Quy chuẩn thiết kế độ dày thành tối thiểu cho in 3D: Hướng dẫn ngưỡng độ dày theo từng công nghệ và vật liệu

Tại sao độ dày thành tối thiểu không phải là “càng mỏng càng tốt”

Trong thiết kế in 3D, độ dày thành tối thiểu quyết định việc chi tiết có thể tạo hình ổn định, tháo support, làm sạch bột, hậu xử lý và đảm bảo độ tin cậy kết cấu trong quá trình sử dụng cuối cùng hay không. Rất nhiều ca in thất bại không phải vì mô hình “không thể in”, mà vì độ dày thành chỉ vừa chạm ngưỡng lý thuyết của phần mềm nhưng chưa tính đến các yếu tố kỹ thuật như co ngót vật liệu, độ bền liên kết giữa các lớp, mức độ phụ thuộc vào support, biến dạng nhiệt và hư hại trong quá trình vận chuyển. Lấy cùng một chi tiết lưới thành mỏng làm ví dụ: khi tăng độ dày thành từ 0,8mm lên 1,2mm, tỷ lệ in thành công, hiệu suất hậu xử lý và độ cứng chống uốn thường sẽ tăng rõ rệt; nhưng nếu tiếp tục tăng quá mức, trọng lượng, chi phí vật liệu và ứng suất bên trong cũng sẽ tăng theo. Vì vậy, độ dày thành tối thiểu nên được xác định theo ba tiêu chí “có thể in”, “có thể hậu xử lý” và “có thể làm việc trong thực tế”, chứ không chỉ nhìn vào bảng thông số thiết bị.

• Ngưỡng thiết kế phải đồng thời xét đến tạo hình, hậu xử lý và tải trọng khi sử dụng, không chỉ đơn thuần là “in ra được”.
• Các dạng hỏng thường gặp ở chi tiết thành mỏng gồm cong vênh, mẻ cạnh, phân lớp, nứt khi làm sạch bột và biến dạng khi vận chuyển đối với chi tiết resin.
• Về mặt kỹ thuật, nên chừa biên an toàn 20%~50% so với giới hạn dưới của quy trình, đặc biệt với chi tiết chịu lực và kết cấu nhịp dài.

Khuyến nghị độ dày thành tối thiểu cho công nghệ SLA quang trùng hợp

Ưu điểm của SLA là độ chính xác bề mặt cao, tái hiện chi tiết tốt, phù hợp với vỏ thành mỏng, chi tiết kênh dẫn, mẫu trong suốt và mô hình nha khoa. Tuy nhiên, tính chất cơ học của chi tiết SLA phụ thuộc rất lớn vào loại nhựa; nhựa tiêu chuẩn thường có độ giòn cao hơn, nên thành mỏng dễ nứt hơn trong quá trình tháo support, hậu đóng rắn và va chạm nhẹ. Thông thường, với nhựa SLA tiêu chuẩn, độ dày thành không chịu lực nên không thấp hơn 0,8mm; nếu là cấu trúc dạng thanh dài, nhiều phần treo hoặc có nhiều lỗ cục bộ, nên nâng lên 1,2mm~1,5mm. Đối với nhựa dẻo dai và nhựa chịu nhiệt cao, dù độ dai vật liệu tốt hơn, rủi ro co ngót và biến dạng sau hậu đóng rắn vẫn tồn tại, nên chi tiết thành mỏng cũng không nên thấp hơn 1,0mm.

Trong một trường hợp thực tế, vỏ của một thiết bị y tế ban đầu có độ dày thành 0,6mm; sau khi in bằng nhựa tiêu chuẩn, chi tiết bị nứt cục bộ khi tháo support, và sau hậu đóng rắn mép cong vênh khoảng 1,2mm. Khi tăng độ dày thành lên 1,2mm và chuyển các mặt phẳng lớn sang kết cấu có gân tăng cứng, tỷ lệ sản phẩm đạt từ dưới 70% lên gần 100%. Khi làm chi tiết rỗng bằng SLA cũng cần tính đến kích thước và vị trí lỗ thoát nhựa, nếu không nhựa dư sẽ làm tăng khối lượng cục bộ và gây biến dạng.

• Nhựa SLA tiêu chuẩn: khuyến nghị độ dày thành ≥0,8mm; với vỏ có độ tin cậy cao nên từ 1,2mm trở lên.
• Nhựa dẻo dai/nhựa chịu nhiệt: khuyến nghị độ dày thành ≥1,0mm, khu vực nhịp dài nên 1,5mm.
• Chi tiết rỗng bắt buộc phải thiết kế lỗ thoát nhựa để tránh nhựa tồn đọng gây phồng cục bộ hoặc biến dạng sau hậu đóng rắn.

Ngưỡng độ dày thành tối thiểu của công nghệ SLS dùng bột nylon

SLS là một trong những công nghệ phù hợp nhất để tạo các cấu trúc thành mỏng phức tạp, vì giường bột đóng vai trò là support tự nhiên, cho phép in khoang rỗng bên trong, cấu trúc lồng ghép và các kênh dẫn phức tạp. Với vật liệu PA12 phổ biến, giới hạn dưới lý thuyết của độ dày thành có thể xuống khoảng 0,6mm, nhưng trong thực tế kỹ thuật thường khuyến nghị không thấp hơn 1,0mm; nếu chi tiết cao, diện tích rộng hoặc cần làm việc lâu dài, nên chọn 1,2mm~1,5mm. Đối với PA11 hoặc nylon gia cường sợi thủy tinh, độ dai và độ cứng vật liệu cao hơn, nhưng do sự khác nhau về co ngót nhiệt và độ nhạy cong vênh, thành mỏng không nhất thiết nên thiết kế mạo hiểm hơn PA12; phương án ổn định vẫn ưu tiên từ 1,2mm trở lên.

Cần lưu ý rằng việc chi tiết thành mỏng SLS có thành công hay không không chỉ phụ thuộc vào độ dày thành, mà còn phụ thuộc vào việc bề mặt thành có đủ vòng khép kín hay không, có cấu trúc lân cận để hỗ trợ hay không, và chiều dài bề mặt thành. Ví dụ, một tấm phẳng dài 200mm, dày 1mm, dù có thể in được trong SLS, vẫn có khả năng xuất hiện cong vênh dạng sóng trong giai đoạn làm nguội. Trong một dự án ống gió ô tô, ống gió PA12 với độ dày 0,8mm xuất hiện hiện tượng sụt cục bộ ở vùng bản rộng; sau khi tăng lên 1,3mm và bổ sung gân tăng cứng cao 2mm, độ ổn định kích thước của ống gió được cải thiện rõ rệt, khe hở lắp ráp giảm từ 1,5mm xuống dưới 0,4mm.

• PA12 SLS: khuyến nghị kỹ thuật độ dày thành 1,0mm~1,2mm, với vỏ có độ tin cậy cao nên 1,5mm.
• Các chi tiết có mặt phẳng dài, bản rộng nên ưu tiên thêm gân thay vì chỉ tăng chiều dày để tránh cong vênh khi làm nguội.
• Khi thoát bột bên trong, phải xét đến kích thước lỗ mở; cấu trúc kín quá mỏng sẽ có rủi ro hậu xử lý rất cao.

Những điểm mấu chốt khi thiết kế độ dày thành cho công nghệ FDM đùn nóng chảy

FDM nhạy nhất với độ dày thành tối thiểu vì nó bị ràng buộc trực tiếp bởi đường kính đầu phun, bề rộng đường đùn, chiều cao lớp và chiến lược quỹ đạo in. Với đầu phun 0,4mm, bề rộng đường đùn đơn thường khoảng 0,42mm~0,48mm, vì vậy nên thiết kế độ dày thành theo bội số của bề rộng đường đùn. Khuyến nghị kỹ thuật thường gặp là: ít nhất 2 vòng thành ngoài, tức độ dày thành không thấp hơn 0,8mm; cấu trúc an toàn hơn thường là 1,2mm~1,6mm, đặc biệt với các vật liệu dễ cong vênh như ABS, PC, PETG. Nếu dùng đầu phun 0,6mm, giới hạn dưới của độ dày thành nên tăng tương ứng lên trên 1,2mm để đảm bảo quá trình đùn ổn định và liên kết giữa các lớp tốt hơn. Một rủi ro khác của thành mỏng là độ bền giữa các lớp thấp, khiến chi tiết rất dễ nứt dọc theo đường lớp khi ép lắp, cài ngàm hoặc siết vít.

Một vấn đề kỹ thuật rất phổ biến là thiết kế ngàm cài. Trong một vỏ thiết bị điện tử tiêu dùng, độ dày thành ban đầu là 1,0mm; sau khi in bằng PLA, chân ngàm bị nứt trong quá trình lắp ráp. Phân tích cho thấy ngoài việc thành quá mỏng, bán kính bo ở chân ngàm chỉ 0,3mm và hướng vân lớp trùng với hướng chịu lực. Phương án cuối cùng là tăng độ dày thành lên 1,6mm, tăng bán kính bo chân ngàm lên 0,8mm và điều chỉnh hướng in để hướng chịu lực hạn chế tối đa đi qua mặt phân tách giữa các lớp, nhờ đó tỷ lệ đạt được cải thiện rõ rệt. Một điểm then chốt khác của chi tiết thành mỏng FDM là độ dày thành nên là bội số nguyên của bề rộng đường đùn để tránh xuất hiện “vách nửa đường” không thể lấp đầy hoàn toàn.

• Đầu phun 0,4mm: khuyến nghị độ dày thành ≥0,8mm, giá trị thường dùng trong kỹ thuật là 1,2mm~1,6mm.
• Nên cố gắng chọn độ dày thành là bội số nguyên của bề rộng đường đùn để giảm khe hở và các vùng yếu do thừa/thiếu vật liệu.
• Ngàm cài, trụ vít và vị trí ép lắp không nên chỉ nhìn vào độ dày thành ngoài, mà còn phải xét bán kính bo cục bộ và hướng chịu lực theo lớp.

Giới hạn dưới của thành mỏng trong in 3D kim loại SLM và kiểm soát biến dạng nhiệt

Độ dày thành tối thiểu của in kim loại SLM có quan hệ rất chặt với quản lý nhiệt. Kim loại dẫn nhiệt nhanh, ứng suất dư lớn, nên thành mỏng rất dễ bị cong vênh do nhiệt trong quá trình in, mép cuộn lên, thậm chí sụp chảy cục bộ. Sự khác nhau giữa các vật liệu kim loại cũng rất rõ: hợp kim nhôm thường nhạy hơn với biến dạng nhiệt, nên thành mỏng khuyến nghị không thấp hơn 1,0mm~1,5mm; thép không gỉ 316L ổn định hơn, giới hạn dưới thường trong khoảng 0,5mm~0,8mm, nhưng nếu là thành dài, dạng công-xôn hoặc kết cấu lưới phức tạp, vẫn nên tăng lên trên 1,0mm; hợp kim titan có độ bền cao nhưng yêu cầu cửa sổ quy trình rất nghiêm ngặt, nên thành mỏng thường khuyến nghị ≥0,8mm. Trong sản xuất thực tế, độ dày thành không chỉ phải đáp ứng khả năng in mà còn phải tính đến độ hồi phục kích thước sau xử lý nhiệt.

Trong một dự án giá đỡ nhẹ hóa cho hàng không, vật liệu 316L được in với độ dày thành 0,6mm; vùng gần đế build vẫn tạo hình tương đối ổn, nhưng các thành mỏng ở lớp trên xuất hiện cong sóng cục bộ và cháy xém mép. Sau khi điều chỉnh độ dày thành lên 0,9mm, bổ sung gân liên kết và tối ưu chiến lược quét, mức biến dạng của chi tiết giảm từ 0,9mm xuống khoảng 0,3mm, đồng thời lượng dư gia công cơ sau đó cũng dễ kiểm soát hơn. Khi thiết kế thành mỏng cho SLM, cần đặc biệt chú ý diện tích liên kết của support bên dưới: số điểm support quá ít sẽ khiến thành mỏng bị hư hại khi tách support, còn quá nhiều điểm support sẽ làm tăng dấu vết hậu xử lý.

• 316L: khuyến nghị kỹ thuật độ dày thành 0,8mm~1,0mm, với kết cấu phức tạp nên 1,2mm.
• Hợp kim nhôm: khuyến nghị độ dày thành ≥1,2mm, hạn chế tối đa các tấm mỏng treo trên diện tích lớn.
• Chi tiết kim loại thành mỏng phải đồng thời xét chiến lược quét, mật độ support và độ hồi phục kích thước sau xử lý nhiệt.

Khuyến nghị đối chiếu độ dày thành giữa các công nghệ và vật liệu

Thiết kế độ dày thành không thể áp dụng một công thức cứng nhắc; bắt buộc phải đánh giá đồng thời công nghệ và vật liệu. Với cùng một độ dày, SLA chú trọng độ giòn và hậu đóng rắn, SLS chú trọng support từ bột và cong vênh khi làm nguội, FDM chú trọng khả năng đùn của đầu phun và độ bền liên lớp, còn SLM chú trọng ứng suất nhiệt và tách support. Nếu chỉ dùng để kiểm chứng ngoại quan, độ dày thành có thể đặt sát giới hạn dưới của công nghệ; nhưng nếu dùng cho thử nghiệm sản xuất hàng loạt nhỏ, xác nhận chức năng hoặc giao sản phẩm cuối cùng, thì nên cao hơn giới hạn dưới một cách rõ rệt. Thông thường, nên ghi rõ trên bản vẽ cả “độ dày thành chức năng” và “độ dày thành tối thiểu của quy trình”, hai khái niệm này không nên nhầm lẫn. Cách làm này vừa giúp kiểm soát trọng lượng, vừa để lại biên độ cho sản xuất hàng loạt.

• Nhựa SLA tiêu chuẩn: từ 0,8mm, khuyến nghị 1,2mm; nhựa dẻo dai nên từ 1,0mm trở lên.
• PA12 SLS: 0,6mm có thể tạo hình, khuyến nghị kỹ thuật 1,0mm~1,5mm.
• FDM đầu phun 0,4mm: từ 0,8mm, khuyến nghị 1,2mm~1,6mm; đầu phun 0,6mm nên từ 1,2mm trở lên.
• SLM thép không gỉ: từ 0,5mm~0,8mm, khuyến nghị kỹ thuật khoảng 1,0mm; hợp kim nhôm nên từ 1,2mm trở lên.

Làm thế nào để tránh thất bại do độ dày thành không đủ ngay từ giai đoạn thiết kế

Cách thực tế nhất là biến việc kiểm tra độ dày thành thành một quy trình tiêu chuẩn ngay từ giai đoạn tạo mẫu. Trước tiên phải xác định mục đích của chi tiết: là chi tiết trưng bày, chi tiết xác nhận lắp ráp hay chi tiết chức năng chịu lực. Tiếp theo phải xác định hướng in, vì cùng là độ dày thành 1mm nhưng độ bền theo phương vuông góc lớp và theo phương dọc lớp có thể khác nhau rất lớn. Bước thứ ba là kết hợp với phương pháp hậu xử lý, chẳng hạn phun cát, nhuộm màu, thấm, tháo support, xử lý nhiệt, gia công cơ; bất kỳ công đoạn nào cũng có thể làm yếu chi tiết thành mỏng. Bước thứ tư là chừa dung sai, đặc biệt với lỗ lắp insert, rãnh cài và bề mặt kín khít; chi tiết thành mỏng thường không thể thiết kế ở giá trị giới hạn chỉ dựa trên kích thước danh nghĩa.

Khuyến nghị doanh nghiệp trước khi gửi mẫu thực hiện ba hạng mục kiểm tra: một là kiểm tra xem bề mặt thành mỏng nhất có thấp hơn giới hạn dưới của công nghệ đã chọn hay không; hai là kiểm tra các mặt phẳng dài có thiếu gân tăng cứng hay không; ba là kiểm tra khu vực lân cận thành mỏng có tồn tại góc nhọn, mép lỗ quá gần hoặc tập trung ứng suất hay không. Đối với