Một mô hình CAD đẹp trên màn hình chưa chắc in 3D ra dùng được. Muốn chi tiết in đúng kích thước, đủ bền và lắp vừa, bạn cần chú ý ba khâu: xuất lưới đúng độ mịn và đơn vị, thiết kế theo giới hạn của công nghệ in (thành tối thiểu, phần nhô, chi tiết nhỏ), và tính trước khe hở lắp cùng hướng in.
In 3D đã trở thành công cụ quen thuộc ở nhiều xưởng cơ khí nhỏ: in đồ gá, cữ kiểm, mẫu thử lắp, vỏ che, chi tiết thay thế tạm. Bài này dành cho người dựng mô hình CAD muốn đưa chi tiết sang máy in mà không phải in đi in lại nhiều lần. Nội dung viết theo nguyên lý chung, các con số chỉ là khoảng tham khảo vì mỗi máy, mỗi loại vật liệu, mỗi thiết lập cho kết quả khác nhau.
Từ mô hình CAD tới máy in: lỗi nảy sinh ở đâu
Chuỗi công việc gồm bốn chặng. Mô hình CAD dạng khối có bề mặt toán học chính xác được xuất thành lưới tam giác, thường là tệp STL hoặc 3MF. Phần mềm cắt lớp (slicer) đọc lưới, chia thành các lớp mỏng, tính đường đi của đầu phun hoặc tia sáng, rồi xuất ra mã máy. Máy in chạy mã đó, và chi tiết sau khi in thường cần gỡ giá đỡ, làm sạch, có khi xử lý thêm.
Mỗi chặng có lỗi riêng. Ở chặng xuất lưới, lỗi hay gặp là lưới quá thô làm lỗ tròn thành đa giác, hoặc sai đơn vị làm chi tiết to nhỏ bất thường. Ở chặng cắt lớp, thiết lập sai làm thành mỏng biến mất hoặc phần nhô bị chảy. Ở chặng in, vật liệu co ngót làm kích thước lệch và chi tiết cong vênh.
Người làm CAD kiểm soát được nhiều nhất ở chặng đầu và ở chính thiết kế. Một mô hình được dựng có tính tới công nghệ in sẽ ít phụ thuộc vào tay nghề người chỉnh máy hơn. Đây là ý của khái niệm thiết kế cho chế tạo, áp dụng riêng cho in 3D.
Xuất lưới đúng cách
Độ mịn lưới. Khi xuất, phần mềm CAD cho chỉnh độ lệch dây cung (khoảng cách lớn nhất giữa bề mặt thật và mặt tam giác) và góc lệch. Lưới quá thô làm lỗ và mặt cong bị góc cạnh; quá mịn làm tệp nặng mà máy in không thể hiện được chi tiết nhỏ đến thế. Nên chọn mức mịn hơn độ chính xác của máy một chút.
Đơn vị. Tệp STL không lưu đơn vị, chỉ lưu con số. Mô hình vẽ theo mi-li-mét có thể bị phần mềm cắt lớp hiểu là inch hoặc ngược lại. Tệp 3MF có lưu đơn vị và thêm thông tin như màu, vật liệu, nên nhiều phần mềm hiện nay khuyên dùng 3MF.
Lưới kín. Lưới phải kín, không có lỗ hở, không có mặt chồng lên nhau, không có cạnh dùng chung cho hơn hai mặt. Mô hình khối dựng đúng trong CAD thường xuất ra lưới kín; lỗi hay xuất phát từ mô hình nhập từ nơi khác hoặc dựng bằng mặt.
Một tệp hay nhiều tệp. Cụm nhiều chi tiết nên xuất mỗi chi tiết một tệp, hoặc dùng tệp 3MF giữ được nhiều vật thể. Xuất cả cụm thành một khối lưới làm các chi tiết dính vào nhau khi in.
Đặt tên tệp theo phiên bản. Đồ gá in đi in lại vài lần để chỉnh, tên tệp nên có phiên bản và ngày để không in nhầm bản cũ.
Xem từng lớp trước khi bấm in. Sau khi nạp tệp vào phần mềm cắt lớp, dùng chế độ xem trước theo lớp để soát những chỗ dễ hỏng: thành mỏng có còn đường đùn không, phần nhô có giá đỡ chưa, lỗ nhỏ có bị lấp. Năm phút xem trước rẻ hơn nhiều so với một mẻ in hỏng giữa đêm, nhất là với chi tiết in mất nhiều giờ.
Quy tắc thiết kế theo công nghệ in
Ba công nghệ phổ biến ở xưởng và dịch vụ in tại Việt Nam có giới hạn khác nhau. Bảng dưới ở mức nguyên lý; giới hạn cụ thể cần tra hướng dẫn của máy và vật liệu, hoặc in mẫu thử.
| Công nghệ | Thành và chi tiết nhỏ | Phần nhô | Lưu ý riêng |
|---|---|---|---|
| Đùn sợi nhựa (FDM) | Thành nên là bội số bề rộng đường đùn, thường gấp hai đến ba lần cỡ đầu phun | Thường cần giá đỡ khi nghiêng quá khoảng 45 độ so với phương đứng | Yếu theo phương chồng lớp; dễ cong vênh với vật liệu co nhiều |
| Nhựa lỏng đóng rắn bằng ánh sáng (SLA, DLP) | Chi tiết rất mảnh, bề mặt mịn | Cần giá đỡ, vị trí đỡ ảnh hưởng bề mặt | Khối rỗng cần lỗ thoát nhựa; nhựa lỏng cần găng tay và thông gió |
| Thiêu kết bột (SLS, MJF) | Thành tối thiểu lớn hơn SLA | Không cần giá đỡ vì bột xung quanh đỡ | Khối rỗng cần lỗ thoát bột; thường đặt in qua dịch vụ |
Ngoài ba điều trên, chi tiết in nên tránh thành quá dày đặc vì tốn vật liệu, lâu và dễ co ngót không đều. Với FDM, mật độ điền bên trong và số lớp vỏ chỉnh ở phần mềm cắt lớp; thiết kế CAD chỉ cần đảm bảo thành đủ dày cho số lớp vỏ mong muốn.
Khe hở lắp cho chi tiết in
Chi tiết in hiếm khi đúng kích thước danh nghĩa như chi tiết phay. Lỗ thường in nhỏ hơn thiết kế, trục in to hơn, do bề rộng đường đùn, co ngót và độ phân giải lưới. Cách đáng tin nhất là đo trên chính máy của bạn.
- Dựng một mẫu thử khe hở: một tấm có dãy lỗ và một dãy chốt, chênh nhau theo các bước nhỏ, ví dụ giả định từ 0,1 đến 0,6 mi-li-mét.
- In mẫu thử bằng đúng vật liệu, đúng thiết lập và đúng hướng sẽ dùng cho chi tiết thật.
- Thử lắp từng cặp, ghi lại khe hở cho lắp trượt nhẹ, lắp ấn tay, lắp chặt.
- Lưu kết quả thành bảng của xưởng theo máy và vật liệu, kèm ngày thử.
- Khi dựng chi tiết, áp khe hở theo bảng đó. Lỗ cần chính xác cao nên thiết kế nhỏ hơn rồi khoan doa lại sau khi in.
- Với ren, cân nhắc dùng ống ren cấy nhiệt hoặc hốc chứa đai ốc thay vì in ren trực tiếp, vì ren nhựa in mòn nhanh khi tháo lắp nhiều lần.
Bảng khe hở tự đo của xưởng có giá trị hơn bất kỳ con số nào trên mạng, vì nó gắn với chính máy và vật liệu bạn dùng. Khi đổi cuộn vật liệu khác hãng hoặc đổi đầu phun, in lại mẫu thử.
Hướng in và độ bền
Với FDM, chi tiết in yếu nhất theo phương chồng lớp, vì liên kết giữa hai lớp kém hơn liên kết dọc sợi nhựa. Chọn hướng in vì thế là quyết định thiết kế chứ không chỉ là thao tác trên phần mềm cắt lớp.
- Đặt chi tiết sao cho lực chính tác dụng dọc theo lớp chứ không kéo tách các lớp ra. Ví dụ, một móc treo in đứng dễ gãy ngang lớp hơn móc in nằm.
- Mặt cần phẳng và chính xác nên đặt áp xuống bàn in hoặc hướng lên trên, tránh đặt vào chỗ có giá đỡ.
- Lỗ tròn in theo trục đứng tròn đều hơn lỗ in nằm ngang; lỗ ngang có thể thiết kế đỉnh nhọn dạng giọt nước để khỏi cần giá đỡ.
- Góc trong nên có bán kính lượn để giảm tập trung ứng suất, như với chi tiết kim loại.
- Gân và vách nên chạy theo hướng giúp in liền mạch, tránh những đảo nhỏ lơ lửng.
- Chi tiết dài mảnh dễ cong vênh; chia đoạn và ghép bằng chốt có khi tốt hơn in liền.
Nếu chưa chắc hướng nào tốt, in hai bản theo hai hướng và thử bằng tay cũng là một cách kiểm rẻ và nhanh.
In 3D trong xưởng cơ khí: dùng đúng chỗ
Chi tiết in nhựa hợp với đồ gá định vị nhẹ, cữ kiểm tra nhanh, mẫu thử lắp trước khi gia công kim loại, nắp che, giá treo dụng cụ, chi tiết thay thế tạm trong khi chờ hàng. Lợi ích lớn nhất là thời gian: một đồ gá in qua đêm có thể thay cho đồ gá phay mất cả ngày, và sửa thiết kế rồi in lại rất rẻ.
Chi tiết in nhựa không nên dùng cho bộ phận chịu lực liên quan tới an toàn, bộ phận làm việc ở nhiệt độ cao gần vùng cắt hoặc mô tơ nóng, bộ phận tiếp xúc dầu, dung dịch tưới nguội mà chưa kiểm khả năng chịu hoá chất của vật liệu. Đồ gá in phải được kiểm không cản trở che chắn máy và không làm phôi bị kẹp lỏng khi cắt.
An toàn khi vận hành máy in cũng cần lưu ý: máy đùn sợi phát ra khói và hạt siêu mịn tuỳ vật liệu, nên đặt nơi thông gió, không đặt sát chỗ ngồi làm việc cả ngày. Nhựa lỏng của máy SLA gây kích ứng da, cần găng tay, kính và quy trình xử lý chất thải theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
AI giúp gì trong khâu chuẩn bị in
Chatbot giải thích tốt nguyên nhân lỗi in khi bạn mô tả hiện tượng: lớp bị tách, góc bị cong, thành có lỗ, phần nhô bị rủ. Nó cũng soạn được danh sách kiểm trước khi in theo công nghệ và vật liệu bạn dùng. Kết quả nên đối chiếu với hướng dẫn của nhà sản xuất máy và vật liệu, vì thiết lập khác nhau nhiều giữa các dòng máy.
Một việc rất hợp với AI là viết mã dựng mẫu thử. Câu lệnh mẫu: "Viết mã OpenSCAD dựng một tấm thử khe hở gồm sáu lỗ đường kính danh nghĩa 8 mi-li-mét và sáu chốt tương ứng, khe hở tăng dần từ 0,1 đến 0,6, mỗi cặp có khắc số thứ tự nổi. Tất cả kích thước là biến ở đầu tệp." Bạn mở mã, xem trước hình, kiểm kích thước rồi mới xuất lưới.
AI cũng tính nháp được khối lượng và thời gian in từ thể tích bạn đưa, nhưng phần mềm cắt lớp ước lượng chính xác hơn. Nếu mô hình là sản phẩm của khách, đừng tải lên dịch vụ ngoài để nhờ kiểm lưới khi chưa được phép; các công cụ sửa lưới chạy trên máy cục bộ thường đã đủ dùng.
Câu hỏi thường gặp
Nên xuất STL hay 3MF?
Nếu phần mềm cắt lớp hỗ trợ, 3MF tiện hơn vì lưu đơn vị, nhiều vật thể, màu và một số thiết lập. STL vẫn phổ biến nhất và tương thích rộng nhất. Khi gửi STL cho người khác, ghi rõ đơn vị trong tên tệp hoặc lời nhắn.
Vì sao lỗ in ra luôn nhỏ hơn thiết kế?
Do bề rộng đường đùn, cách phần mềm cắt lớp tính đường biên, co ngót vật liệu và lưới xấp xỉ lỗ tròn bằng đa giác. Cách xử lý là in mẫu thử để biết mức bù trên máy của bạn, hoặc thiết kế nhỏ hơn rồi khoan doa lại.
Chi tiết in nhựa có thay được chi tiết thép không?
Chỉ trong một số trường hợp tải nhẹ, nhiệt độ thấp, không liên quan an toàn. Cơ tính chi tiết in phụ thuộc vật liệu, hướng in và thiết lập, thường thấp hơn nhiều so với kim loại và không đồng đều theo các phương.
Mô hình nhập về báo lưới hở thì sửa thế nào?
Nhiều phần mềm cắt lớp và công cụ xử lý lưới có chức năng sửa tự động cho lỗi nhỏ. Lỗi lớn nên sửa ở mô hình gốc trong CAD rồi xuất lại. Sau khi sửa, kiểm lại kích thước vì sửa tự động có thể làm biến dạng chỗ lỗi.
Có cần mô phỏng bền cho đồ gá in 3D không?
Với đồ gá chịu lực kẹp đáng kể hoặc giữ phôi khi cắt, mô phỏng sơ bộ giúp tìm chỗ yếu, nhưng cơ tính vật liệu in khó xác định chính xác. Thử thực tế với tải tăng dần và quan sát là cách kiểm quan trọng hơn.
In 3D kim loại có cần chuẩn bị file khác không?
Có nhiều điểm riêng: giá đỡ còn có vai trò tản nhiệt, phải tính phần dư để gia công lại bề mặt lắp, cần xử lý nhiệt sau in và tính trước cách cắt chi tiết khỏi tấm đế. Nên làm việc với đơn vị in từ khâu thiết kế.