Quy trình phun chất kết dính cho khuôn cát và lõi cát in 3D: lộ trình kỹ thuật của đúc nhanh từ chu kỳ làm khuôn đến tự do hình học

Giới thiệu: vì sao đúc nhanh lại được ngành sản xuất coi trọng

Trong lĩnh vực chế tạo thiết bị, thiết bị năng lượng và máy công trình, việc phát triển các chi tiết đúc cỡ lớn từ lâu bị ràng buộc bởi một mâu thuẫn mang tính cấu trúc: chu kỳ chế tạo mẫu gỗ và khuôn kim loại thường kéo dài 4 đến 10 tuần, trong khi bản thân quá trình lặp thiết kế của vật đúc nhiều khi chỉ cần vài ngày. Khi bộ phận R&D muốn xác minh một phương án mới về hướng đi của kênh nước hoặc bố trí gân tăng cứng trong vòng hai tuần, quy trình làm khuôn truyền thống gần như không thể đáp ứng. Áp lực thực tế hơn đến từ các kịch bản lô nhỏ và phụ tùng thay thế: một phụ tùng gang phi tiêu chuẩn trên dây chuyền có thể chỉ cần 10 đến 30 chiếc mỗi năm, nhưng chi phí mở khuôn vẫn phải phân bổ vào từng chiếc, khiến đơn giá trở nên quá cao để chấp nhận.

In 3D khuôn cát bằng phun chất kết dính, hay Binder Jetting, đã trưởng thành chính trong khoảng trống đó. Công nghệ này không in trực tiếp chi tiết, mà in khuôn cát và lõi cát dùng để rót kim loại, rút ngắn chu kỳ của công đoạn khuôn từ vài tuần xuống còn vài ngày. Đối với một nền tảng vòng đời toàn trình từ bản thiết kế đến sản phẩm vật lý như lantu3D, giá trị của in khuôn cát không chỉ nằm ở tốc độ, mà còn ở việc giúp công nghệ đúc, một trong những quy trình lâu đời nhất, lấy lại năng lực lặp thiết kế số hóa: chỉ cần thay đổi hình học và in lại khuôn cát, không phát sinh chi phí chìm cho tài sản khuôn.

1. Nguyên lý quy trình và các thông số then chốt của khuôn cát phun chất kết dính

Quy trình cơ bản của phun chất kết dính là: con lăn rải cát phủ lên xi lanh tạo hình một lớp cát khuôn dày 0,25 đến 0,4 mm; đầu in phun chọn lọc chất kết dính theo biên dạng tiết diện; chất kết dính phản ứng liên kết chéo với chất đóng rắn trên bề mặt hạt cát, kết dính các hạt cát của lớp đó thành hình; vùng không được phun vẫn ở trạng thái rời, đóng vai trò như vật liệu đỡ tự nhiên. Sau khi hoàn thành một lớp, xi lanh tạo hình hạ xuống một chiều dày lớp, rồi lặp lại quá trình rải cát và phun cho đến khi toàn bộ khuôn cát được xếp lớp hoàn tất.

Có bốn thông số cốt lõi quyết định khả năng sử dụng của khuôn cát. Thứ nhất là chiều dày lớp, thường nằm trong khoảng 0,28 đến 0,5 mm: lớp càng mỏng, hiệu ứng bậc thang trên bề mặt khuôn cát càng nhỏ và chất lượng bề mặt vật đúc càng tốt, nhưng thời gian in tăng tương ứng; đối với các bề mặt ngoại quan không mang chức năng, 0,4 mm thường đã đủ. Thứ hai là độ bão hòa chất kết dính, tức tỷ lệ giữa lượng chất kết dính được phun và thể tích lỗ rỗng của khuôn cát, thường được kiểm soát ở mức 20% đến 35%. Khi độ bão hòa thấp hơn 18%, độ bền khuôn cát không đủ, dễ sứt góc trong quá trình lấy khuôn và vận chuyển; khi cao hơn 40%, lượng khí sinh ra tăng rõ rệt, dễ tạo rỗ khí xâm nhập bên trong vật đúc khi rót. Thứ ba là thời gian đóng rắn; giữa các lớp cần bảo đảm chất kết dính đã liên kết chéo sơ bộ, nếu rải lớp tiếp theo quá nhanh sẽ gây trượt cắt giữa các lớp, biểu hiện bằng các vệt lệch trên thành bên của khuôn cát. Thứ tư là độ bền khuôn cát; độ bền kéo ở nhiệt độ phòng thường cần đạt 1,2 đến 2,5 MPa, còn độ bền dư ở nhiệt độ cao, trên 800 độ C, nên được khống chế trong một phạm vi nhất định, vì độ bền dư quá cao sẽ cản trở vật đúc khi co ngót và gây nứt nóng.

2. Logic lựa chọn hệ cát khuôn và chất kết dính

Hệ vật liệu của in khuôn cát không quá phức tạp, nhưng việc lựa chọn trực tiếp quyết định chất lượng vật đúc. Về cát nền, có ba loại chính: cát silica, cát gốm nhân tạo như cát ceramic và cát zircon. Cát silica có chi phí thấp nhất, hệ số giãn nở tuyến tính khoảng 12×10⁻⁶/K; khi rót các chi tiết thành mỏng phức tạp, hiện tượng giãn nở do chuyển pha dễ gây khuyết tật vân mạch và lẫn cát. Cát gốm có hệ số giãn nở tuyến tính khoảng 5×10⁻⁶/K, độ cầu cao, độ chịu lửa trên 1700 độ C, phù hợp với vật đúc thép không gỉ và hợp kim nhiệt độ cao, nhưng giá khoảng 4 đến 6 lần cát silica. Cát zircon có độ chịu lửa và khả năng làm nguội cưỡng bức tốt nhất, thường dùng cho làm nguội cục bộ hoặc các miếng chèn tại vùng nút nhiệt quan trọng.

Hệ chất kết dính chủ yếu gồm nhựa furan và nhựa phenolic. Nhựa furan đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng, cho độ bền khuôn cát cao, phù hợp với giao hàng nhanh cho đơn chiếc và lô nhỏ, nhưng lượng khí sinh ra khi rót khá lớn, bắt buộc phải kết hợp với thiết kế thoát khí hợp lý. Hệ phenolic, bao gồm cả chất kết dính vô cơ, có lượng khí sinh ra thấp hơn rõ rệt, chất lượng bề mặt vật đúc ổn định hơn, thường dùng cho các chi tiết thành mỏng nhạy cảm với rỗ khí; đổi lại, độ bền khuôn cát hơi thấp hơn và tốc độ đóng rắn chậm hơn. Chất kết dính vô cơ đã tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây; ở một số hệ, lượng khí sinh ra đã giảm xuống dưới 30% so với hệ hữu cơ, đặc biệt nổi bật trên vật đúc hợp kim nhôm.

Cần nhấn mạnh rằng: lượng nhựa bổ sung phải tuân theo nguyên tắc giới hạn dưới. Trên tiền đề đáp ứng độ bền khi lấy khuôn, nên kiểm soát lượng nhựa ở mức 0,8% đến 1,5% theo khối lượng cát; mỗi khi giảm 0,1 điểm phần trăm, rủi ro rỗ khí của vật đúc đều giảm ở mức có thể quan sát được. Đây cũng là lý do giai đoạn thiết kế khuôn cát cần đánh giá đường truyền lực: các khối cát đặc dày không cần thiết không chỉ gây lãng phí mà còn liên tục phát thải khí.

3. Thiết kế khuôn cát: từ bản vẽ vật đúc đến khuôn cát có thể in

Lợi ích lớn nhất mà in 3D khuôn cát mang lại là tự do hình học, nhưng tự do không đồng nghĩa với tùy tiện. Khi thiết kế khuôn cát, ít nhất cần thực hiện bốn việc.

Thứ nhất là tính khả thi của phân khuôn và lấy khuôn. Dù in 3D đã loại bỏ ràng buộc cứng về độ dốc thoát khuôn, việc lấy khuôn cát ra khỏi xi lanh tạo hình, làm sạch bột và vận chuyển đến trạm đặt lõi vẫn cần thao tác giữa người và máy; các rãnh hẹp trong khoang có tỷ lệ sâu/rộng vượt 4:1 sẽ rất khó làm sạch cát. Cách làm theo kinh nghiệm là tách khoang sâu thành các mô-đun lõi cát có thể lắp ghép, kết hợp rãnh mộng định vị để bảo đảm độ chính xác lắp ráp.

Thứ hai là bố trí kênh thoát khí một cách hệ thống. Độ thoáng khí của khuôn cát dùng chất kết dính tốt hơn khuôn cát đầm chặt truyền thống, nhưng điều này không thể thay thế thoát khí chủ động. Cần bố trí lỗ thoát khí đường kính 6 đến 12 mm tại điểm cao nhất của khuôn cát và phía trên vùng nút nhiệt, với khoảng cách lỗ 80 đến 150 mm; bên trong lõi cát nên thiết kế xương lõi thoát khí hoặc kênh rỗng để dẫn khí sinh ra khi lõi bị nung nóng ra ngoài khuôn cát. Hậu quả điển hình của thoát khí không đủ là mặt trên vật đúc xuất hiện các vùng rỗ khí dưới da, lộ ra sau khi mài và gây chi phí sửa chữa rất cao.

Thứ ba là xác định chính xác độ co ngót và lượng dư gia công. In khuôn cát không làm thay đổi tỷ lệ co ngót của chính hợp kim: gang xám khoảng 1,0%, gang cầu khoảng 0,6% đến 0,8%, hợp kim nhôm khoảng 1,0% đến 1,3%, thép đúc khoảng 1,5% đến 2,0%. Phần này có thể được bù trực tiếp trên mô hình vật đúc; biến số thực sự là sai lệch kích thước do độ chính xác in khuôn cát, thường có thể kiểm soát trong phạm vi ±0,3 mm/m. Về lượng dư gia công, do chi tiết đúc từ khuôn cát in có độ ổn định kích thước tốt, có thể giảm 1 đến 2 mm so với đúc cát truyền thống, qua đó trực tiếp giảm thời gian gia công cơ sau đó.

Thứ tư là phối hợp giữa hệ thống rót và đậu ngót. In 3D giúp hệ thống rót theo biên dạng và cửa rót điểm trở nên dễ thực hiện, có thể bố trí cửa rót trực tiếp gần vùng nút nhiệt để đạt trình tự bù ngót hợp lý hơn. Nên chạy trước một vòng mô phỏng đông đặc, xác nhận vị trí các vùng pha lỏng cô lập rồi mới xác định kích thước đậu ngót, tránh lãng phí lợi thế của hình học phức tạp vào một thiết kế đậu ngót quá bảo thủ.

4. Hậu xử lý, rót kim loại và xác minh chất lượng

Quy trình xử lý sau khi in khuôn cát cũng rất quan trọng. Công đoạn làm sạch cát phải dùng hút bụi công nghiệp kết hợp dụng cụ mềm, cấm gõ bằng vật cứng để tránh làm hỏng cạnh góc của khuôn cát. Sau khi làm sạch, cần đóng rắn thứ cấp toàn bộ khuôn cát; hệ furan thường được để ở nhiệt độ phòng 4 đến 8 giờ, hoặc đưa vào lò sấy 60 đến 80 độ C trong 1 đến 2 giờ. Phủ sơn là bước tùy chọn nhưng rất được khuyến nghị: một lớp sơn gốc cồn hoặc gốc nước dày 0,2 đến 0,4 mm có thể cải thiện đáng kể độ nhẵn bề mặt vật đúc, đồng thời ngăn kim loại lỏng thấm vào khe giữa các hạt cát gây dính cát cơ học; cần lưu ý sơn phải khô hoàn toàn, vì độ ẩm còn sót lại sẽ hóa hơi tức thời khi rót và tạo rỗ khí diện rộng.

Trọng tâm ở giai đoạn rót là nhiệt độ và tốc độ. Do độ dẫn nhiệt của khuôn cát thấp hơn khuôn kim loại, nhiệt độ rót có thể thực hiện theo tiêu chuẩn đúc cát truyền thống; tuy nhiên cần đặc biệt chú ý sự phù hợp giữa lượng khí sinh ra và tốc độ điền đầy. Điền đầy quá nhanh sẽ gây bí khí trong khuôn cát; nên kiểm tra thời gian điền đầy trong mô phỏng, thông thường chi tiết thành mỏng được kiểm soát ở 8 đến 20 giây, chi tiết dày lớn ở 30 đến 60 giây.

Xác minh chất lượng nên thiết lập ba lớp kiểm tra: sau khi in, quét 3D hoặc đo các điểm then chốt của kích thước quan trọng trên khuôn cát và ghi nhận; trước khi rót, kiểm tra khuôn cát bằng mắt và gõ nghe âm thanh, âm đục thường cho thấy một phần khuôn chưa đóng rắn thấu; sau khi làm sạch vật đúc, thực hiện kiểm tra kích thước theo bản vẽ và các kiểm tra không phá hủy cần thiết. Chi tiết đầu tiên bắt buộc phải có báo cáo kích thước đầy đủ và xác minh bằng mổ mẫu, sau đó mới được chuyển sang lô nhỏ.

5. Đánh giá kịch bản áp dụng và ranh giới chi phí

In 3D khuôn cát không phải lúc nào cũng kinh tế. Lợi thế kinh tế của nó tập trung ở ba nhóm: đơn chiếc và lô nhỏ, khi nhu cầu hằng năm thấp hơn khoảng 200 chiếc thì gần như luôn ưu việt hơn mở khuôn; vật đúc có hình học phức tạp và công nghệ truyền thống cần tổ hợp nhiều lõi cát, số lượng lõi cát càng nhiều thì phương án in càng tiết kiệm đáng kể đồ gá và giờ công lắp ráp; và giai đoạn lặp thiết kế R&D, khi chi phí thay đổi thiết kế gần như bằng không. Ngược lại, khi kết cấu chi tiết cực kỳ đơn giản và nhu cầu hằng năm vượt vài nghìn chiếc, chi phí đơn chiếc của khuôn truyền thống hoặc khuôn kim loại vẫn thấp hơn.

Chu kỳ giao hàng là một lợi ích khác thường bị đánh giá thấp. Lấy một vỏ gang có độ phức tạp trung bình làm ví dụ, quy trình truyền thống từ bản vẽ đến chi tiết đầu tiên thường cần 6 đến 9 tuần; với quy trình in khuôn cát, in khuôn cát mất 1 đến 2 ngày, đóng rắn và phủ sơn 1 ngày, rót và làm sạch 3 đến 5 ngày, tổng thể có thể rút xuống 7 đến 10 ngày làm việc. Trong các kịch bản thiếu phụ tùng khiến dây chuyền phải dừng, chênh lệch này trực tiếp tương đương với tổn thất do ngừng sản xuất.

Kết luận

Bản chất của in 3D khuôn cát bằng phun chất kết dính là thay thế khâu kém linh hoạt nhất trong quy trình đúc, tức chế tạo khuôn, bằng một khâu số có thể lập trình. Rào cản kỹ thuật của công nghệ này không nằm ở bản thân thiết bị, mà ở khả năng kiểm soát phối hợp bốn nhóm biến số: lượng khí sinh ra, thiết kế thoát khí, bù co ngót và độ bền khuôn cát. Đối với nhà sản xuất, lộ trình đúng là: trước tiên dùng mô phỏng đông đặc và dữ liệu độ bền khuôn cát để xác định cửa sổ công nghệ, sau đó tận dụng tự do hình học để giải quyết những vấn đề mà công nghệ truyền thống không xử lý được, thay vì chỉ in nguyên trạng bản vẽ cũ. Trong thực tiễn, lantu3D luôn quản lý công nghệ này như một chuỗi hoàn chỉnh từ bản thiết kế đến giao hàng vật lý: khuôn cát chỉ là một mắt xích, còn thứ thực sự được bàn giao là chi tiết vật lý có thể lắp ráp, có thể xác minh và có thể truy xuất.