Giải Thích Chi Tiết Về In 3D Bằng Sợi Carbon

Tìm hiểu cách in 3D kết hợp với sức mạnh và độ bền của sợi carbon, đồng thời xem máy in 3D sợi carbon nào làm điều đó tốt nhất.

Khi bạn cần các đặc tính cơ học tuyệt vời, trọng lượng nhẹ và độ bền trong các bộ phận hoặc sản phẩm của mình, sợi carbon là tiêu chuẩn vàng để đạt được chính xác điều đó. Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng tuyệt vời của nó làm cho nó trở thành vật liệu phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật hiệu suất cao, công cụ cửa hàng, đồ gá và đồ đạc trong nhà máy, nguyên mẫu thân xe ô tô, v.v.

Phổ biến từ những năm 1960, in 3D bằng sợi carbon gần đây đã được chú ý như một vật liệu mang lại cho các bộ phận nhựa độ bền và khả năng chống chịu nhiệt, hóa chất và ăn mòn ở cấp độ kim loại của các bộ phận nhựa.

Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu đúng và đầy đủ về in 3D carbon, từ khái niệm sợi carbon là gì, các công nghệ in phổ biến, các loại nhựa carbon (PLA-CF, PETG-CF…), cho đến cách lựa chọn máy in 3D sợi carbon phù hợp.

Sợi carbon là gì? Carbon fiber trong in 3D

Sợi carbon (carbon fiber) là các sợi cực mảnh, có đường kính chỉ khoảng 5–10 micromet, được cấu tạo chủ yếu từ nguyên tử carbon liên kết theo cấu trúc tinh thể. Nhờ cấu trúc này, sợi carbon có độ bền kéo và độ cứng rất cao trong khi trọng lượng lại nhẹ hơn nhiều so với kim loại như thép hoặc nhôm.

Trong in 3D, carbon không được sử dụng ở dạng nguyên khối. Thay vào đó, sợi carbon được dùng để gia cường cho nhựa polymer, tạo thành vật liệu composite. Carbon trong in 3D thường tồn tại dưới ba dạng chính: sợi carbon cắt ngắn trộn trong filament FDM, sợi carbon liên tục được gia cường có định hướng, và sợi carbon trộn trong bột polymer dùng cho công nghệ SLS.

Thế Nào Là In 3D bằng sợi carbon ?

In 3D sợi carbon là một thuật ngữ chung cho quá trình in 3D sử dụng vật liệu sợi carbon cắt nhỏ hoặc liên tục được nhúng trong bột hoặc sợi polyme. Vật liệu in 3D “cơ bản” mà sợi carbon được truyền vào có thể là Nylon, PEEK hoặc nhiều loại polyme khác và lượng sợi carbon trong vật liệu này sẽ khác nhau. Vì vật liệu là sợi carbon với polyme nên thỉnh thoảng bạn sẽ nghe thấy loại in 3D này được gọi là in 3D “tổng hợp”.

Hai công nghệ in chính với vật liệu in 3d sợi carbon 

• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Selective Laser Sintering (SLS)

Cần phải biết rằng in 3D carbon không có nghĩa là in bằng carbon nguyên chất, mà là in bằng nhựa gia cường sợi carbon (carbon fiber–reinforced polymer), trong đó nhựa đóng vai trò tạo hình còn sợi carbon đảm nhiệm vai trò tăng cường cơ tính.

Vì sao sợi carbon được sử dụng trong in 3D?

Sợi carbon được sử dụng trong in 3D chủ yếu nhờ tỷ lệ bền trên trọng lượng vượt trội. Khi được gia cường vào nhựa, vật liệu tạo ra có khả năng chịu lực cao nhưng vẫn giữ được trọng lượng nhẹ, rất phù hợp cho các chi tiết cần tối ưu cả hiệu năng cơ học lẫn khối lượng.

Bên cạnh đó, nhựa gia cường sợi carbon có tiềm năng thay thế kim loại trong nhiều ứng dụng thực tế như jig, fixture, đồ gá sản xuất và các nguyên mẫu chức năng. Trong nhiều trường hợp, các chi tiết in carbon đủ bền để sử dụng trực tiếp mà không cần gia công kim loại truyền thống.

So với nhựa in 3D thông thường, nhựa carbon có độ cứng cao hơn, ổn định kích thước tốt hơn và ít biến dạng hơn, đặc biệt trong môi trường nhiệt độ hoặc tải trọng cao. Đây chính là lý do vật liệu carbon ngày càng được ưa chuộng trong in 3D công nghiệp và kỹ thuật.

Các công nghệ in 3D sợi carbon phổ biến hiện nay

Sử dụng cộng nghệ in 3D FDM vật liệu carbon

In 3D FDM là phương pháp linh hoạt và dễ tiếp cận nhất để chế tạo các bộ phận bằng sợi carbon. Có nhiều biến thể giữa các máy in và loại vật liệu có thể tạo ra sự khác biệt trong sản phẩm cuối cùng của bạn.

Filament sợi carbon có thể được sử dụng trên nhiều loại máy in 3D FDM miễn là bạn sử dụng vòi phun bằng thép cứng. Các sợi chứa các hạt sợi carbon hoạt động theo cách tương tự tất cả các loại nhựa khác: nhiệt từ máy đùn làm cho sợi nhựa mềm dẻo và cũng sắp xếp các sợi carbon theo hướng in, mang lại độ bền và độ cứng cho bản in cuối cùng.

Phương pháp in sợi carbon thứ hai là continuous carbon fiber (sợi carbon liên tục), sử dụng vòi phun đùn kép. Một đầu đùn in một lớp sợi carbon liên tục, trong khi đầu còn lại in một lớp vật liệu khác. Phương pháp này tạo ra các bộ phận bền hơn so với việc sử dụng các sợi carbon được cắt nhỏ và cung cấp sự phân bố tải trọng ổn định hơn. Đó là lý tưởng cho các bộ phận không yêu cầu sợi carbon xuyên suốt mà thay vào đó, gia cố ở những khu vực cụ thể – chẳng hạn như chỉ ở bức tường bên ngoài.

Một phiên bản khác của phương pháp này là continuous fiber coextrusion, trong đó vật liệu nhựa và sợi liên tục được hợp nhất bên trong máy đùn.

Điều rất thú vị về hai phương pháp này là tùy thuộc vào infill (kết cấu bên trong) và lớp tường, các đặc tính vật liệu có thể tùy chỉnh mà không làm thay đổi hình dạng tổng thể của nó.

In 3D sợi carbon liên tục

In 3D sợi carbon liên tục sử dụng sợi carbon không bị cắt, được đặt trực tiếp vào chi tiết trong quá trình in. Công nghệ này cho phép gia cường có định hướng, giúp tăng đáng kể khả năng chịu lực của chi tiết.

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là khả năng gia cố theo vùng chịu lực, chỉ đặt sợi carbon tại các khu vực quan trọng như gân chịu tải hoặc thành ngoài, thay vì gia cường toàn bộ chi tiết.

Công nghệ sợi carbon liên tục thường được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật cao, nơi yêu cầu độ bền gần với vật liệu gia công truyền thống.

Công nghệ in 3D SLS với bột sợi carbon

In 3D SLS sử dụng tia laser công suất cao để kết hợp vật liệu nhựa dạng bột với nhau thành hình dạng 3D từng lớp một. Nó có thể tạo ra các bộ phận có chi tiết tinh xảo, mạnh mẽ, bền bỉ và chịu nhiệt cùng một lúc. Carbon fiber Nylon (sợi carbon-PA) là một trong những vật liệu phổ biến nhất để in 3D SLS.

Ni lông chứa sợi carbon có xu hướng biến dạng cao, có nghĩa là các đặc tính của vật liệu sẽ thay đổi tùy theo hướng của bộ phận trong quá trình in vì các sợi nhỏ sẽ thẳng hàng với cách bột được trải trên nền bàn in. Ví dụ: độ bền kéo theo hướng này sẽ cao hơn nhiều so với hai hướng còn lại, vì vậy hướng đặt in của bộ phận rất quan trọng và là điều mà phần mềm slice của bạn sẽ cảnh báo cho bạn.

Bột sợi carbon SLS từng đắt tiền, nhưng các loại máy để bàn mới và giá cả phải chăng hơn với bột độc quyền đã được đưa vào thị trường. Đừng bỏ lỡ hướng dẫn của chúng tôi về máy in 3D sợi carbon cỡ để bàn tốt nhất.

Các loại nhựa in 3D carbon phổ biến hiện nay

PLA trộn carbon (PLA-CF)

PLA trộn carbon (PLA-CF) là nhựa PLA được pha sợi carbon cắt ngắn (thường khoảng 10–20%) nhằm tăng độ cứng và độ ổn định kích thước. So với PLA thuần, PLA-CF ít cong vênh hơn, co rút thấp và cho bề mặt mờ, che layer tốt, phù hợp với các chi tiết mang tính kỹ thuật.

Tuy nhiên, do nền vẫn là PLA, PLA-CF có khả năng chịu nhiệt thấp và khá giòn, không phù hợp cho các chi tiết chịu tải lớn hoặc làm việc trong môi trường nhiệt cao. Khi in cần dùng nozzle thép cứng vì sợi carbon gây mài mòn đầu phun.

Ứng dụng phù hợp: jig nhẹ, vỏ kỹ thuật, nguyên mẫu hình dáng, chi tiết cần độ chính xác kích thước.

PETG trộn carbon (PETG-CF)

PETG-CF kết hợp độ dẻo, khả năng chịu ẩm và kháng hóa chất của PETG với độ cứng của sợi carbon. So với PLA-CF, PETG-CF chịu nhiệt và va đập tốt hơn, ổn định hơn khi dùng ngoài trời hoặc trong môi trường xưởng.

Vật liệu này cứng hơn PETG thuần, ít “mềm đàn hồi”, đồng thời vẫn tương đối dễ in. Nhược điểm là có thể bị stringing nếu chưa tối ưu thông số và vẫn cần nozzle chống mài mòn.

Ứng dụng phù hợp: jig, fixture dùng thực tế, vỏ bảo vệ, nguyên mẫu chức năng.

Nylon-CF và PEEK-CF

Nylon-CF và PEEK-CF là nhóm nhựa kỹ thuật cao gia cường sợi carbon, hướng đến các ứng dụng cơ khí và công nghiệp.

• Nylon-CF: cứng và ổn định hơn nylon thuần, chịu mỏi tốt, phù hợp cho đồ gá, ngàm kẹp, chi tiết cơ khí. Đổi lại, vật liệu nhạy ẩm, cần sấy filament và máy in buồng kín.
• PEEK-CF: vật liệu cao cấp, chịu nhiệt và hóa chất rất tốt, dùng trong hàng không, y sinh, công nghiệp nặng. Yêu cầu máy in chuyên dụng nhiệt độ rất cao và chi phí lớn.

Carbon resin trong in 3D

Carbon resin là resin pha phụ gia carbon dùng cho công nghệ in SLA/DLP, khác hoàn toàn với filament sợi carbon. Carbon trong resin không tạo gia cường theo hướng chịu lực, mà chủ yếu để tăng độ cứng bề mặt, giảm biến dạng hoặc tạo tính chất đặc thù (màu đen, dẫn điện…).

Carbon resin phù hợp với chi tiết nhỏ, độ chính xác cao, bề mặt mịn, khuôn mẫu hoặc linh kiện điện tử, không dùng cho chi tiết chịu tải cơ học lớn.

Giá thành của Filament sợi carbon

Điều này, tất nhiên, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Ở phân khúc giá rẻ, một cuộn dây tóc CFF nặng 1 kg sẽ tiêu tốn của bạn khoảng 50 đô la. Chênh lệch này không quá lớn so với các sợi tiêu chuẩn trong thế giới FDM để bàn. Tất nhiên, mức giá này có thể bùng nổ nhanh chóng, với một cuộn dây tóc Onyx của Markforged nặng 800 gram được bán lẻ ở mức 230 đô la.

Có rất nhiều loại khi nói đến in 3D bằng sợi carbon và giá cả có thể nhanh chóng tăng lên khi ống chỉ cần đi kèm với máy in chuyên dụng, vì vậy hãy đảm bảo bạn hiểu chính xác những yêu cầu cơ tính mà các bộ phận của bạn cần đáp ứng để không bị hoang phí. Hướng dẫn về filament sợi carbon của chúng tôi là một khởi đầu tuyệt vời vì nó liệt kê các yêu cầu cụ thể về vật liệu đối với nhiều loại sợi filament carbon cắt nhỏ.

Ưu điểm của in 3D bằng sợi carbon

• Siêu bền và cứng: Sợi carbon gia cố làm tăng đáng kể độ bền kéo, độ cứng và khả năng chịu tải của vật liệu, cho phép tạo ra các bộ phận có sức mạnh tương đương kim loại nhưng nhẹ hơn nhiều (có thể thay thế nhôm hoặc thép).
• Nhẹ hơn: Giúp giảm trọng lượng tổng thể của sản phẩm, cực kỳ quan trọng trong hàng không vũ trụ, ô tô và robot, tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
• Chịu nhiệt tốt: Các vật liệu như Nylon-Carbon (PA-CF) hay PEEK-CF có thể chịu nhiệt độ cao (200-300°C), lý tưởng cho môi trường động cơ, công nghiệp.
• Ổn định kích thước: Ít bị co ngót và biến dạng (warping) hơn các loại nhựa thông thường, đảm bảo độ chính xác kích thước cao, bề mặt hoàn thiện đẹp mờ chuyên nghiệp.
• Tự do thiết kế: Công nghệ in 3D cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp, kết cấu mạng lưới (lattice) hoặc các chi tiết có tính dị hướng (anisotropic), điều mà gia công truyền thống khó thực hiện.
• Chống hóa chất: Có khả năng kháng hóa chất tốt, tăng độ bền và tuổi thọ sản phẩm trong môi trường hóa chất, theo

Ứng dụng thực tế của in 3D carbon

In 3D sợi carbon ứng dụng rộng rãi tạo ra các bộ phận cơ khí siêu nhẹ, siêu bền cho hàng không vũ trụ (giá đỡ, linh kiện máy bay) và ô tô (khung gầm, chi tiết động cơ), giúp giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu. Nó còn tạo ra các sản phẩm thể thao tùy biến (khung vợt, phụ kiện), robot, drone và nguyên mẫu chức năng, thay thế kim loại, mang lại độ cứng cao và khả năng chống ăn mòn. 

• Hàng không & Ô tô: Chế tạo linh kiện phức tạp, nhẹ hơn, giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải.

• Thiết bị công nghiệp: Sản xuất đồ gá, dụng cụ, chi tiết máy chịu lực cao, bền bỉ hơn.

• Thể thao & Tiêu dùng: Làm mũ bảo hiểm tùy chỉnh (giảm chấn), khung xe đạp, phụ kiện thể thao siêu nhẹ.
• Robot & Drone: Tạo khung, cánh tay robot, thân drone nhẹ, cứng cáp.
• Y tế: Tạo mô hình giải phẫu, khuôn mẫu y khoa tùy chỉnh, sử dụng vật liệu gia cố sợi carbon để tăng độ bền.
• Năng lượng: Chế tạo các cấu trúc tế bào quang điện phức tạp cho pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao.

Điều Kiện Để Máy In 3D FDM In Được Sợi Carbon

Về bản chất, bất kỳ máy in 3D FDM nào cũng có thể in được vật liệu sợi carbon, miễn là đáp ứng đúng các điều kiện kỹ thuật cần thiết. Sợi carbon trong in 3D thường tồn tại dưới dạng sợi carbon cắt ngắn trộn trong filament nhựa (PLA-CF, PETG-CF, Nylon-CF), do đó quá trình in vẫn tuân theo nguyên lý FDM thông thường.

Đầu nozzle chống mài mòn – điều kiện bắt buộc

Sợi carbon có tính mài mòn rất cao. Nếu sử dụng nozzle đồng thau tiêu chuẩn, đầu phun sẽ nhanh chóng bị mòn, dẫn đến sai lệch kích thước, giảm chất lượng bề mặt và mất ổn định trong quá trình in.

Vì vậy, để in được sợi carbon, máy in 3D FDM bắt buộc phải trang bị nozzle chống mài mòn, chẳng hạn như:

• Nozzle thép cứng
• Nozzle carbide
• Nozzle ruby

Chỉ cần đáp ứng điều kiện này, mọi máy in FDM đều có thể in PLA-CF và PETG-CF ở mức cơ bản.

Buồng in và kiểm soát nhiệt

Với các vật liệu sợi carbon ở mức cao hơn như Nylon-CF, ngoài nozzle phù hợp, máy in cần:

• Buồng in kín để ổn định nhiệt
• Nhiệt độ nozzle đủ cao
• Kiểm soát tốt độ ẩm filament

Điều này giúp giảm cong vênh, tăng độ bám lớp và cải thiện độ bền cơ học của chi tiết in.

Một Số Mẫu Máy In 3D Sợi Carbon Để Bàn (Máy In 3D FDM)

Hầu hết các máy in FDM mới hiện này đề có thể in các vật liệu Carbon chỉ cần cung cấp thêm nozzle phù hợp. Meme 3D đề xuất các dòng máy in 3D mới nhất của Bambu Lab được ra mắt năm nay

Bambu Lab H2C

Bambu Lab H2C phù hợp với người dùng cần in sợi carbon thường xuyên, đồng thời kết hợp in nhiều vật liệu khác nhau trong cùng một quy trình. Buồng in kín và hệ thống kiểm soát nhiệt chủ động giúp H2C duy trì môi trường in ổn định, hạn chế cong vênh khi in PLA-CF, PETG-CF và PA-CF.

Khác với các máy FDM phổ thông, H2C được thiết kế để giảm gián đoạn khi đổi vật liệu, từ đó giảm lượng nhựa thải và thời gian chờ, đặc biệt hữu ích khi in các chi tiết kỹ thuật có nhiều phần chức năng khác nhau. Với nozzle thép cứng phù hợp, H2C đáp ứng tốt nhu cầu in jig, fixture và prototype kỹ thuật sử dụng sợi carbon.

Phù hợp với:

• In sợi carbon kết hợp đa vật liệu
• Xưởng thiết kế, R&D
• Jig – fixture và prototype chức năng

Bambu Lab P2S

Bambu Lab P2S hướng đến trải nghiệm in mượt mà và ổn định ở tốc độ cao. Với buồng in được gia nhiệt và khả năng kiểm soát luồng khí tốt, P2S xử lý hiệu quả các vật liệu PLA-CF và PETG-CF, đặc biệt trong các trường hợp cần in nhanh hoặc sản xuất mẫu liên tục.

Việc hỗ trợ nozzle chống mài mòn giúp P2S tránh được các vấn đề thường gặp khi in sợi carbon như mòn đầu phun hoặc sai lệch kích thước theo thời gian. So với dòng H, P2S không tập trung vào các vật liệu kỹ thuật cao cấp nhất, nhưng lại là lựa chọn dễ tiếp cận cho người dùng muốn bắt đầu in sợi carbon một cách bài bản.

Bambu Lab H2D

Bambu Lab H2D là dòng máy cao cấp nhất trong hệ H-Series, phù hợp với các dự án phức hợp, đa công đoạn. Với đầu in kép, H2D cho phép kết hợp vật liệu sợi carbon với support chuyên dụng hoặc vật liệu mềm, giúp tối ưu chi phí và chất lượng bề mặt cho các chi tiết khó.

Buồng in nhiệt độ cao và hotend công suất lớn giúp H2D xử lý tốt các vật liệu carbon-reinforced polymer, đặc biệt trong các ứng dụng cần độ ổn định cơ học cao và kích thước lớn. Ngoài in 3D, H2D còn phù hợp cho các xưởng muốn tích hợp thêm laser hoặc cắt kỹ thuật số trong cùng một hệ thống.

Phần mềm cho máy in 3D sợi carbon

Tất cả các máy in 3D đều yêu cầu phần mềm vận hành để biến mô hình 3D kỹ thuật số của bạn thành các hướng dẫn để máy làm theo. Nếu bạn đã sử dụng máy in 3D FDM, bạn sẽ quen với khái niệm này. Trong trường hợp in sợi nhựa đã cắt nhỏ, phần mềm trên với máy tính của bạn sẽ có thể hoàn thành công việc, miễn là máy in của bạn đáp ứng các thông số kỹ thuật của sợi nhựa.

Với các vật liệu và công nghệ tiên tiến hơn, phần mềm cắt lát tiêu chuẩn có thể không hoạt động, đơn giản vì phần mềm này không được thiết kế để cho phép các thông số dành riêng cho vật liệu như carbon fiber reinforcement strategies. Ví dụ, Markforged cung cấp phần mềm quản lý thông số dựa trên điện toán đám mây độc quyền Eiger cho mọi máy in. Gần đây, phần mềm kết hợp thử nghiệm ảo thông qua mô phỏng. Thay vì kiểm tra độ bền của bộ phận sau khi thực tế, công cụ này hiện cung cấp quy trình xác thực và tối ưu hóa gia cố sợi carbon thông minh trước khi in và xuất file in chỉ bằng một nút nhấn.

Trên đây là tổng quản về máy in 3d sợi carbon, nếu bạn có bất kì thắc mắc nào có thể liên hệ với https://www.meme3d.com/ để được chuyên gia, kĩ thuật viên của chúng tôi giải đáp mọi thắc mắc liên quan.