Tìm hiểu về in 3D sợi Carbon

Sợi carbon là vật liệu có tỉ suất độ cứng trên trọng lượng cao nhất hiện nay nên rất có giá trị trong ứng dụng chế tạo các chi tiết cơ khí cứng và nhẹ. Sợi vật liệu này được cấu thành từ các nguyên tử carbon có cấu trúc tinh thể được sắp xếp thành sợi, tạo nên các sợi cứng một cách đáng ngạc nhiên khi chịu tải trọng. Thông thường, nhựa nhiệt rắn được dùng làm chất kết dính các sợi này với nhau để tạo thành hình dạng mong muốn, được xử lý xung quanh vật liệu nền. Trong lĩnh vực in 3D, sợi carbon có 2 dạng:

Sợi carbon băm nhỏ với chiều dài mỗi sợi <1mm và được trộn với vật liệu nhựa nhiệt dẻo truyền thống để tạo ra sợi tổng hợp. Vật liệu này có thể in bằng công nghệ FDM.

Sợi carbon liên tục cần phương pháp in 3D hơi khác, trong đó sợi liên tục được bọc trong một lớp bảo vệ, tạo thành vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo được đùn qua đầu in thứ cấp. Quá trình này được gọi là Chế tạo Sợi Liên tục (Continuous Fiber Fabrication – CFF).

Việc bổ sung thêm vật liệu sợi carbon giúp tăng cường độ cứng của chi tiết in 3D. In 3D bằng sợi carbon liên tục thường cứng hơn sợi carbon băm nhỏ vì tính liên tục sẽ giúp phân bổ tải trọng.

Vật liệu in 3D sợi carbon băm nhỏ

Nhựa kết hợp sợi carbon băm nhỏ là loại nhựa composite in 3D phổ biến nhất. Các loại nhựa thường được sử dụng như nylon, ABS hoặc PLA khi kết hợp với sợi carbon băm nhỏ tạo thành vật liệu gia cường. Các sợi này chịu một số ứng suất của chi tiết cơ khí in 3D giống như cách tạo ra bê tông để tăng cường độ cứng.

Cận cảnh được chụp trên SEM sợi carbon được băm nhỏ sử dụng làm vật liệu in 3D

Những sợi này được băm nhỏ và trộn với nhựa trước khi được đùn thành ống để sử dụng với máy in 3D. Trong trường hợp này, quá trình in 3D vẫn không có gì thay đổi vì sợi carbon được trộn lẫn trong nhựa nhiệt dẻo nên khi được làm nóng, đùn và làm nguội tạo thành chi tiết in giống như các phương pháp in 3D FFF. Sợi carbon tăng cường độ cứng, độ bền và độ ổn định kích thước của chi tiết in, mang lại hiệu quả cao hơn so với vật liệu nhựa thông thường.

Vật liệu in 3D sợi carbon băm nhỏ được sử dụng tương tự như nhựa in 3D thông thường nhưng tăng cường một số cơ tính vật liệu

Số lượng sợi và chiều dài các sợi băm nhỏ ảnh hưởng đến độ cứng và chất lượng của chi tiết in. Các nhà cung cấp khác nhau pha trộn lượng sợi carbon khác nhau vào trong nhựa in, tạo ra vật liệu composite với độ cứng khác nhau. Dưới một ngưỡng nhất định và các sợi carbon tăng cường chất lượng hoàn thiện bề mặt in và chất lượng in. Trên ngưỡng đó, trộn một lượng lớn các sợi carbon dài hơn thì sẽ có vật liệu cứng hơn nhưng bề mặt mẫu in sẽ kém mịn hơn và độ chính xác cũng sẽ giảm do hàm lượng nhựa thấp. Nhựa nhiệt dẻo là thành phần cần thiết vì nó giúp quá trình in hoạt động tốt và mẫu in trở nên bền chắc hơn.

Vật liệu in 3D sợi liên tục

Vật liệu in 3D loại này bổ sung thêm sợi gia cố liên tục vào chi tiết in để đạt được cơ tính tương đương kim loại với trọng lượng rất nhẹ. Khi sử dụng hai đầu in, máy in tạo ra vật liệu nền từ nhựa nhiệt dẻo và làm phẳng các sợi liên tục lên chi tiết được in. Quá trình này được gọi là Chế tạo Sợi liên tục (Continuous Fiber Fabrication – CFF).

Sợi liên tục được làm phẳng vào mẫu in bằng một đầu in sợi composite để tăng khả năng chống va đập. Vật liệu nền bằng nhựa nhiệt dẻo tạo ra lớp bề mặt và phần lõi của mẫu in.

Độ cứng từ công nghệ in CFF có được là nhờ các sợi liên tục. Không giống như các sợi băm nhỏ, sợi liên tục có thể hấp thụ và phân phối tải trọng trên toàn bộ chiều dài của sợi. Khi trộn sợi liên tục vào vật liệu nhựa nhiệt dẻo nền, mẫu in có thể chịu tải trọng tốt hơn và chịu được các lực tác động lớn hơn. Nhờ đó, mẫu in đạt độ cứng cao tương đương kim loại với trọng lượng rất nhẹ.

Sợi liên tục tạo thành bộ khung vững chắc cho các mẫu in 3D vì tải trọng được phân phối trên toàn bộ chiều dài của sợi chứ không tác động vào nhựa.

Quá trình in 3D công nghệ CFF gồm có 2 bước trên mỗi lớp in – đầu tiên, nhựa nhiệt dẻo được đùn ra để làm đầy và tạo thành lớp vỏ của mẫu in, đóng vai trò như vật liệu nền của sợi composite. Tiếp theo, sợi liên tục được đưa vào và làm phẳng trên lớp vật liệu nền đó, hợp nhất với nhựa nhiệt dẻo nhờ một lớp phủ nhựa tương thích. Quá trình này lặp lại ở mỗi lớp in, hình thành nên bộ khung vững chắc của mẫu in trong khi nhựa nhiệt dẻo đóng vai trò như lớp vỏ. Quá trình này cũng giống như cốt thép gia cố trong bê tông.

Hãng máy in 3D Markforged có nhiều loại sợi vật liệu gia cường với nhiều cơ tính khác nhau để người dùng lựa chọn như sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi Kevlar, sợi thủy tinh chịu nhiệt và chịu lực cao (HSHT),…

Sợi carbon liên tục là vật liệu cứng và bền tương đương Nhôm 6061, là vật liệu in lý tưởng cho các linh kiện yêu cầu trọng lượng nhẹ và có thể chịu được tải nặng.

(minh họa file gif) Mẫu in 3D vật liệu sợi carbon liên tục cứng tương đương kim loại nhôm và có thể chịu tải 27,5Ib như nhôm

Liên hệ với các kỹ sư của AIE để được tư vấn miễn phí về loại vật liệu in 3D phù hợp nhất với nhu cầu của quý doanh nghiệp.