
Độ linh hoạt thiết kế	Thấp	Rất cao	Rất cao

Khuôn nhựa in 3D: Ưu & Nhược điểm

Ảnh: Một bộ khuôn ép phun phức tạp được in 3D bằng resin có khả năng hòa tan

Máy in 3D nhựa, kết hợp với các vật liệu siêu bền và chịu nhiệt, cho phép các công ty tự sản xuất khuôn ép phun hoặc đặt hàng nhanh chóng từ các đơn vị dịch vụ. Khuôn in trực tiếp từ máy in 3D có thể dùng cho sản xuất sản lượng nhỏ (từ 100 đến hơn 10.000 sản phẩm tùy vật liệu) và có thể giảm chi phí tới 90% so với khuôn kim loại.

In 3D bằng nhựa là phương pháp chế tạo khuôn được ưu tiên trong các tình huống mà thời gian sản xuất ngắn và chi phí thấp là yếu tố then chốt. Ở đây, chúng ta không chỉ nói về việc in 3D một bộ khuôn để có mẫu thử nhanh, mà còn là in 3D mẫu thử của chính bộ khuôn đó trước khi tiến hành gia công kim loại. Điều này giúp các doanh nghiệp kiểm tra và cải tiến thiết kế nhanh hơn, từ đó tự tin hơn khi đầu tư vào khuôn kim loại đắt tiền cho sản xuất hàng loạt.

Ảnh: PepsiCo tiết kiệm thời gian và tiền bạc bằng cách in 3D các lõi khuôn (chèn ở phía sau) cho máy thổi chai của họ

Ví dụ tại PepsiCo: Việc tạo khuôn kim loại truyền thống cho công nghệ thổi chai tại trung tâm R&D của PepsiCo ở Valhalla, N.Y. từng mất tới 4 tuần chờ đợi và tốn kém hàng ngàn đô la. Nhờ sử dụng máy in 3D Nexa3D NXE 400 và vật liệu resin xPEEK147 từ Henkel Loctite, PepsiCo có thể in nhiều phần của khuôn cùng lúc với chất lượng hoàn thiện cao, cần rất ít xử lý sau in. Một bộ khuôn hoàn chỉnh có thể được tạo ra trong 12 giờ (8 giờ in và 4 giờ xử lý hậu kỳ/sấy cứng).

Khuôn in 3D của PepsiCo được dùng để sản xuất thử nghiệm khoảng 10.000 chai. Đối với sản xuất hàng loạt hàng triệu chai mỗi năm, PepsiCo vẫn dùng khuôn kim loại gia công, nhưng họ cũng đang tiếp tục nghiên cứu phát triển “khuôn thổi chai in 3D bằng kim loại”.

Ảnh: Từ khuôn in 3D đến máy ép phun và sản phẩm giày hoàn thiện, Grisport đang cách mạng hóa quy trình sản xuất của mình

Tại Grisport (nhà sản xuất giày cao cấp của Ý), các kỹ sư cho biết khuôn giày in 3D của họ đạt hiệu suất tương đương khuôn nhôm nhưng có lợi thế chi phí thấp hơn và sản xuất nhanh hơn. Grisport sử dụng máy in resin khổ lớn Photocentric Liquid Crystal (LC) Magna và vật liệu HighTemp DL401. Thay vì tốn 5.000 € cho một khuôn nhôm, giờ đây họ chỉ tốn khoảng 500 € cho một khuôn in 3D, giúp công ty đưa ra thị trường nhiều mẫu mã hơn và mở ra cơ hội sản xuất các phiên bản giới hạn.

Khuôn mẫu thử cho Sản phẩm thử nghiệm

Công ty sản xuất thiết bị y tế Cogmedix đã ép phun các sản phẩm thử nghiệm bằng khuôn in 3D để khách hàng của họ kiểm định tính tuân thủ và thử nghiệm. Các chi tiết không chỉ cần đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng và sai số, mà còn phải được làm bằng đúng vật liệu và quy trình sản xuất cuối cùng (ép phun) để phục vụ việc xác định tiêu chuẩn FDA và thử nghiệm tiệt trùng.

Cogmedix đã thuê công ty Empire Group in 3D bộ khuôn thử nghiệm này trên máy Fortify Flux One với vật liệu resin gia cường sợi gốm độc quyền.

Ép phun là quy trình sản xuất đã được phê duyệt cho nhiều sản phẩm bị kiểm soát nghiêm ngặt (như đồ chơi trẻ em, thiết bị y tế), trong khi in 3D trực tiếp có thể chưa được chấp thuận. Do đó, việc tạo ra các mẫu thử bằng đúng quy trình ép phun nhờ khuôn in 3D giúp đẩy nhanh đáng kể quá trình kiểm định.

Ảnh: Khuôn ép phun in 3D bằng resin có thể hòa tan của Addifab

Công ty khởi nghiệp Addifab (Bỉ) cung cấp loại resin in 3D khuôn đúc đã được cấp bằng sáng chế: khuôn có thể chịu được áp suất ép phun lên tới 2.500 bar và nhiệt độ nóng chảy 450 °C. Sau khi ép phun xong, toàn bộ khuôn sẽ tan hoàn toàn trong dung dịch nước kiềm sau 12 đến 48 giờ. Thương hiệu dụng cụ thể thao Wilson đã sử dụng giải pháp này để sản xuất các phiên bản tay cầm gậy bóng chày mới chỉ trong vài ngày thay vì mất nhiều tháng như trước.

Sản xuất ép phun sản lượng ngắn (Short-Run) hiệu quả về kinh tế

Ảnh: Các khuôn ép phun in 3D tại Multiplus làm trên máy in resin Formlabs tương thích với các máy ép phun công nghiệp Babyplast của công ty

Với cách làm khuôn truyền thống, chi phí lớn nhất nằm ở việc tạo ra khuôn. Chỉ khi sản xuất số lượng lớn thì chi phí này mới được hòa vốn. Nhờ khuôn in 3D rẻ hơn và nhanh hơn, các nhà sản xuất có thể nhận các đơn hàng tùy biến hoặc sản lượng thấp mà trước đây không khả thi về mặt tài chính.

Công ty Multiplus (Trung Quốc) sử dụng máy in 3D Formlabs với vật liệu resin pha thủy tinh (Rigid 10K Resin) để in khuôn kết hợp với máy ép phun công nghiệp Babyplast. Họ có thể thiết kế, in và xử lý khuôn trong 1 ngày, lắp ráp trong 30 phút và bắt đầu ép phun. Mỗi khuôn nhựa chịu được khoảng 100 lần ép (shot), nhưng họ có thể in nhiều khuôn cùng lúc để đáp ứng các đơn hàng lớn hơn.

Ảnh: Một bộ khuôn nhựa nhiệt cứng in FDM bởi Humanetics được in bằng Nylon và Sợi carbon liên tục trên máy in 3D Markforged

Công ty Humanetics (nhà sản xuất hình nhân thử nghiệm va chạm lớn nhất) đã dùng máy in 3D Markforged X7 cùng vật liệu Onyx gia cường sợi carbon để in khuôn ép nhựa nhiệt cứng. Khuôn in 3D chịu được lực kẹp lớn ở 150 ºC, chi phí chỉ khoảng $240 và mất 60 giờ sản xuất, so với $1.000 và 144 giờ nếu làm khuôn silicone gia công truyền thống.

Tổng kết Ưu & Nhược điểm của Khuôn nhựa in 3D:

• Ưu điểm:

  • Tốc độ sản xuất nhanh hơn rất nhiều so với khuôn kim loại.

  • Chi phí rẻ hơn đáng kể so với khuôn kim loại.

  • Giải pháp làm tại chỗ (in-house) giúp bảo vệ sở hữu trí tuệ (IP).

  • Có thể in nhiều khuôn cùng một lúc.

  • Các tính năng đặc biệt (như ren) được in trực tiếp, không cần gia công phụ trợ.

  • Sản phẩm tạo ra có chất lượng tương đương khuôn kim loại.

• Nhược điểm:

  • Sản phẩm ép phun mất nhiều thời gian làm nguội hơn (do nhựa dẫn nhiệt kém hơn kim loại).

  • Khuôn bị mài mòn và hỏng nhanh hơn khuôn kim loại.

  • Có thể vẫn cần gia công tinh ở một số vị trí sai số khắt khe.

  • Kích thước khuôn bị giới hạn bởi không gian bàn in 3D.

  • Chất lượng bề mặt thô hơn khi mới in xong (cần đánh bóng thủ công).

Vật liệu & Công nghệ cho Khuôn nhựa

Khuôn chai được in 3D bằng loại nhựa xPEEK147-Black mới do Henkel và Nexa3D phát triển

Không phải máy in 3D hay vật liệu in nào cũng phù hợp để làm khuôn ép phun. Các bộ khuôn nhựa phải chịu được nhiệt độ cao (từ 180°C đến hơn 400°C tùy loại nhựa ép) và áp suất ép phun cực lớn.

Các công nghệ in 3D chính được sử dụng cho khuôn nhựa bao gồm:

• In Resin (SLA / DLP / LCD): Đây là công nghệ phổ biến nhất để làm khuôn nhựa nhờ khả năng tạo ra bề mặt cực kỳ mịn, độ chính xác cao và các chi tiết sắc nét. Các vật liệu resin chịu nhiệt (High-Temp Resins) hoặc resin pha sợi gốm/thủy tinh (Glass-filled/Ceramic-reinforced) cho phép khuôn chịu được nhiệt độ độ biến dạng cao (HDT).

• In FDM (FFF): Thường sử dụng các loại nhựa kỹ thuật cao như PEEK, PEKK, ULTEM hoặc Nylon pha sợi carbon (Carbon Fiber Reinforced). Dù bề mặt có đường vân lớp (layer lines) thô hơn SLA, công nghệ này cho phép tạo ra các bộ khuôn lớn với độ bền cơ học rất cao.

Công cụ khuôn kim loại in 3D tại B&J Specialty được in trên máy 3D Systems ProX DMP 300 

Động lực thúc đẩy việc ứng dụng khuôn kim loại in 3D ngày càng rộng rãi hoàn toàn khác với những lợi ích mà khuôn nhựa in 3D mang lại. Trong một số trường hợp, khuôn kim loại in 3D có thể có chi phí cao hơn và mất nhiều thời gian chế tạo tương đương khuôn kim loại truyền thống. Tuy nhiên, công nghệ này sở hữu một lợi thế đặc biệt giúp nâng cao đáng kể hiệu quả của khuôn: kênh làm mát theo biên dạng.

Kênh làm mát theo biên dạng, hay còn gọi là conformal cooling channel, là hệ thống đường dẫn làm mát được thiết kế uốn cong và bám sát hình dạng của sản phẩm. Đây là một đặc điểm gần như chỉ có thể chế tạo bằng công nghệ in 3D kim loại và đang tạo ra những thay đổi lớn trong ngành sản xuất khuôn.

Trong khuôn ép phun, hệ thống làm mát đóng vai trò rất quan trọng, giúp sản phẩm nguội nhanh và đồng đều hơn. Công đoạn làm mát thường chiếm khoảng 70–80% tổng thời gian của một chu kỳ ép phun. Vì vậy, chỉ cần rút ngắn được thời gian làm mát, nhà sản xuất có thể tiết kiệm đáng kể chi phí trong suốt vòng đời sử dụng của khuôn.

VEM Tooling, một công ty ép phun có trụ sở tại California, sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo các bạc lót này với hệ thống kênh làm mát bên trong, vốn không thể sản xuất bằng các phương pháp gia công truyền thống

Quá trình làm mát hợp lý còn ảnh hưởng trực tiếp đến:

• Độ chính xác kích thước của sản phẩm
• Chất lượng bề mặt
• Độ bền và các đặc tính cơ học của thành phẩm

Với các phương pháp gia công truyền thống, kênh làm mát thường được tạo ra bằng cách khoan các đường thẳng vào bên trong khuôn. Khi sản phẩm có hình dạng càng phức tạp, việc bố trí hệ thống làm mát bám sát đường biên của lòng khuôn càng trở nên khó khăn. Điều này khiến quá trình chế tạo khuôn cho các chi tiết phức tạp tốn nhiều công sức, thời gian và chi phí.

Trong khi đó, công nghệ sản xuất bồi đắp, hay in 3D, có thể tạo ra các kênh làm mát cong nằm bên trong khuôn. Những kênh này được thiết kế bám theo hình dạng của chi tiết và đưa chất làm mát đến đúng những vị trí cần thiết nhất.

Nhờ đó, nhà sản xuất có thể cải thiện chất lượng sản phẩm và rút ngắn thời gian làm mát lên đến 70% so với một số phương pháp truyền thống.

Mike McLean, Tổng Giám đốc bộ phận linh kiện in 3D tại Scarlett Inc., một công ty chuyên về khuôn mẫu và gia công cơ khí tại Grand Rapids, bang Michigan, cho biết:

“In 3D kim loại mở ra những khả năng thiết kế hoàn toàn mới cho hệ thống làm mát theo biên dạng, điều mà khoảng 20 năm trước gần như không thể hình dung. Hiện nay, chúng tôi có thể bố trí kênh làm mát cách bề mặt lòng khuôn ép phun chỉ khoảng 2 mm.”

Các kênh làm mát theo biên dạng được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế khuôn trên phần mềm CAD. Phần mềm có thể mô phỏng quá trình làm mát và hỗ trợ xác định vị trí bố trí kênh tối ưu.

Tuy nhiên, công đoạn thiết kế và mô phỏng bổ sung này cũng làm tăng thời gian cũng như chi phí phát triển một bộ khuôn kim loại mới.

Mặc dù in 3D kim loại thường được xem là phương pháp sản xuất nhanh, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Tùy thuộc vào kích thước và mức độ phức tạp của khuôn hoặc dụng cụ, quá trình chế tạo một bộ khuôn hoàn chỉnh có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.

Lợi ích lớn nhất của khuôn kim loại in 3D thường không nằm ở việc chế tạo khuôn nhanh hơn, mà được thể hiện rõ trong quá trình sản xuất hàng loạt. Nhờ khả năng làm mát hiệu quả, khuôn có thể giúp rút ngắn chu kỳ sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành trong dài hạn.

B&J Specialty đã tăng 30% năng suất sản xuất nhờ sử dụng khuôn ép phun kim loại được chế tạo bằng công nghệ in 3D, tích hợp các kênh làm mát đồng hình. Khuôn được thiết kế bằng phần mềm chế tạo khuôn Cimatron, cho phép mô phỏng và tối ưu hóa hiệu quả làm mát

Bên cạnh hệ thống làm mát, khả năng chế tạo các hình dạng phức tạp cũng là một lý do quan trọng khiến nhiều doanh nghiệp lựa chọn in 3D kim loại để sản xuất khuôn.

Ví dụ, hai nhà sản xuất lốp xe Michelin và Bridgestone đã ứng dụng in 3D kim loại để chế tạo khuôn lốp. Công nghệ này giúp họ tạo ra các hoa lốp có cấu trúc phức tạp một cách dễ dàng và nhanh chóng hơn so với những phương pháp gia công truyền thống.

Ưu và nhược điểm của khuôn kim loại in 3D

Vật liệu và công nghệ chế tạo khuôn kim loại

Khuôn lốp in 3D với thiết kế phức tạp

Công nghệ in 3D kim loại được sử dụng để chế tạo khuôn phục vụ cả sản xuất sản phẩm hoàn thiện lẫn thử nghiệm nguyên mẫu.

Trong quy trình làm khuôn truyền thống, mô hình thiết kế kỹ thuật số thường được đưa vào phần mềm điều khiển máy CNC hoặc máy phay. Với in 3D kim loại, chính mô hình này có thể được chuyển đổi thành tệp dữ liệu dành cho in 3D, sau đó tải lên máy in để chế tạo khuôn theo từng lớp vật liệu.

Bản thiết kế ban đầu cũng có thể được tối ưu thêm để khai thác những ưu điểm riêng của công nghệ in 3D, chẳng hạn như tạo hình học phức tạp hoặc tích hợp các kênh làm mát theo biên dạng bên trong khuôn.

Các công nghệ in 3D kim loại có độ chính xác cao, điển hình là nung chảy bột kim loại bằng laser theo từng lớp (Laser Powder Bed Fusion – LPBF), cho phép tái tạo những chi tiết rất nhỏ và phức tạp. Nhờ đó, nhà sản xuất có thể lược bỏ một số công đoạn trong quy trình làm khuôn truyền thống, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào các bước gia công thủ công đòi hỏi thợ máy có tay nghề cao.

Tuy nhiên, dù in 3D có thể tạo ra chi tiết với độ chính xác tốt, khuôn sau khi in vẫn thường phải trải qua các công đoạn gia công bổ sung để đạt được dung sai kích thước, độ nhẵn bề mặt và chất lượng hoàn thiện theo yêu cầu.

Johannes Lohn, Giám đốc Phát triển, Tiếp thị và Kinh doanh của Protiq, cho biết một số khách hàng thậm chí chỉ đặt công ty sản xuất phôi khuôn kim loại in 3D, tức phần khuôn cơ bản chưa được gia công hoàn thiện. Protiq là đơn vị cung cấp dịch vụ in 3D, chuyên sản xuất cả dụng cụ và khuôn bằng polymer lẫn kim loại.

Ông Lohn chia sẻ:

“Chúng tôi có những khách hàng đang cung cấp dịch vụ ép phun. Họ thuê chúng tôi sản xuất phôi khuôn bằng công nghệ in 3D, sau đó tự thực hiện các công đoạn gia công hoàn thiện.”

Protiq sử dụng công nghệ nung chảy bột kim loại bằng laser để chế tạo khuôn từ thép dụng cụ 1.2709, một loại vật liệu được công ty phát triển cùng Nordic Metals.

Sau khi in, vật liệu này vẫn ở trạng thái tương đối mềm, nhờ đó có thể dễ dàng tiếp tục gia công bằng máy CNC để đạt độ chính xác và chất lượng bề mặt cần thiết.

Quy trình phát triển máy bay không người lái bốn cánh quạt bằng phần mềm NX của Siemens bao gồm: thiết kế các mẫu khuôn thử nghiệm bằng vật liệu polymer, sử dụng NX để mô phỏng hệ thống kênh làm mát đồng dạng, và cuối cùng ứng dụng công nghệ in 3D kim loại để chế tạo khuôn hoàn thiện. Hình ảnh mặt cắt của khuôn cho phép quan sát rõ cấu trúc các kênh làm mát bên trong.

Lohn cho rằng in 3D kim loại sẽ không thay thế hoàn toàn phương pháp gia công cơ khí trong sản xuất khuôn ép phun. Thay vào đó, công nghệ này sẽ đóng vai trò bổ trợ, giúp rút ngắn tổng thời gian chế tạo khuôn.

Ông cho biết:

“Lợi ích thực sự nằm ở việc kết hợp ưu điểm của cả hai quy trình.”

Vì vậy, Protiq đã mở rộng dịch vụ sang cả gia công hoàn thiện bằng CNC, được triển khai đồng bộ với quy trình chế tạo khuôn.

Một công nghệ in 3D kim loại khác đang được quan tâm là đắp vật liệu bằng nguồn năng lượng định hướng (Directed Energy Deposition – DED). Với phương pháp này, vật liệu kim loại dạng bột hoặc dây được đưa trực tiếp vào vùng nung chảy, thường được tạo bởi tia laser, rồi bồi đắp lên bề mặt chi tiết.

DED cho phép chế tạo khuôn bằng nhiều loại kim loại khác nhau trên cùng một chi tiết. Chẳng hạn, nhà sản xuất có thể phủ một lớp thép không gỉ lên nền đồng nguyên chất. Cấu trúc này kết hợp được:

• Khả năng dẫn nhiệt cao của đồng
• Khả năng chống mài mòn của thép không gỉ

Đây đều là những đặc tính quan trọng đối với khuôn ép phun, bởi khuôn cần tản nhiệt nhanh nhưng vẫn phải chịu được ma sát và hao mòn trong quá trình sản xuất lặp lại.

Do các chi tiết kim loại in 3D thường vẫn cần gia công bổ sung, thị trường hiện xuất hiện ngày càng nhiều máy gia công hybrid, tức thiết bị tích hợp máy in 3D kim loại và máy CNC trong cùng một hệ thống. Hai công đoạn được điều khiển bằng cùng một phần mềm, giúp giảm thời gian gá đặt, hạn chế sai lệch khi chuyển chi tiết giữa các máy và đơn giản hóa quy trình sản xuất.

Đi theo hướng này, công ty khởi nghiệp Mantle 3D tập trung riêng vào lĩnh vực chế tạo khuôn và dụng cụ. Máy TrueShape của hãng trước tiên tạo khuôn kim loại bằng cách đùn một hỗn hợp dạng sệt có chứa bột thép dụng cụ.

Sau đó, hệ thống CNC tích hợp sẽ gia công hoàn thiện khuôn đến dung sai rất nhỏ, tức đạt độ chính xác kích thước cao. Cuối cùng, khuôn được đưa vào lò nhiệt độ cao để thiêu kết, quá trình gia nhiệt giúp các hạt kim loại liên kết chặt với nhau, làm tăng độ đặc chắc và độ bền của sản phẩm.

Khuôn in loại in 3D bởi Mantle 3D

Một startup đáng chú ý khác đang tận dụng làn sóng ứng dụng in 3D trong sản xuất khuôn là Foundry Lab, một công ty đến từ New Zealand.

Giải pháp của hãng được mô tả như một “xưởng đúc thu nhỏ trong một thiết bị”, hướng đến các nhà sản xuất cần chế tạo nhanh những chi tiết kim loại đơn chiếc hoặc số lượng nhỏ, đồng thời giảm chi phí đầu tư và mức tiêu thụ năng lượng.

Quy trình sản xuất được thực hiện như sau:

Đầu tiên, khuôn được thiết kế dưới dạng mô hình kỹ thuật số. Tệp thiết kế sau đó được đưa vào máy in sử dụng công nghệ phun chất kết dính lên bột gốm (ceramic binder jetting). Với công nghệ này, máy sẽ phun một loại chất kết dính lên từng lớp bột gốm để tạo thành khuôn theo thiết kế.

Sau khi in, khuôn gốm được xử lý hoàn thiện trong một thiết bị vi sóng chuyên dụng để tăng độ bền và chuẩn bị cho quá trình đúc.

Tiếp theo, người vận hành đặt một phôi kim loại đúc sẵn của Foundry Lab vào khuôn. Hiện tại, công ty cung cấp các loại hợp kim kẽm và nhôm độc quyền, đồng thời đang phát triển thêm nhiều vật liệu kim loại khác.

Khuôn cùng phôi kim loại sau đó được đưa trở lại thiết bị vi sóng. Kim loại sẽ được nung chảy và điền đầy lòng khuôn, từ đó tạo thành chi tiết hoàn chỉnh.

Theo Foundry Lab:

“Người vận hành không cần trực tiếp rót kim loại nóng chảy hoặc tiếp xúc với bột kim loại.”

Cách tiếp cận này giúp đơn giản hóa quy trình đúc kim loại, nâng cao mức độ an toàn và phù hợp với hoạt động sản xuất số lượng nhỏ ngay tại nhà máy.

Các vật liệu kim loại phổ biến dùng để in 3D khuôn và dụng cụ

Thép không gỉ

Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt, độ bền cao và phù hợp với những loại khuôn hoặc dụng cụ làm việc trong môi trường ẩm, hóa chất hoặc yêu cầu vệ sinh cao.

Thép dụng cụ

Thép dụng cụ là nhóm thép chuyên dùng để chế tạo khuôn, dao cắt và các dụng cụ công nghiệp. Vật liệu này thường có độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt và chịu tải tốt, phù hợp với khuôn ép phun và các ứng dụng sản xuất lặp lại.

Ngoài kim loại, khuôn cũng có thể được in 3D trực tiếp từ nhiều loại vật liệu khác như:

• Gốm kỹ thuật
• Cát đúc
• Silicone

Trong đó, công nghệ in 3D khuôn cát kích thước lớn đang được ứng dụng phổ biến trong ngành ô tô. Các hãng như GM và Tesla sử dụng phương pháp này để sản xuất khuôn phục vụ đúc những chi tiết kim loại lớn và có hình dạng phức tạp.

In 3D khuôn cho công nghệ tạo hình chân không

Sau khi chà nhám, các đường vân lớp do in 3D tạo ra sẽ không còn nhìn thấy trên khuôn hút chân không thành phẩm

Sự kết hợp giữa máy in 3D để bàn và các thiết bị tạo hình chân không hoặc tạo hình áp suất cỡ nhỏ, chẳng hạn như Mayku và Vaquform, đang giúp rút ngắn đáng kể quá trình phát triển nguyên mẫu sản phẩm và bao bì.

Trong sản xuất công nghiệp, việc sử dụng mẫu khuôn in 3D cho quá trình tạo hình chân không cũng mang lại khả năng tùy chỉnh linh hoạt hơn, đặc biệt với các sản phẩm có thiết kế riêng hoặc thường xuyên thay đổi.

Khác với khuôn ép phun, nơi có thể in 3D trực tiếp cả bộ khuôn gồm lòng khuôn và lõi khuôn, khuôn dùng cho tạo hình chân không thường chỉ là một mẫu định hình có hình dáng cơ bản giống sản phẩm cuối cùng. Khi gia công, tấm nhựa được nung mềm rồi hút hoặc ép sát lên bề mặt mẫu khuôn để tạo thành hình dạng mong muốn.

In 3D các mẫu khuôn này mang lại nhiều lợi ích như:

• Rút ngắn thời gian chế tạo khuôn
• Giảm chi phí sản xuất
• Tiết kiệm vật liệu hơn so với gia công khuôn từ nhựa, kim loại hoặc gỗ
• Thuận tiện khi doanh nghiệp có thể tự in khuôn ngay tại xưởng
• Dễ dàng tạo ra các hình dạng phức tạp mà phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện

Nhờ đó, doanh nghiệp có thể thử nghiệm nhiều phương án thiết kế, điều chỉnh sản phẩm nhanh hơn và giảm đáng kể thời gian phát triển nguyên mẫu.

Lõi khuôn in 3D ở bên phải được sử dụng để tạo ra nhiều sản phẩm tạo hình chân không khác nhau

Thời gian hoàn thiện nhanh hơn và chi phí thấp hơn là hai động lực lớn khiến các doanh nghiệp chuyển sang ứng dụng in 3D để chế tạo khuôn tạo hình chân không.

Khi sử dụng các vật liệu chịu nhiệt, chẳng hạn như nylon gia cường sợi carbon, nhà sản xuất có thể in 3D khuôn với kết cấu lưới rỗng bên trong thay vì làm khuôn đặc hoàn toàn. Thiết kế này vừa giúp giảm lượng vật liệu sử dụng, vừa có thể điều chỉnh đặc tính của khuôn tùy theo yêu cầu ứng dụng.

Bên cạnh đó, in 3D là phương pháp sản xuất bồi đắp, tức vật liệu được bổ sung từng lớp để tạo thành sản phẩm, thay vì cắt bỏ vật liệu khỏi một khối phôi như gia công truyền thống. Nhờ vậy, lượng vật liệu dư thừa và phế thải được giảm đáng kể.

Máy in 3D cũng có thể chế tạo một chi tiết kích thước lớn hoặc in đồng thời nhiều chi tiết nhỏ trong cùng một lần vận hành, giúp tận dụng tốt không gian buồng in và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, khuôn sau khi in có thể cần được hậu xử lý và chà nhám để loại bỏ vết lớp in, làm phẳng bề mặt và đạt độ nhẵn cần thiết trước khi đưa vào quá trình tạo hình chân không.

Kết Luận

In 3D không còn là đối thủ thay thế mà đã trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho công nghệ ép phun và đúc khuôn truyền thống. Dù là khuôn nhựa giá rẻ phục vụ thử nghiệm, sản xuất sản lượng nhỏ, hay khuôn kim loại sở hữu kênh làm mát theo biên dạng (conformal cooling) cho sản xuất hàng loạt, việc ứng dụng sản xuất bồi đắp đã giúp rút ngắn tối đa thời gian phát triển, tối ưu chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Tùy thuộc vào ngân sách, quy mô sản lượng và yêu cầu kỹ thuật, doanh nghiệp hoàn toàn có thể lựa chọn giải pháp in 3D phù hợp—tự sản xuất nội bộ hoặc hợp tác với các đơn vị dịch vụ chuyên nghiệp—để nâng cao lợi thế cạnh tranh trên thị trường.