Mình không phải người chuyên làm vật liệu, nhưng bản thân gắn bó với in ấn các loại vật liệu từ ngày đầu cao học đến giờ cũng hơn 10 năm. Trong quá trình đó thì mình cũng tiếp xúc qua với việc in 3D sợi carbon. Mọi người chắc khá quen tai với buzzword sợi carbon. Nhắc đến vật liệu này là ngay lập tức liên tưởng đến kết cấu cứng, nhẹ, bền.
Dùng trong in 3D, đặc biệt là mấy máy in 3D phổ thông loại đùn nhựa bằng nhiệt (Fused Deposition Modeling - FDM) thì có nhan nhản các nhãn hàng chế tạo vật liệu in (filament) sợi carbon. Giá thành thì cũng thuộc hàng rẻ, đến mức nghiên cứu nghèo như mình cũng có vài cuộn quẳng ở góc phòng.
Nhìn chung thì in FDM với vật liệu sẵn có lại rẻ như vậy thì ko có gì khó khăn cả. Nhưng vấn đề nằm ở chỗ kết cấu in ra từ chu trình này nó ko có bền và cứng như sản xuất từ sợi carbon thông thường. Vì sao lại như vậy? Câu trả lời đến từ việc sản xuất filament. Khi người ta sản xuất filament sợi carbon, nó ko phải là sợi carbon dài liên tục, mà là carbon filled filament, tức là họ chặt sợi carbon ban đầu ra làm rất nhiều đoạn nhỏ xíu, có chiều dài dưới 1mm.
Sau đó những mẩu sợi carbon này sẽ được nhào trộn với nhựa để trở thành cuộn filament sợi carbon. Filament này sẽ được đem đi làm nguyên liệu in cho máy in 3D FDM. Mọi người có thể hình dung giống việc xây tường bê tông cốt thép, nhưng mà thay vì những dây thép dài thì người ta đem băm nó ra làm cả nghìn mẩu thép nhỏ xíu, ngắn tũn, rồi đem trộn với bê tông rồi xây tường. Tường này xây xong chắc cũng tương đối vững, nhưng vẫn có thể đổ như thường. Cấu trúc in 3D từ filament sợi carbon nói trên cũng thế, có thể bền hơn in nhựa một chút, nhưng bẻ thì chắc là vẫn gãy (có khi lúc nào mình sẽ thử in vài mẫu ra test độ bền xem sao).
Vậy các công ty có ý thức được điều này ko? Đương nhiên là có, và bên ngành in 3D cũng đề xuất khá nhiều hướng tiếp cận để in 3D sợi carbon mà ko phải băm chặt sợi carbon ban đầu ra làm nhiều mảnh. Kĩ thuật này thường gọi chung là continuous carbon fiber. Nói đơn giản thì người ta sẽ dùng cùng một lúc 2 đầu in, một đầu in đùn nhựa, một đầu đùn sợi carbon ra, rồi kết hợp chúng lại thành cấu trúc xen kẽ nhựa-sợi carbon-nhựa-sợi carbon.
Một câu hỏi đơn giản được đặt ra là tại sao ko in toàn bộ cấu trúc bằng sợi carbon thuần? Lý do đơn giản là sợi carbon thì ko có phù hợp để in bằng cách gia nhiệt, nó cần nhựa làm chất nền để kết dính lại thành một khối. Phương pháp truyền thống để chế tạo khối cấu trúc từ sợi carbon thường đi từ việc đan các sợi carbon thành từng miếng mỏng như miếng vải (hình dung khá giống với đan bao tải dứa) rồi sau đó ép những miếng mỏng này lại với nhau dùng một chất nền là nhựa polymer nào đó. Đây là lý do vì sao cấu trúc làm từ sợi carbon hay có bề mặt kiểu kẻ ô carô.
In sợi carbon kiểu liên tục continous carbon fiber giúp cho cấu trúc in ra có độ cứng và độ bền tốt hơn hẳn so với phương pháp băm chặt sợi carbon rồi trộn vào nhựa như trong in 3D kiểu đùn nhựa. Rõ rãng là phương pháp in kiểu sợi carbon liên tục này cũng khó hơn và yêu cầu kĩ thuật điều khiển đầu in, nhiệt độ, tốc độ in, cũng như các tham số khác rắc rối hơn.
Nhân nói về in sợi carbon thì gần đây lao xao vụ xe đạp sợi carbon của AREVO. Mình ko hiểu gì về công ty này cả nên ko thể comment gì thêm, nhưng mình có tìm hiểu đôi chút về kĩ thuật in 3D sợi carbon của AREVO thì thấy kĩ thuật rất hay. Họ tự làm filament từ sợi carbon liên tục cùng với chất nền là nhựa (ko rõ là loại nào). Khi in, một chùm tia laze sẽ được chiếu vào đầu của filament này, filament và đầu in đi đến đâu thì laze đi đến đó, làm nó tan chảy, và dính vào phần kết cấu đang in. Mình đoán ngoài kĩ thuật in bằng tia laze này (thật ra cũng ko có gì mới), thì một phần kĩ thuật quan trọng của AREVO đó là thuật toán sinh ra đường đi của đầu in sao cho kết cấu in ra được chắc chắn nhất. Vì sao lại cần như vậy? Lý do là vật liệu từ sợi carbon rất bền ở một chiều, nhưng rất giòn ở chiều còn lại. Đường đi của đầu in phải được tối ưu đối với từng thiết kế của kết cấu để cân bằng và tối ưu độ bền ở cả 3 chiều XYZ của vật thể.
Comment thêm: mình nghiên cứu nhiều về làm robot thân mềm, và dùng máy in 3D để in thân của bọn robot này. Trước giờ sợi carbon thường đc biết đến là tạo ra kết cấu nhẹ, cứng, bền. Tự dưng sau đợt này mình lại nghĩ ko biết có cách nào để nhét thằng sợi carbon này vào vật liệu đàn hồi để vừa tăng độ bền mà lại giữ được tính đàn hồi của kết cấu in ra ko nhỉ?
P.S. Bài viết mang tính nói nhảm mua vui dựa trên kinh nghiệm cá nhân của mình.