In 3D nhiệt độ cao mở ra khả năng tạo ra những bộ phận chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, mài mòn và tiếp xúc hóa chất mạnh. Khả năng của các vật liệu như polyether ether ketone (PEEK), polyether imide (PEI, hay Ultem) và nylon sợi carbon vượt xa những gì PLA hay PETG thông thường có thể mang lại. Không ngạc nhiên khi ngày càng nhiều người đam mê công nghệ bắt đầu khám phá khía cạnh này.
Tuy nhiên, thực tế không đơn giản như việc chỉ thay thế một cuộn filament mới. Ngưỡng gia nhập cao hơn, và những đánh đổi không phải lúc nào cũng rõ ràng. Nếu bạn đang cân nhắc chuyển sang in 3D nhiệt độ cao, đây là những điều thường bị bỏ qua trong các cuộc trò chuyện.
Hầu hết máy in không đáp ứng được yêu cầu
Hạn chế về phần cứng mà nhiều người bỏ qua
Hầu hết các máy in 3D tiêu dùng không được thiết kế để xử lý vật liệu nhiệt độ cao. Ngay cả khi hotend về mặt kỹ thuật có thể đạt 300°C, điều đó không có nghĩa là các bộ phận còn lại của máy in có thể chịu được yêu cầu của việc in ở nhiệt độ cao một cách ổn định. Các vật liệu như PEEK và Ultem cần nhiệt độ buồng ổn định – thường là 70°C trở lên – để tránh tách lớp và cong vênh. Tính năng này không có trên hầu hết các máy cấp thấp hoặc tầm trung.
Ngoài buồng in, hotend phải là loại hoàn toàn bằng kim loại (all-metal) và có khả năng duy trì 400°C mà không bị giãn nhiệt hay xuống cấp. Nhiều hotend được quảng cáo là “all-metal” bắt đầu gặp sự cố khi bị đẩy vượt quá 300–320°C, đặc biệt nếu chúng vẫn dựa vào ống PTFE gần vòi phun. Hệ thống truyền động cũng bị ảnh hưởng trong môi trường nhiệt độ cao. Dây đai và động cơ bước tiêu chuẩn sẽ mòn nhanh hơn hoặc hoạt động không ổn định khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao.
Cố gắng sửa đổi một máy in cấp thấp để đáp ứng các thông số kỹ thuật này có thể gây ra nhiều rắc rối hơn là giá trị mang lại. Việc thêm lớp cách nhiệt, thay quạt bằng phiên bản chịu nhiệt độ cao và thay thế linh kiện điện tử sẽ tạo ra các điểm hỏng hóc mới. Nếu bạn nghiêm túc muốn làm việc với các loại polymer siêu bền, bạn sẽ cần đầu tư vào một máy in nhiệt độ cao chuyên dụng – hoặc chấp nhận rất nhiều sự thất vọng và thời gian chết khi đẩy phần cứng vượt quá giới hạn của nó.
Mô hình 3D đang được thiết kế trên phần mềm SelfCAD, minh họa quá trình chuẩn bị cho in 3D nhiệt độ cao.
Bộ đùn (extruder) của máy in 3D Ender 3 V2, cho thấy các bộ phận cần nâng cấp để chịu nhiệt độ cao.
Quá trình điều chỉnh slicer rất phức tạp
Chuẩn bị tinh thần cho việc thử-và-sai với mọi loại filament mới
Các cài đặt slicer hoạt động tốt với PLA hoặc PETG sẽ không hiệu quả với filament nhiệt độ cao. Retraction phải được điều chỉnh cẩn thận để tránh tạo sợi (stringing) với các vật liệu làm nguội chậm. Chiều cao lớp đầu tiên và nhiệt độ vòi phun phải được điều chỉnh chính xác hơn, và nhiệt độ buồng trở thành yếu tố then chốt trong việc liên kết các lớp. Không có hồ sơ “cài đặt xong là quên” ở đây – mỗi vật liệu mới có thể hoạt động hoàn toàn khác.
Ngay cả khi bạn có được một bản in đầu tiên khá tốt, khả năng lặp lại vẫn là một thách thức. Một số filament yêu cầu tốc độ in chậm hơn để ngăn ngừa các khuyết tật như sủi bọt hoặc cong vênh nhỏ. Các cấu trúc hỗ trợ thường dính chặt vào mô hình trừ khi được in với cài đặt tách biệt được chọn lọc cẩn thận. Đối với các vật liệu không thể sử dụng hỗ trợ dễ tách hoặc hòa tan, việc làm sạch trở thành một vấn đề hậu xử lý. Điều đó bổ sung thêm các bước trước khi bạn có một bộ phận hoàn chỉnh.
Hầu hết các slicer không có hồ sơ đáng tin cậy cho filament công nghiệp, vì vậy bạn có thể sẽ phải xây dựng từ đầu. Bạn sẽ phải dựa vào bảng dữ liệu, thử-và-sai và các diễn đàn cộng đồng để tìm ra cài đặt phù hợp. Để có được một bộ phận thành công duy nhất có thể mất hàng giờ – hoặc thậm chí vài ngày. In 3D nhiệt độ cao sẽ nhanh chóng làm bạn nản lòng nếu bạn không chuẩn bị để liên tục điều chỉnh các biến số.
Mặt trước của máy in 3D Elegoo Centauri Carbon, minh họa một máy in 3D có thể có vỏ bọc, hỗ trợ quá trình điều chỉnh slicer.
Chi phí vật liệu cao hơn bạn nghĩ
Giá cả tăng vọt nhanh chóng, vượt xa chi phí máy in
Giá của bản thân máy in chỉ là khởi đầu. Khi bạn bắt đầu mua filament nhiệt độ cao, bạn sẽ nhận thấy chi phí tăng vọt ngay lập tức. Một cuộn PEEK hoặc Ultem có thể dễ dàng đạt mức 300–500 USD, và ngay cả các lựa chọn thay thế tầm trung như PC sợi carbon hoặc nylon có thể có giá 60–100 USD mỗi kilogram. Thêm vào đó, nhiều loại filament này hấp thụ độ ẩm rất nhanh và phải được giữ khô để duy trì khả năng sử dụng.
Thiết bị sấy là bắt buộc. Tối thiểu, bạn sẽ cần một máy sấy filament có thể duy trì 60°C trở lên trong thời gian dài. Một số người dùng còn đi xa hơn với lò sấy filament chuyên dụng hoặc hộp sấy khô chủ động chạy liên tục. Nếu không có bước chuẩn bị đó, bản in của bạn sẽ bị kéo sợi, giòn hoặc hoàn toàn không sử dụng được, gây lãng phí vật liệu đắt tiền.
Cũng có những chi phí bảo trì. Vòi phun nhiệt độ cao – đặc biệt là những loại được sử dụng với vật liệu composite mài mòn – sẽ mòn nhanh hơn, ngay cả khi bạn đang sử dụng đầu thép cứng hoặc ruby. Theo thời gian, bạn sẽ phải thay thế nhiều cảm biến nhiệt (thermistor), quạt và bộ phận gia nhiệt hơn. Và vì các bản in thường mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành, lượng điện năng tiêu thụ từ việc giữ cho bàn in và buồng in luôn nóng có thể nhanh chóng làm tăng hóa đơn năng lượng của bạn.
Cuộn filament PEEK trên trang thương mại điện tử Amazon, thể hiện chi phí cao của vật liệu in 3D chịu nhiệt.
Cần các biện pháp an toàn nghiêm ngặt hơn
Tại sao khói và nhiệt độ cao đòi hỏi sự cẩn trọng đặc biệt
Khi in vật liệu ở 350°C trở lên, an toàn trở thành một mối lo ngại thực sự – không chỉ cho phần cứng mà còn cho chính bạn. Nhiều filament nhiệt độ cao phát ra khói không chỉ khó chịu mà còn có thể nguy hiểm. Ví dụ, việc in PEI hoặc PC có thể giải phóng VOCs (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) và các hạt siêu mịn mà không nên hít phải trong không gian kín mà không có bộ lọc.
Điều này có nghĩa là bạn sẽ cần thêm một hệ thống thông gió ra bên ngoài hoặc một hệ thống lọc khí nội bộ sử dụng bộ lọc HEPA và than hoạt tính. Một số người đam mê tự chế tạo các vỏ bọc tùy chỉnh với quạt và ống dẫn, trong khi những người khác đầu tư vào các hệ thống lọc hoàn chỉnh. Dù bạn chọn cách nào, đó cũng là một lớp phức tạp và chi phí bổ sung mà bạn không gặp phải khi in tiêu chuẩn.
An toàn nhiệt là một vấn đề khác thường bị bỏ qua. Máy in nhiệt độ cao duy trì nhiệt độ buồng bên trong 70°C trở lên, với hotend và bàn in chạy lên đến 400°C và 160°C tương ứng. Vô tình chạm vào một bộ phận trong lúc in có thể dẫn đến bỏng nặng. Điều đó cũng có nghĩa là thú cưng và trẻ nhỏ cần được giữ tránh xa. Các vỏ bọc thích hợp, cách nhiệt và thậm chí cả thiết bị ngắt nhiệt bên ngoài là những thứ nên có ngay từ đầu.
Có những lựa chọn thay thế tốt hơn cho đa số người dùng
Tại sao filament nhiệt độ thấp hơn có thể là lựa chọn thông minh hơn
Bạn có thể không cần PEEK hoặc Ultem để đạt được mục tiêu dự án của mình. Trong nhiều trường hợp, nylon sợi carbon, ASA hoặc PC sợi thủy tinh có thể mang lại cho bạn độ bền và khả năng chịu nhiệt mong muốn, mà không yêu cầu nhiệt độ cực cao hoặc nâng cấp phần cứng đáng kể. Những vật liệu này có xu hướng dễ điều chỉnh hơn, đặc biệt với các máy in có vỏ bọc nhưng không có buồng gia nhiệt hoàn chỉnh.
Nylon sợi carbon (CF Nylon), đặc biệt, mang lại độ bền vượt trội, khả năng kháng hóa chất và ổn định kích thước. Nó hoạt động tốt trên các máy in như Bambu X1C hoặc Prusa MK4 với các sửa đổi vỏ bọc. Bạn cũng có thể thử nghiệm ủ nhiệt (annealing) các bộ phận sau khi in để tăng khả năng chịu nhiệt của chúng, thu hẹp khoảng cách giữa kết quả của người có sở thích và cấp độ công nghiệp.
Sự khác biệt về chi phí và công sức là đáng kể. Bạn sẽ chi ít tiền hơn cho phần cứng, filament, sấy khô và hệ thống an toàn, đồng thời vẫn đạt được các bản in đáp ứng 90% các trường hợp sử dụng. Trừ khi bạn đang làm việc trong các ngành hàng không vũ trụ, y tế hoặc môi trường ăn mòn cao, in 3D nhiệt độ cao có thể là quá mức cần thiết, và các lựa chọn filament nhiệt độ thấp hơn có thể giúp bạn tiết kiệm rất nhiều rắc rối.
Máy in 3D Creality K2 Plus Combo với thiết kế trong suốt, một ví dụ về máy in có thể hỗ trợ các filament kỹ thuật.
Những gì bạn cần để bắt đầu
Danh sách kiểm tra thiết bị và chuẩn bị cần thiết
Bạn phải thực hiện một số bước chuẩn bị nghiêm túc nếu muốn tham gia vào lĩnh vực in 3D nhiệt độ cao. Đây không phải là trường hợp bạn có thể mua một cuộn filament mới và bắt đầu in ngay lập tức. Thay vào đó, bạn sẽ muốn đảm bảo mình đã bao quát tất cả các khía cạnh – từ phần cứng đến môi trường và xử lý vật liệu.
Bắt đầu với một máy in được đánh giá có hotend chịu được nhiệt độ 400°C và bàn in có khả năng 120°C trở lên. Buồng gia nhiệt là điều bắt buộc đối với các vật liệu như PEEK, nhưng đối với PC hoặc CF Nylon, một vỏ bọc cách nhiệt có thể đủ. Đảm bảo các bộ phận chuyển động của bạn có thể chịu được nhiệt độ cao kéo dài, nếu không chúng sẽ bị mòn sớm.
Ngoài máy in, bạn sẽ cần một máy sấy filament, một giải pháp lưu trữ an toàn và một hệ thống thông gió hoặc thiết lập lọc khí mạnh mẽ. Hãy chuẩn bị sẵn các vòi phun, cảm biến nhiệt và quạt dự phòng, vì các bộ phận này sẽ xuống cấp nhanh hơn bạn vẫn thường thấy. Và tất nhiên, hãy dành nhiều thời gian để thử nghiệm và tinh chỉnh cài đặt slicer của bạn. Không có gì trong lĩnh vực này hoạt động mà không có sự kiên trì.
Các loại vòi phun (nozzle) khác nhau cho máy in 3D, bao gồm loại chịu nhiệt và mài mòn, cần thiết cho in 3D nhiệt độ cao.
In 3D nhiệt độ cao mạnh mẽ – nhưng đòi hỏi nhiều
Không nghi ngờ gì nữa, in 3D nhiệt độ cao mở ra những khả năng nghiêm túc cho các bộ phận chức năng và môi trường sử dụng khắc nghiệt. Nhưng nó đi kèm với những yêu cầu khắt khe về phần cứng, ngân sách và sự kiên nhẫn của bạn. Nếu bạn thực sự cần những gì các vật liệu như PEEK và PEI mang lại, nỗ lực bỏ ra là chính đáng. Tuy nhiên, các filament kỹ thuật nhiệt độ thấp hơn có thể đáp ứng nhu cầu của bạn mà không gặp phải tất cả những rắc rối, nếu mục tiêu của bạn chỉ đơn giản là các bản in mạnh hơn, chịu nhiệt tốt hơn. Hiểu rõ những gì bạn đang dấn thân vào là chìa khóa để quyết định xem đó có phải là bước đi đúng đắn hay không.