Giới Thiệu Đúc Kim Loại Và Cách Kết Hợp In 3D Với Quy Trình Đúc

Đúc kim loại là một quy trình gia công kim loại lâu đời, trong đó kim loại nóng chảy được làm nguội và đông đặc trong khuôn để tạo thành các bộ phận kim loại. Mặc dù có nguồn gốc cổ xưa, đúc kim loại vẫn là một trong những quy trình phổ biến nhất cho các công ty muốn sản xuất các bộ phận kim loại.

Bài viết này sẽ đề cập đến đúc kim loại là gì, cách thức hoạt động của nó và hướng dẫn bạn qua các quy trình đúc kim loại phổ biến nhất cũng như lợi ích mà các nhà sản xuất có thể đạt được bằng cách kết hợp các công cụ kỹ thuật số hiện đại như in 3D với quy trình đúc truyền thống.

Tổng quan về quy trình đúc kim loại

Kể từ khi ra đời của đúc kim loại, các phương pháp đã phát triển và đa dạng. Tuy nhiên, các kỹ thuật cốt lõi của nó vẫn không thay đổi. Dưới đây là quy trình từng bước chung cho đúc kim loại:

Bước 1: Tạo mẫu

Để bắt đầu quy trình đúc kim loại, trước tiên nhà sản xuất phải phát triển một mô hình đại diện của mẫu mong muốn. Mẫu này là cần thiết trong việc thiết kế khuôn được sử dụng cho quá trình đúc. Nó thường được làm từ gỗ, xốp, nhựa hoặc sáp và đảm bảo rằng khuôn tạo ra chính xác với bộ phận kim loại hoàn thiện. Ngày nay, in 3D cũng là một phương pháp phổ biến để sản xuất mẫu, cho phép các nhà thiết kế tạo ra các mẫu chính xác trực tiếp từ các công cụ phần mềm CAD kỹ thuật số. Một mẫu không chỉ đơn giản là bản sao của bộ phận mong muốn, nó còn bao gồm các chi tiết phụ trợ cần thiết cho quá trình đúc, bao gồm các cổng cho phép kim loại nóng chảy chảy với tốc độ ổn định và các lỗ thông hơi để khí thoát ra ngoài. Ngoài ra, các mẫu cũng lớn hơn các bộ phận mà chúng đại diện để tính đến sự co rút xảy ra trong quá trình làm nguội. Khi phôi đúc rỗng, nhà sản xuất cũng tạo ra lõi cát hoặc kim loại để định hình dạng bên trong. Lõi này được loại bỏ sau khi hoàn thành quá trình đúc.

Bước 2: Làm khuôn 

Bước tiếp theo là tạo khuôn đúc, có thể tái sử dụng (không tiêu hao) hoặc không tái sử dụng (tiêu hao). Khuôn không tái sử dụng thường được làm bằng cát, thạch cao, sáp hoặc bằng in 3D, và giống như tên gọi của nó, chúng bị phá hủy trong quá trình đúc. Khuôn tái sử dụng được làm bằng kim loại và các vật liệu bền khác và có thể được tái sử dụng cho nhiều chu kỳ đúc.

Bước 3: Nấu chảy và Đổ Kim loại Nóng chảy

Trong bước này, kim loại được nung nóng trong lò nung cho đến khi nó tan chảy. Tùy thuộc vào ứng dụng, các nhà sản xuất có thể sử dụng nhiều loại kim loại khác nhau, với các kim loại được đúc phổ biến nhất là sắt, nhôm, hợp kim nhôm, thép, đồng và kẽm, cũng như các kim loại quý như vàng và bạc. Khi kim loại tan chảy, nhà sản xuất đổ nó vào khoang khuôn và để nó nguội và đông đặc lại.

Bước 4: Tháo khuôn và Làm sạch

Khi kim loại nguội và đông đặc lại, các bộ phận được lấy ra khỏi khuôn. Tùy thuộc vào loại khuôn, điều này có thể được thực hiện bằng rung động trong quy trình rũ, rửa sạch vật liệu đầu tư hoặc bằng chốt đẩy. Sau đó, vật liệu dư thừa, chẳng hạn như lỗ thông hơi, cổng và bộ cấp liệu, được loại bỏ khỏi các bộ phận. Cuối cùng, các bộ phận được giũa, bào, gia công hoặc phun cát để làm nhẵn bề mặt và đạt yêu cầu về hình dạng cuối cùng.

Các loại quy trình đúc kim loại

Mặc dù tất cả các kỹ thuật đúc kim loại đều có chung quy trình cốt lõi nhưng có nhiều phương pháp phù hợp hơn cho các ứng dụng khác nhau. Một số phương pháp phổ biến nhất bao gồm đúc khuôn, đúc mẫu chảy và đúc cát.

Đúc khuôn

Đúc khuôn là một quy trình đúc kim loại, trong đó nhà sản xuất đẩy kim loại nóng chảy vào khoang khuôn thép ở áp suất cao để nhanh chóng sản xuất các bộ phận kim loại. Trong đúc khuôn, nhà sản xuất cố định hai nửa của khuôn hoặc khuôn tái sử dụng lại với nhau và sử dụng vòi phun để phun kim loại nóng chảy có áp suất vào khuôn. Khi kim loại nguội đi, khuôn sẽ mở ra và chốt đẩy sẽ đẩy phôi ra ngoài. Hai quy trình đúc khuôn phổ biến nhất là đúc buồng nóng và đúc buồng lạnh. Mặc dù các chi tiết cụ thể của các quy trình này khác nhau, nhưng có một số đặc điểm chung của quy trình đúc khuôn nói chung.

Đúc khuôn buồng nóng

Đúc khuôn buồng nóng là phổ biến nhất trong hai quy trình đúc khuôn chính. Máy đúc khuôn buồng nóng có lò nung tích hợp để nung nóng kim loại bên trong máy. Khi kim loại đạt đến trạng thái nóng chảy, máy sẽ hạ một buồng hình trụ xuống kim loại nóng chảy. Hình dạng cổ ngỗng của hệ thống phun kim loại cho phép buồng nhanh chóng tự lấp đầy, sau đó đẩy vật liệu vào khuôn bằng áp suất không khí hoặc piston. Việc nhúng cơ cấu phun vào để đổ đầy cho phép phun khuôn nhanh chóng và hợp lý trong quy trình đúc này. Tuy nhiên, do buồng chịu nhiệt trực tiếp từ kim loại nóng chảy nên hệ thống đúc khuôn buồng nóng có nguy cơ bị ăn mòn, khiến chúng trở thành lựa chọn kém khả thi hơn đối với các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao. Thay vào đó, nó phù hợp hơn với các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ lưu động cao, như chì, magie, kẽm và đồng.

Đúc khuôn buồng lạnh

Ngược lại, quy trình đúc khuôn buồng lạnh hoạt động chậm hơn để tránh ăn mòn. Với phương pháp này, công nhân xưởng đúc sẽ múc kim loại nóng chảy vào hệ thống phun. Sau đó, một piston đẩy kim loại vào khuôn. Quy trình này hạn chế sự ăn mòn thường xảy ra trong đúc khuôn buồng nóng. Đây là một lựa chọn lý tưởng cho các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, như nhôm và hợp kim nhôm.

Ưu điểm của Đúc khuôn

Quy trình đúc khuôn diễn ra nhanh chóng và tạo ra các bộ phận có độ chi tiết cao. Nó lý tưởng cho việc sản xuất số lượng lớn các bộ phận phức tạp và cũng có thể sản xuất các bộ phận chắc chắn với bề mặt hoàn thiện nhẵn. Khả năng sản xuất một lượng lớn các bộ phận của đúc khuôn khiến nó trở thành một quy trình quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Nhược điểm của Đúc khuôn

Vì dụng cụ và thiết bị đúc khuôn rất đắt tiền nên quy trình này không hiệu quả về chi phí đối với các lần sản xuất nhỏ hơn. Ngoài ra, khả năng uốn của kim loại được sử dụng trong quy trình có thể ảnh hưởng đến độ phức tạp của sản phẩm.

Đúc mẫu chảy

Đúc mẫu chảy là một quy trình sử dụng sáp, bùn và khuôn để sản xuất các bộ phận phức tạp. Đây là một trong những kỹ thuật đúc kim loại lâu đời nhất nhưng vẫn được đánh giá cao về khả năng tạo ra các bộ phận kim loại chính xác với hình dạng phức tạp. Quy trình này vẫn được sử dụng rộng rãi để sản xuất đồ trang sức, nha khoa và nghệ thuật. Dạng công nghiệp của nó, đúc mẫu chảy, là một cách phổ biến để tạo ra các bộ phận kim loại chính xác trong kỹ thuật và sản xuất.

Các mẫu đúc mẫu chảy thường được làm bằng sáp hoặc polyme in 3D. Các mẫu được lắp ráp thành một cấu trúc giống như cây và nhúng vào bùn silica, hoặc đặt vào bình và bao quanh bởi thạch cao lỏng để tạo khuôn đúc. Sau khi vật liệu đầu tư khô, bình được đặt lộn ngược vào lò nung, làm tan chảy mẫu, để lại một khoang âm theo hình dạng của mô hình ban đầu. Kim loại được nấu chảy và sau đó đổ, sử dụng trọng lực hoặc áp suất chân không để kéo kim loại vào khoang. Các bộ phận đúc được giũa, mài, gia công hoặc phun cát để đạt được hình dạng và bề mặt hoàn thiện cuối cùng.

Ưu điểm của Đúc mẫu chảy

Đúc mẫu chảy là một quy trình linh hoạt. Nó cho phép các nhà sản xuất tạo ra các bộ phận chính xác và có thể lặp lại từ hầu hết mọi kim loại có sẵn để đúc. Nó cũng đặc biệt phù hợp để tạo ra các hình dạng phức tạp mà các phương pháp đúc khác khó hoặc không thể thực hiện được. Các bộ phận đúc cũng có chất lượng bề mặt tuyệt vời và dung sai thấp, với yêu cầu hoàn thiện bề mặt hoặc gia công tối thiểu.

Các tính năng này làm cho đúc mẫu chảy trở nên lý tưởng cho các bộ phận phức tạp trong các ứng dụng ô tô, hàng không vũ trụ và công nghiệp, dụng cụ y tế, cấy ghép nha khoa, cũng như đồ trang sức và nghệ thuật tinh xảo.

Nhược điểm của Đúc mẫu chảy

Đúc mẫu chảy là một quy trình phức tạp và tốn nhiều công sức. Nó đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, vật liệu chịu lửa và chất kết dính đắt tiền, cũng như nhiều thao tác thủ công để tạo khuôn. Có thể khó đúc các bộ phận yêu cầu lõi và quy trình này phù hợp hơn với các bộ phận nhỏ.

Đúc cát

Đúc cát là một phương pháp đúc kim loại được sử dụng lần đầu tiên cách đây 3.000 năm nhưng vẫn là phương pháp đúc được sử dụng rộng rãi nhất cho đến ngày nay. Quy trình này cho phép các nhà sản xuất đúc kim loại mà không cần dựa vào gia công.

Trong quy trình đúc cát, trước tiên nhà sản xuất tạo ra một mẫu xưởng đúc, hoặc bản sao của vật đúc, thường là từ gỗ hoặc nhựa. Mẫu được phóng to để cho phép co ngót. Các bộ phận chỉ có các tính năng ở một bên yêu cầu khuôn mặt mở. Đối với các bộ phận có nhiều bề mặt chi tiết, nhà sản xuất tách mẫu xưởng đúc thành hai hộp khuôn để tạo thành khuôn khoang kín. Nửa trên được gọi là nắp và nửa dưới là đáy.

Khi nhà sản xuất tạo ra mẫu, họ sẽ nén chặt cát xung quanh mẫu. Sau đó, họ thêm ống phun và cổng để đảm bảo kim loại nóng chảy chảy trơn tru qua khoang khuôn. Nhà sản xuất loại bỏ mẫu sau đó kẹp hai nửa của khuôn cát lại với nhau. Khi kim loại tan chảy đến trạng thái nóng chảy, nó được đổ vào khuôn và để nguội. Từ đây, khuôn cát được loại bỏ bằng cách sử dụng rung động hoặc nước áp suất cao. Cuối cùng, nhà sản xuất tinh chỉnh bộ phận bằng cách loại bỏ ống phun và cổng, đồng thời đánh bóng bộ phận kim loại đúc.

Ưu điểm của Đúc cát

Đúc cát là một quy trình thích ứng hoạt động bên ngoài những hạn chế của máy móc. Do đó, nó có thể tạo ra các bộ phận phức tạp với hầu hết mọi kích thước. Cát không đắt và dồi dào, giúp giảm chi phí thiết lập và cho phép sửa đổi. Đây là phương pháp duy nhất khả thi về mặt kinh tế để sản xuất các vật đúc có kích thước lớn. Thời gian thực hiện đúc cát cũng ngắn, khiến nó trở thành một quy trình khả thi cho các lần sản xuất ngắn.

Tính linh hoạt của đúc cát khiến nó trở thành một lựa chọn sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp. Nó có thể sản xuất thiết bị y tế, phụ tùng ô tô, thiết bị điện tử, bình xăng và khối động cơ, v.v.

Nhược điểm của Đúc cát

Đúc cát tạo ra kim loại có kết cấu xốp cao. Sự co ngót và bề mặt hoàn thiện thô ráp cũng làm giảm độ chính xác về kích thước của các bộ phận. Điều này dẫn đến một sản phẩm cuối cùng có độ bền thấp, đòi hỏi phải xử lý hậu kỳ tốn thời gian để đạt được lớp hoàn thiện chất lượng cao hơn.

Lựa chọn quy trình đúc kim loại phù hợp

Để chọn quy trình đúc kim loại công nghiệp phù hợp, cần xem xét một số yếu tố. Chúng tôi đã tạo bảng so sánh này để giúp bạn so sánh đúc khuôn, đúc mẫu chảy và đúc cát cho các loại kim loại, khối lượng sản xuất, chi phí, thời gian sản xuất, độ phức tạp của bộ phận và ngành công nghiệp mà chúng thường được sử dụng.

	Kim loại tương thích	Khối lượng sản xuất	Chi phí đơn vị	Chi phí dụng cụ	Thời gian chu kỳ	Ngành công nghiệp
Đúc khuôn	Nhôm, đồng, chì, magiê, kẽm	Cao	Thấp	Cao	Nhanh	Ô tô, hàng không vũ trụ, sản phẩm tiêu dùng, đồ nội thất, dụng cụ điện
Đúc mẫu chảy	Hầu hết các kim loại	Thấp đến cao	Trung bình đến cao	Trung bình	Dài	Ô tô, hàng không vũ trụ, đồ trang sức, y tế, nha khoa, nghệ thuật
Đúc cát	Hầu hết các kim loại	Đơn chiếc đến trung bình	Trung bình	Thấp	Trung bình	Ô tô, hàng không vũ trụ, thiết bị công nghiệp, điện tử, sản phẩm tiêu dùng

Đúc kim loại với In 3D

Các kỹ sư, nhà thiết kế, thợ kim hoàn và những người có sở thích có thể tận dụng tốc độ và tính linh hoạt của in 3D bằng cách kết hợp các quy trình đúc như đúc mẫu chảy gián tiếp, đúc mẫu chảy trực tiếp, đúc thiếc và đúc cát với các mẫu in 3D hoặc đúc kim loại vào khuôn in 3D. Các bộ phận kim loại đúc sử dụng dụng cụ nhanh in 3D có thể được sản xuất trong một phần nhỏ thời gian đầu tư vào đúc truyền thống và với chi phí thấp hơn đáng kể so với in 3D kim loại.

Máy in 3D Stereolithography (SLA) cung cấp độ chính xác cao và thư viện vật liệu rộng phù hợp cho quy trình làm việc đúc và có thể sản xuất các bộ phận kim loại với chi phí thấp hơn, tự do thiết kế hơn và trong thời gian ngắn hơn so với các phương pháp truyền thống.

Đúc mẫu chảy Gián tiếp

Quá trình tạo mẫu từ khuôn hoặc dụng cụ được gọi là đúc mẫu chảy gián tiếp vì nó yêu cầu tạo khuôn để sản xuất mẫu ngoài khuôn mẫu chảy cuối cùng.

Khuôn cứng cho sáp (thường được gọi là dụng cụ) thường được chế tạo bằng cách gia công nhôm hoặc thép. Khuôn kim loại gia công có giá hàng nghìn đô la để sản xuất và mất hàng tuần gia công và đánh bóng trước khi có thể chạy các lần đầu tiên và các bộ phận mẫu được đánh giá trong quy trình đúc.

Với in 3D, các nhà sản xuất có thể in 3D trực tiếp khuôn cho mẫu của họ bằng cách sử dụng các vật liệu như High Temp Resin hoặc Rigid 10K Resin, nhựa có khả năng chịu nhiệt độ cao. Để có bề mặt hoàn thiện tối ưu cho các bộ phận đúc, hãy xử lý các bề mặt bên trong của khuôn bằng cách chà nhám và đánh bóng để có vẻ ngoài mịn màng hoặc phun hạt nếu muốn có vẻ ngoài mờ đồng nhất. Để đảm bảo các bộ phận đúc cuối cùng có kích thước chính xác, hãy bù lại sự co ngót bằng cách tăng tỷ lệ khuôn in. Độ co ngót chính xác của sáp và quy trình đúc có thể được lấy từ thông số kỹ thuật của nhà cung cấp.

Khuôn in 3D để đúc kim loại rút ngắn thời gian từ ý tưởng đến thử nghiệm đầu tiên chỉ còn vài ngày vì các nhà sản xuất có thể in trực tiếp các công cụ cần thiết để chạy và đánh giá các bộ phận.

Mặc dù các chi tiết đúc phải tuân theo các quy tắc thiết kế để có thể đúc được (ví dụ: không có phần cắt dưới, phần nháp là có lợi, v.v.), bạn có thể đạt được độ phức tạp của mẫu tăng lên bằng cách sử dụng đồ gá lắp ráp để kết hợp nhiều thành phần thành một cấu trúc duy nhất.

Đúc mẫu chảy Trực tiếp

Đúc mẫu chảy trực tiếp là một phiên bản của đúc mẫu chảy, trong đó quy trình chuyển trực tiếp từ tạo mẫu sang bao quanh mẫu bằng vật liệu đầu tư. Nó lý tưởng để sản xuất các bộ phận có hình dạng quá phức tạp để đúc hoặc cho các bộ phận có nhiều phần cắt dưới và chi tiết kết cấu bề mặt mịn, trong đó việc đúc là có thể nhưng phải chịu chi phí dụng cụ cao.

Theo truyền thống, các mẫu để đúc mẫu chảy trực tiếp được chạm khắc bằng tay hoặc gia công nếu bộ phận là một lần hoặc dự kiến sẽ chỉ có một số ít đơn vị. Tuy nhiên, với in 3D, các nhà sản xuất có thể in 3D trực tiếp các mẫu, loại bỏ các hạn chế về thiết kế và thời gian thường thấy trong các quy trình khác.

Với máy in 3D, các kỹ sư, nhà thiết kế và thợ kim hoàn có thể in 3D trực tiếp các mẫu để đạt được thời gian thực hiện ngắn hơn và tự do hình dạng vượt quá các hạn chế về thiết kế để sản xuất của quy trình đúc. Formlabs đã phát triển một loạt vật liệu in 3D có thể đúc phù hợp cho đúc mẫu chảy trực tiếp, đặc biệt cho đúc mẫu chảy công nghiệp và đúc đồ trang sức.

Đúc cát

Tương tự như đúc mẫu chảy, in 3D có thể được sử dụng để tạo mẫu cho đúc cát.

So với các vật liệu truyền thống như gỗ, in 3D cho phép các nhà sản xuất tạo ra các hình dạng phức tạp và đi thẳng từ thiết kế kỹ thuật số đến đúc.

Đúc thiếc

Thiếc là một hợp kim kim loại dễ uốn với nhiệt độ nóng chảy thấp có thể được sử dụng để làm các vật thể hoàn toàn bằng kim loại cho các ứng dụng trang trí như mô hình kim loại thu nhỏ chi tiết, đồ trang sức, mô hình tỷ lệ và bản sao đồ cổ.

Với những phát triển gần đây trong vật liệu in 3D chịu nhiệt độ, như High Temp Resin cho máy in 3D SLA Formlabs, giờ đây có thể in 3D khuôn để đúc thiếc trực tiếp.

Có hai tùy chọn cho thiết kế khuôn: khuôn hy sinh hoặc khuôn kéo ra. Trong khuôn hy sinh, có một lớp vỏ được thiết kế để vỡ ra trong quá trình. Khuôn kéo ra hoạt động với các nửa riêng biệt để có thể tái sử dụng khuôn.

So với in kim loại trực tiếp, đúc thiếc trong khuôn in 3D mang lại độ chi tiết và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn đáng kể với một phần nhỏ chi phí. So với đúc sáp, in 3D trực tiếp một khuôn có ít bước hơn và yêu cầu ít công sức thủ công hơn, đồng thời vẫn giữ được nhiều chi tiết nhất có thể.

Khi nào nên kết hợp In 3D và Đúc Kim Loại

Đúc kim loại kết hợp với in 3D là một giải pháp hiệu quả cho các doanh nghiệp muốn tăng cường tự do thiết kế, giảm chi phí và rút ngắn thời gian sản xuất

Một số loại vật đúc kim loại phức tạp, chẳng hạn như hình dạng lớn có mặt cắt ngang và các mảnh có nhiều lõi, rất khó tạo bằng phương pháp đúc kim loại truyền thống. In 3D cho phép các nhà sản xuất tạo ra những thiết kế phức tạp này. Ví dụ: các xưởng đúc hoặc thợ kim hoàn có thể tạo ra các thiết kế phức tạp và tùy chỉnh mà có thể không thể thực hiện được nếu không có mẫu in 3D.

In 3D cũng loại bỏ sự phụ thuộc vào nhiều máy móc hoặc nhà cung cấp dịch vụ để tạo ra các bộ phận. Thay vào đó, các công ty chỉ cần một tệp kỹ thuật số, một máy in 3D và vật liệu in. Điều này có thể cắt giảm chi phí và lãng phí, vì tất cả các vật liệu được sử dụng đều đi vào sản phẩm cuối cùng.

Cuối cùng, sự kết hợp giữa in 3D với đúc kim loại có thể cắt giảm chi phí và thời gian thực hiện. Thay vì phải chờ hàng tuần để có dụng cụ đắt tiền trước khi có thể đúc sản phẩm cuối cùng, máy in 3D có thể tạo ra mẫu hoặc khuôn trong vài giờ.

Diversified Metalsmiths, Inc. đã kết hợp các công nghệ hiện đại vào quy trình đúc kim loại của họ để giảm chi phí, cải thiện thời gian thực hiện và tăng tính nhanh nhẹn. Với máy in 3D stereolithography (SLA) Form Series và Clear Cast Resin, Diversified đã có thể in các mẫu trong nhà một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, mà không cần thay đổi quy trình đúc hoặc dựa vào các nhà cung cấp bên ngoài.

---

“Lý do chính khiến chúng tôi mua 3L là chi phí mẫu… Ngay cả khi khấu hao 3L và thiết bị liên quan, chúng tôi sẽ ít nhất hòa vốn về chi phí cho đơn đặt hàng hiện tại của mình và tiết kiệm hơn 200 đô la cho mỗi bộ phận cho các đơn đặt hàng sắp tới. Có rất ít sự khác biệt trong quy trình của chúng tôi, cả trước và sau khi đúc, giữa các mẫu PMMA và Clear Cast Resin SLA.”

John Farr, Phó Giám đốc Công nghệ Diversified Metalsmiths

---

Máy in 3D để Đúc kim loại

Đúc kim loại kết hợp với in 3D giúp các công ty tạo ra các bộ phận kim loại một cách nhanh chóng và hiệu quả. Với máy in 3D SLA Formlabs, bạn có thể đẩy nhanh quy trình đúc kim loại và cắt giảm chi phí.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về công nghệ và các dòng máy in 3d hãy liên hệ ngay với chuyên gia của Thinksmart để được giải đáp chi tiết nhé!