Cách Đúc Chi Tiết Silicon Bằng Khuôn In 3D

Silicon là vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết mềm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết bị trợ thính tùy chỉnh, đạo cụ trong điện ảnh và truyền hình, chân tay giả, tay cầm và các bộ phận tiếp xúc trên sản phẩm tiêu dùng, cùng nhiều ứng dụng khác.

Hướng dẫn này cung cấp cái nhìn tổng quan về việc sử dụng khuôn in 3D trong sản xuất chi tiết silicon, bao gồm các loại khuôn như khuôn ép phun hai phần (two-part injection molds), khuôn overmold, khuôn ép nén (compression molds) và khuôn vỏ trứng (eggshell molds). Những phương pháp này có thể được áp dụng cho quá trình tạo mẫu sản phẩm silicon mềm, sản xuất số lượng nhỏ cho các phiên bản thử nghiệm (beta), hoặc chế tạo các sản phẩm tùy chỉnh dùng trực tiếp.

Trong bài viết này, chúng tôi cũng trình bày quy trình từng bước để tạo một móc khóa silicon tích hợp Apple AirTag, áp dụng các nguyên tắc thiết kế khuôn tốt nhất từ nhiều khách hàng thiết kế sản phẩm của Formlabs.

Để tìm hiểu chi tiết hơn về quy trình vật liệu, khả năng tương thích giữa silicon và nhựa in 3D, cũng như các loại chất chống dính khuôn được khuyến nghị, bạn có thể tham khảo white paper chuyên sâu của Formlabs về sản xuất chi tiết silicon bằng khuôn in 3D.

Đúc Silicon Bằng Khuôn In 3D

Trong phương pháp sản xuất truyền thống, khuôn dùng để chế tạo các chi tiết silicon thường được gia công CNC từ các khối nhôm hoặc thép. Các loại khuôn này bao gồm khuôn ép phun hai phần hoặc nhiều phần dành cho silicon lỏng (Liquid Silicon Rubber – LSR), hoặc khuôn ép nén một khoang sử dụng tấm silicon cao su HCR (Heat Cured Rubber), được lưu hóa dưới áp suất và nhiệt độ cao.

Thông thường, những loại khuôn kim loại này được sử dụng trong sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, khi áp dụng cho giai đoạn tạo mẫu (prototyping), chúng lại có nhiều hạn chế. Thời gian chế tạo khuôn có thể kéo dài vài tuần, cùng với chi phí đầu tư ban đầu từ hàng trăm đến hàng nghìn đô la, khiến các nhà thiết kế khó có thể thử nghiệm và điều chỉnh những thay đổi nhỏ trong thiết kế khuôn.

In 3D để bàn (desktop 3D printing) mang lại một giải pháp hiệu quả giúp chế tạo khuôn nhanh chóng với chi phí thấp. Công nghệ này chỉ yêu cầu ít thiết bị, giúp các kỹ sư và kỹ thuật viên có thể tập trung vào những công việc có giá trị cao hơn. Khi sử dụng hệ thống in 3D nội bộ, các nhà sản xuất và nhà thiết kế sản phẩm có thể áp dụng rapid tooling (chế tạo khuôn nhanh) trong quá trình phát triển sản phẩm, nhằm xác minh thiết kế và lựa chọn vật liệu trước khi chuyển sang sản xuất hàng loạt. Nhờ đó, họ có thể lặp lại thiết kế nhanh hơn, rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm và đưa sản phẩm ra thị trường nhanh hơn.

Trong các công nghệ in 3D, Stereolithography (SLA) là một lựa chọn rất phù hợp để chế tạo khuôn đúc silicon. Các chi tiết in bằng công nghệ SLA có bề mặt mịn và độ chính xác cao. Silicon RTV (Room Temperature Vulcanizing) có khả năng tái tạo các chi tiết bề mặt rất nhỏ, kể cả các khuyết điểm, vì vậy chất lượng bề mặt của khuôn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt của sản phẩm silicon cuối cùng.

Ví dụ, nếu khuôn được in bằng công nghệ FDM (Fused Deposition Modeling), các đường lớp in (layer lines) từ quá trình in sẽ dễ dàng in hằn lên bề mặt chi tiết silicon sau khi đúc, làm giảm chất lượng thẩm mỹ của sản phẩm.

Formlabs Clear Resin (hoặc các loại nhựa trong suốt khác như Biomed Clear Resin) còn cho phép quan sát trực tiếp quá trình bơm silicon vào khuôn. Nhờ tính trong suốt của vật liệu, các nhà thiết kế có thể dễ dàng theo dõi sự hình thành bọt khí hoặc khoảng rỗng, từ đó xác định những vị trí cần bổ sung bo góc (corner fillet) hoặc thêm lỗ thoát khí để cải thiện chất lượng chi tiết đúc.

Công nghệ in 3D SLA cũng mang lại lợi thế lớn khi xử lý các thiết kế hình học phức tạp. Với khuôn in 3D, các nhà thiết kế có thể tận dụng các undercut (phần lõm ngược) hoặc những cấu trúc phức tạp mà phương pháp gia công CNC khó thực hiện hoặc có chi phí rất cao.

Formlabs Clear Resin còn có tính linh hoạt tốt về mặt cơ học. Cùng một loại vật liệu này có thể được sử dụng để tạo ra khuôn vỏ trứng (eggshell mold) rất mỏng, dễ dàng phá vỡ để lấy chi tiết silicon tùy chỉnh, hoặc khuôn ép nén chắc chắn có thể sử dụng nhiều lần để sản xuất các chi tiết như gioăng (gaskets). Ngoài ra, việc sử dụng máy in 3D để bàn với chi phí hợp lý cũng giúp rút ngắn đáng kể thời gian chế tạo khuôn. Các nhà thiết kế có thể in khuôn vào một ngày và bắt đầu đúc silicon ngay ngày hôm sau.

Khi sử dụng khuôn in 3D, silicon RTV có khả năng tái tạo chính xác các chi tiết bề mặt nhỏ, bao gồm cả chữ nổi (embossed text). Bên cạnh đó, hầu hết các loại silicon dùng để đúc không có tính bám dính hóa học mạnh, nên sau khi lưu hóa, chúng thường tách khỏi bề mặt khuôn khá dễ dàng. Liên kết cơ học có thể đạt được khi đúc silicon lên các bề mặt có độ xốp cao như vải dệt, và trong một số trường hợp, liên kết hóa học cũng có thể được tăng cường bằng các chất kết dính chuyên dụng.

Bất cứ khi nào một vật liệu đúc như silicon tiếp xúc với khuôn in 3D, cần phải xem xét sự tương tác hóa học giữa hai vật liệu. Có rất nhiều sự kết hợp khác nhau giữa silicon, nhựa in 3D, lớp phủ bảo vệ và chất chống dính khuôn có thể được sử dụng. Formlabs đã thu thập phản hồi từ khách hàng thuộc nhiều ngành công nghiệp khác nhau về quy trình làm việc hiệu quả của họ, và những kinh nghiệm này đã được tổng hợp trong white paper chuyên sâu của Formlabs.

Overmolding (Ép Phủ Silicon)

Overmolding là phương pháp lý tưởng khi cần bao bọc hoàn toàn hoặc một phần các linh kiện phần cứng bằng silicon. Trong quy trình này, linh kiện phần cứng sẽ được cố định hoặc treo bên trong khuôn hai phần hoặc nhiều phần, sau đó silicon lỏng được bơm vào khoang khuôn để bao quanh linh kiện. Tùy theo thiết kế, silicon có thể phủ kín hoàn toàn hoặc chỉ bao phủ một phần của linh kiện bên trong.

Phương pháp này thường được sử dụng trong các sản phẩm cần lớp silicon bảo vệ hoặc tăng độ bám, chẳng hạn như tay cầm, lớp bọc bảo vệ thiết bị điện tử, hoặc các chi tiết tích hợp nhiều vật liệu.

Eggshell Molding (Khuôn Vỏ Trứng)

Eggshell molding sử dụng một khuôn vỏ mỏng (dưới 1 mm) được thiết kế để bao sát hoàn toàn khoang đúc silicon. Sau khi silicon được lưu hóa hoàn toàn, lớp khuôn in 3D dạng vỏ này sẽ được phá vỡ để lấy chi tiết silicon bên trong.

Do đây là loại khuôn hy sinh (sacrificial mold) và không thể tái sử dụng, phương pháp này thường được áp dụng để tạo ra một chi tiết silicon tùy chỉnh duy nhất, đặc biệt phù hợp với các thiết kế có hình học phức tạp hoặc nhiều undercut.

Để tìm hiểu chi tiết hơn về phương pháp này, bạn có thể tham khảo white paper của Formlabs trong lĩnh vực thính học – “3D Printing Custom Silicon Ear Molds”, trong đó cung cấp hướng dẫn từng bước về quy trình tạo khuôn vỏ trứng.

Mặc dù kết quả cuối cùng của các phương pháp đúc này có thể trông khá giống nhau, việc lựa chọn loại khuôn phù hợp cần dựa trên một số tiêu chí quan trọng. Những yếu tố cần xem xét bao gồm:

• Hình học của chi tiết cần sản xuất

• Khả năng xử lý các chi tiết undercut hoặc lỗ trong thiết kế

• Quy mô sản xuất

• Loại vật liệu silicon được sử dụng để đúc

Một số hướng dẫn lựa chọn loại khuôn phù hợp được tổng hợp trong bảng dưới đây.

Loại khuôn	Hình học chi tiết	Vật liệu sử dụng
Compression Mold (Khuôn ép nén)	Thiết kế không có undercut	Silicon độ cứng cao (high-durometer) dạng putty
Injection Filled Mold (Khuôn ép phun)	Có thể xử lý undercut nhỏ	Silicon lỏng hai thành phần
Overmold (Khuôn ép phủ)	Bao bọc linh kiện phần cứng bên trong, có thể có undercut nhỏ	Silicon lỏng hai thành phần
Eggshell Mold (Khuôn vỏ trứng)	Có thể xử lý undercut lớn và các lỗ phức tạp	Silicon lỏng hai thành phần

Bảng trên giúp lựa chọn phương pháp làm khuôn phù hợp dựa trên hình học chi tiết cần sản xuất và loại vật liệu silicon sử dụng.

Quy Trình Tạo Khuôn Đúc Silicon: Hướng Dẫn Từng Bước

Để sản xuất các chi tiết silicon số lượng nhỏ ngay tại doanh nghiệp một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí bằng công nghệ in 3D, bạn có thể tham khảo quy trình tạo khuôn đúc silicon từng bước dưới đây.

Trong ví dụ này, chúng ta sẽ thiết kế và chế tạo một khuôn đúc để sản xuất móc khóa silicon tích hợp thiết bị Apple AirTag bên trong. Quy trình này minh họa cách kết hợp khuôn in 3D với vật liệu silicon để tạo ra các sản phẩm tùy chỉnh một cách hiệu quả.

Vật Liệu Và Thiết Bị Cần Chuẩn Bị

Để thực hiện quy trình đúc silicon bằng khuôn in 3D, bạn cần chuẩn bị các vật liệu và thiết bị sau:

Vật liệu

• Formlabs Clear Resin – nhựa in 3D trong suốt dùng để in khuôn

• Dragon Skin 20 (Pt-cure) của Smooth-On – silicon hai thành phần dùng để đúc

• Silc-Pig colored pigment – bột màu dùng để tạo màu cho silicon

• Krylon High Gloss Acrylic Spray – lớp phủ acrylic bóng bảo vệ bề mặt khuôn

• Ease Release 200 – chất chống dính khuôn giúp tách sản phẩm dễ dàng sau khi đúc

• Linh kiện cần bao bọc (encapsulated hardware) – trong ví dụ này là Apple AirTag

Thiết bị

• Máy in 3D resin của Formlabs

• Ống keo epoxy (tỷ lệ 50:50)

• Súng bơm epoxy

• Đầu trộn (mixing nozzle)

• Kẹp lò xo (spring clamp) để cố định khuôn

• Buồng hút chân không và bơm chân không*

• Nồi áp suất (pressure pot)*

Các thiết bị này không bắt buộc, nhưng có thể giúp loại bỏ bọt khí và cải thiện chất lượng chi tiết silicon sau khi đúc.

1. Thiết Kế Mô Hình CAD

Trước tiên, bạn cần một mô hình CAD của chi tiết cuối cùng. Mô hình này có thể được tạo bằng cách thiết kế trực tiếp trên phần mềm CAD, hoặc tái tạo lại một sản phẩm vật lý có sẵn thông qua quá trình reverse engineering kết hợp quét 3D (3D scan).

Trong ví dụ này, chúng tôi thiết kế khuôn để sản xuất một móc khóa có tích hợp thiết bị Apple AirTag, vì vậy nhóm đã sử dụng bản sao kỹ thuật số (digital replica) của Apple AirTag làm cơ sở cho thiết kế.

2. Thiết Kế Khuôn Đúc Silicon

White paper của Formlabs cung cấp hướng dẫn chi tiết từng bước để thiết kế khuôn in 3D cho dự án này. Các bước thiết kế cơ bản và những thực hành tốt nhất dưới đây có thể áp dụng cho khuôn ép phun silicon hoặc khuôn overmold, đặc biệt trong các thiết kế sử dụng trọng lực để hỗ trợ quá trình điền đầy silicon.

Các bước thiết kế khuôn bao gồm:

1. Thiết kế thể tích cơ bản (base volume) của chi tiết, bao gồm cả các linh kiện phần cứng cần được bao bọc bên trong

2. Xác định đường phân khuôn (parting line) và chia khuôn thành hai phần

3. Loại bỏ thể tích chi tiết khỏi khối khuôn (mold stock) để tạo khoang khuôn

4. Thiết kế cổng rót silicon (fill gate)

5. Thiết kế các lỗ thoát khí (air vents)

6. Thêm các chi tiết định vị (alignment features) để cố định linh kiện phần cứng bên trong khuôn

7. Bổ sung các chi tiết ghép khuôn (registration features) để hai nửa khuôn khớp chính xác với nhau

8. Thiết kế rãnh chứa silicon (silicon trough)

9. Điều chỉnh cổng rót để có thể sử dụng với xi lanh hoặc ống bơm silicon

10. Tạo các điểm tách khuôn (pry points) ở bên ngoài khuôn để dễ dàng mở khuôn sau khi đúc

Để xem hướng dẫn thiết kế khuôn chi tiết từng bước, bạn có thể tham khảo tài liệu “Silicon Part Production With 3D Printed Tools” trong white paper của Formlabs.

3. In 3D Khuôn

Tùy thuộc vào kích thước khuôn cần chế tạo, bạn có thể sử dụng các dòng máy in 3D resin của Formlabs như Form 3+ cho các khuôn nhỏ, hoặc Form 3L khi cần in khuôn kích thước lớn.

Về lựa chọn vật liệu, có nhiều loại resin có thể sử dụng để in khuôn. Tuy nhiên, Clear Resin hoặc Biomed Clear Resin là những lựa chọn rất phù hợp vì độ trong suốt của vật liệu cho phép quan sát dòng chảy của silicon trong quá trình đúc.

Sử dụng phần mềm chuẩn bị in PreForm của Formlabs, bạn có thể tự động thiết lập các thông số in và gửi mô hình trực tiếp đến máy in. Thông thường, chiều cao lớp in 50 micron được khuyến nghị vì tạo được sự cân bằng tốt giữa bề mặt mịn và thời gian in nhanh.

Do silicon có khả năng tái tạo các chi tiết bề mặt rất nhỏ, bao gồm cả các đường lớp in, nên trong một số ứng dụng yêu cầu tính thẩm mỹ cao, bạn có thể sử dụng chiều cao lớp in 25 micron để đạt chất lượng bề mặt tốt hơn.

Khi sắp xếp mô hình trên bàn in (build plate), nên định hướng chi tiết sao cho các bề mặt quan trọng bên trong khuôn không bị dấu vết của support. Trong một số trường hợp, việc đặt khối khuôn phẳng trực tiếp trên bàn in cũng có thể là một lựa chọn phù hợp.

Sau khi quá trình in hoàn tất, hãy rửa (wash) và sấy lưu hóa (cure) các chi tiết đã in, sau đó loại bỏ toàn bộ các support để hoàn thiện khuôn.

4. Lắp Ráp Và Đổ Silicon Vào Khuôn

Trước khi tiến hành đúc, hãy chuẩn bị khuôn bằng cách phủ lớp bảo vệ và sử dụng chất chống dính khuôn (mold release). Việc sử dụng chất chống dính đặc biệt quan trọng khi hai loại vật liệu khác nhau tiếp xúc với nhau, chẳng hạn như linh kiện phần cứng được đặt bên trong khuôn để tạo lớp bọc silicon (overmold).

Bạn có thể tham khảo bảng quy trình làm việc của khách hàng trong white paper của Formlabs để lựa chọn loại lớp phủ bảo vệ và chất chống dính khuôn phù hợp.

Hãy tuân thủ hướng dẫn sử dụng trên bao bì vật liệu, đồng thời chờ cho lớp phủ bảo vệ khô hoặc lưu hóa hoàn toàn trước khi chuyển sang bước tiếp theo.

Sau đó, kẹp chặt hai nửa khuôn một cách cẩn thận theo hướng mở khuôn (direction of draw), đảm bảo rằng khối khuôn và các linh kiện được đặt bên trong luôn được căn chỉnh chính xác.

Tiếp theo, chuẩn bị vật liệu silicon theo lựa chọn của bạn và tiến hành bơm hoặc đổ silicon vào khuôn. Để tìm hiểu chi tiết hơn về các loại silicon phù hợp cho quá trình đúc, bạn có thể tham khảo thêm white paper của Formlabs.

5. Tháo Khuôn Và Hoàn Thiện Sản Phẩm

Sau khi silicon đã lưu hóa hoàn toàn, tiến hành tháo khuôn và cắt tỉa chi tiết silicon. Trong quá trình đúc, việc xuất hiện phần silicon dư (flash) tại đường phân khuôn (parting line) là điều hoàn toàn bình thường.

Trước tiên, hãy loại bỏ phần silicon dư ở bên ngoài khuôn. Sau đó, sử dụng tuốc nơ vít dẹt hoặc một dụng cụ đầu phẳng đặt vào điểm tách khuôn (pry point) và xoay nhẹ để phá vỡ liên kết giữa hai nửa khuôn. Khi khuôn đã mở, lấy chi tiết silicon ra khỏi khuôn, lưu ý rằng một số phần silicon có thể cần được cắt tỉa nhẹ tại các lỗ thoát khí.

Sau khi lấy sản phẩm ra, dùng dao cắt sắc hoặc kìm cắt phẳng (flush cutters) để loại bỏ phần silicon tại cổng rót (gate) và các lỗ thoát khí (vent). Những phần gồ nhỏ còn lại có thể được mài nhẹ bằng giấy nhám mịn với nước. Cuối cùng, rửa sản phẩm bằng nước và xà phòng để loại bỏ bụi nhám và các dư lượng chất chống dính khuôn.

Tùy thuộc vào loại khuôn sử dụng, khuôn có thể được tái sử dụng nhiều lần. Trước khi đúc lần tiếp theo, bạn có thể cần làm sạch các lỗ thoát khí bằng dụng cụ sắc nhọn và phủ lại chất chống dính khuôn.

Trong thực tế, việc tối ưu thiết kế khuôn qua một vài lần thử nghiệm là điều bình thường sau khi hoàn thành toàn bộ quy trình từ thiết kế đến sản xuất. Một số điều chỉnh thiết kế bạn có thể cần cân nhắc bao gồm:

• Tăng khoảng cách offset giữa các chi tiết ghép khuôn để cải thiện độ khít

• Di chuyển các chốt định vị (alignment pins) để đảm bảo linh kiện bên trong được cố định chắc chắn

• Bổ sung thêm lỗ thoát khí tại những khu vực dễ xuất hiện bọt khí trong quá trình đổ silicon.

Bắt Đầu Sản Xuất Chi Tiết Silicon Với Công Nghệ In 3D

Dù bạn đang đúc các chi tiết silicon bằng khuôn in 3D, tạo khuôn silicon để đúc các vật liệu khác, hay trực tiếp in 3D các vật liệu mềm giống silicon như dòng Flexible và Elastic Resin của Formlabs, công nghệ in 3D đều có thể hỗ trợ hiệu quả trong quá trình phát triển và sản xuất sản phẩm.

Hệ sinh thái in 3D toàn diện và dễ sử dụng của Formlabs giúp doanh nghiệp và nhà thiết kế nhanh chóng bắt đầu sản xuất khuôn in 3D cho các chi tiết silicon, đồng thời bổ sung các thành phần cao su mềm vào danh mục sản phẩm hoặc dự án của mình.

Bạn cũng có thể yêu cầu mẫu thử miễn phí để trực tiếp trải nghiệm chất lượng vật liệu in 3D của Formlabs.