Ý chính
- Polymer nền quyết định trần nhiệt. Phụ gia và sợi gia cường chỉ dịch chuyển các con số quanh trần đó.
- Nhiệt độ chuyển thuỷ tinh (Tg) của polymer nền là con số dự đoán tốt nhất cho việc chi tiết chịu nóng tới đâu.
- Polymer có liên kết hydro — nylon là ví dụ rõ nhất — hút ẩm từ không khí và phải sấy, không phải tuỳ chọn.
- Sợi carbon và sợi thuỷ tinh nâng độ cứng vững, không nâng độ dai. Đó là hai tính chất khác nhau.
Phần lớn người dùng chọn nhựa in 3D theo tên viết tắt: PLA cho dễ, PETG cho bền, ABS cho chịu nhiệt. Cách đó đúng khoảng bảy phần mười thời gian và sai đúng vào những lúc quan trọng nhất, vì cái tên không nói cho bạn biết vì sao vật liệu cư xử như vậy.
Bài này đi theo hướng ngược lại: bắt đầu từ thứ có trong cuộn nhựa, rồi suy ra thứ bạn đọc được trên bảng dữ liệu. Khi đã quen, bạn có thể nhìn một vật liệu chưa từng dùng và đoán đúng phần lớn hành vi của nó trước khi mua.
Một cuộn nhựa gồm những gì
Sợi nhựa in 3D không phải một chất tinh khiết. Nó là một hỗn hợp được phối để đùn được, in được và giữ được hình. Bốn thành phần, theo thứ tự ảnh hưởng:
- Polymer nền — 80 đến 99 % khối lượng. Đây là vật liệu thật. Nó đặt trần nhiệt, quyết định vật liệu giòn hay dai, và quyết định nó có hút ẩm hay không.
- Phụ gia — 0,5 đến 5 %. Chất tăng dai, chất trợ dòng chảy, chất ổn định nhiệt, chất chống tia UV, chất tạo mầm kết tinh. Không đổi bản chất polymer, nhưng đổi hẳn việc in nó dễ hay khó.
- Chất tạo màu — 0,5 đến 3 %. Bột màu hoặc thuốc nhuộm. Nghe như chuyện thẩm mỹ, nhưng bột màu tối và bột màu chứa kim loại làm thay đổi tốc độ kết tinh, tức là làm thay đổi cả độ bền lẫn độ co ngót.
- Chất độn hoặc sợi gia cường — 0 đến 30 %. Khoáng để tạo bề mặt nhám, sợi carbon hoặc sợi thuỷ tinh cắt ngắn để tăng độ cứng vững. Đây là thành phần làm thay đổi bảng dữ liệu nhiều nhất, và cũng là thành phần mài mòn đầu phun.
Hai con số giải thích gần hết mọi thứ
Trước khi đi vào từng họ, có hai đại lượng đáng nhớ, vì chúng dự đoán được hành vi tốt hơn bất kỳ dòng quảng cáo nào.
- Nhiệt độ chuyển thuỷ tinh (Tg) là điểm mà polymer vô định hình chuyển từ cứng sang mềm như cao su. Trên Tg, chi tiết không chảy ra nhưng bắt đầu chảy dẻo dưới tải. Nhiệt độ biến dạng HDT trên bảng dữ liệu luôn nằm quanh Tg, thấp hơn một chút với nhựa vô định hình.
- Mức độ kết tinh cho biết các mạch polymer có xếp thành vùng trật tự hay không. Nhựa kết tinh — nylon, PLA ở mức thấp — bền hơn, chịu dung môi tốt hơn và co ngót nhiều hơn. Nhựa vô định hình — PETG, ABS, PC — ổn định kích thước hơn và trong hơn.
| Họ vật liệu | Tg polymer nền | HDT chi tiết in | Cấu trúc |
|---|---|---|---|
| PLA | ≈ 60 °C | 53–60 °C | Kết tinh chậm, thực tế gần vô định hình |
| PETG | ≈ 80 °C | 69–78 °C | Vô định hình |
| ABS / ASA | ≈ 105 °C | 100–106 °C | Vô định hình |
| PA12 / PA6 | ≈ 45–60 °C | 111–215 °C (đã ủ nhiệt) | Kết tinh — nhiệt độ nóng chảy mới là trần thật |
| PC | ≈ 147 °C | 111–114 °C | Vô định hình |
| TPU | Hai pha | Không áp dụng | Đoạn cứng xen đoạn mềm |
PLA — polylactic acid
PLA là polyester làm từ axit lactic, tức là từ đường lên men chứ không từ dầu mỏ. Mạch của nó thẳng, đều và kết tinh rất chậm, nên một chi tiết in ra gần như hoàn toàn vô định hình. Đó là lý do PLA cứng, chính xác, và mềm đi ngay khi vượt qua Tg khoảng 60 °C.
- Tính chất nổi bật — mô đun cao, độ co ngót thấp nhất trong các loại FDM phổ thông (khoảng 0,3 %), bề mặt sắc nét.
- Điểm yếu thật — độ giãn dài khi đứt chỉ khoảng 4 %, nên nó gãy không báo trước; và trần nhiệt thấp tới mức một chiếc xe đỗ ngoài nắng đủ để phá chi tiết.
- Biến thể thường gặp — pha khoáng cho bề mặt nhám, pha chất trợ dòng chảy cho in tốc độ cao, pha sợi carbon cho độ cứng vững.
PETG — polyester đã bị phá tinh thể có chủ đích
PET nguyên bản kết tinh mạnh, đó là lý do chai nước trong suốt nhưng vẫn dai. Chữ G trong PETG là glycol: người ta thay một phần glycol trong mạch bằng một loại glycol cồng kềnh hơn, khiến mạch không xếp trật tự được nữa. Kết quả là một polyester vô định hình, không kết tinh khi nguội, nên không đục và không co lệch.
Đó chính là nguồn gốc của mọi tính chất PETG mà bạn thấy trong xưởng: giãn tới 18 % trước khi đứt thay vì 4 %, chịu nước tốt vì polyester không phân huỷ nhanh ở điều kiện thường, và bám dính giữa các lớp rất mạnh — mạnh tới mức nó cũng bám vào bàn PEI nhẵn đủ để bóc mảng bàn.
ABS và ASA — ba monomer, mỗi monomer một việc
ABS là copolymer của ba monomer, và cách dễ nhất để nhớ nó là gán cho mỗi monomer một nhiệm vụ:
| Monomer | Đóng góp | Hệ quả khi in |
|---|---|---|
| Acrylonitrile | Chịu hoá chất và chịu nhiệt | Đẩy Tg lên khoảng 105 °C |
| Butadiene | Pha cao su phân tán, hấp thụ va đập | Va đập cao — và đây là phần bị tia UV phá |
| Styrene | Độ cứng, dễ gia công, dễ dán | Tan trong acetone, nên dán liền khối được |
ASA giữ nguyên công thức đó nhưng thay butadiene bằng cao su acrylate. Đoạn butadiene có nối đôi trong mạch — chính nối đôi này bị tia cực tím bẻ gãy, khiến ABS ngoài trời bạc màu rồi nứt bề mặt sau vài tháng. Cao su acrylate no, không có nối đôi để bẻ, nên ASA giữ màu và giữ độ dai dưới nắng trực tiếp. Đó là toàn bộ sự khác biệt, và nó giải thích vì sao mọi thông số khác của hai loại gần như trùng nhau.
Cái giá phải trả nằm ở chỗ khác: cả hai co ngót 0,7–0,8 %, gấp đôi PETG, nên bắt buộc phải có nhiệt buồng; và cả hai phát tán styrene cùng hạt siêu mịn khi in, nên bắt buộc phải hút khí. Chi tiết ở bài ABS hay ASA và bài an toàn khi in.
TPU — cao su nhiệt dẻo
TPU không có một Tg duy nhất vì nó không phải một pha duy nhất. Mạch của nó xen kẽ hai loại đoạn: đoạn cứng (từ diisocyanate) tụ lại thành các vùng đóng vai trò như mối nối vật lý, và đoạn mềm (polyester hoặc polyether) là phần co giãn được. Tỉ lệ giữa hai đoạn quyết định độ cứng Shore.
- Nhiều đoạn cứng hơn cho vật liệu chắc hơn, đùn dễ hơn, hồi hình nhanh hơn — đó là TPU 95A.
- Nhiều đoạn mềm hơn cho vật liệu bóp dẹp như cao su, giãn được vài trăm phần trăm, nhưng bị gập trong đầu đùn nếu đẩy nhanh — đó là TPU 85A.
- Nền polyester hay polyether quyết định điểm yếu: nền polyester chịu dầu và chịu mài mòn tốt hơn, nền polyether chịu nước và chịu nấm mốc tốt hơn. Với chi tiết ngâm nước lâu dài, đây là câu hỏi cần hỏi trước khi hỏi Shore.
Nylon — polyamide, và cái giá của liên kết hydro
Polyamide có nhóm amide trong mạch chính, và các nhóm này tạo liên kết hydro giữa các mạch với nhau. Liên kết hydro là nguồn gốc của mọi thứ tốt ở nylon — độ dai rất cao, khả năng chịu mài mòn, bề mặt tự bôi trơn — và cũng là nguồn gốc của vấn đề duy nhất khiến người ta bỏ cuộc: cùng những nhóm đó cũng tạo liên kết hydro với nước.
Một cuộn PA-CF để hở trong không khí Việt Nam có thể hút đủ ẩm để hỏng bài in chỉ trong một buổi chiều. Nước bốc hơi trong đầu phun tạo bọt, làm rỗ bề mặt và cắt liên kết lớp. Đây không phải lỗi vật liệu; đây là tính chất hoá học đã biết trước, và cách xử lý nằm ở bài về sấy nhựa.
Ba loại nylon, ba mục đích khác nhau
- PA12 / CoPA không gia cường
- Dẻo nhất trong nhóm. Dùng cho bản lề sống và chi tiết chịu va — nhưng độ giãn dài của nhóm này gần như không nhà sản xuất nào công bố, nên hãy tự thử.
- PA6-CF
- Cứng vững và chịu nhiệt: Polymaker công bố 109,3 MPa và HDT 215 °C cho loại 20 % sợi carbon, mẫu đã ủ nhiệt.
- PA6-GF
- Chịu nhiệt gần bằng, rẻ hơn, không dẫn điện: 80,1 MPa và HDT 191 °C ở loại 25 % sợi thuỷ tinh.
Polycarbonate — mạch vòng, Tg cao nhất trong nhóm phổ thông
PC có vòng thơm ngay trong mạch chính, làm mạch cứng và khó xoay. Đó là lý do Tg của nó lên tới khoảng 147 °C, cao hơn hẳn mọi vật liệu FDM phổ thông khác, và cũng là lý do nó cần đầu phun 265–300 °C — dưới 260 °C các lớp không bao giờ liên kết đúng và chi tiết sẽ tách lớp.
Và đây là chỗ dễ hiểu sai nhất về PC. Ai cũng biết polycarbonate là vật liệu làm kính chống đạn, nhưng va đập có khía của PC in ra lại thấp: Polymaker công bố 4,1 kJ/m² cho PolyLite PC — thấp hơn cả PolyLite PLA. PC nhạy với khía (notch sensitive): còn nguyên vẹn thì nó cực dai, nhưng có sẵn một vết cắt thì vết nứt chạy thẳng. Các loại PC đã pha hợp chất mới cho con số dai: PolyMax PC đạt 21,3 kJ/m² và PC-ABS đạt 25,8 kJ/m², trong khi PolyLite ABS là 18,0. Nếu chi tiết PC của bạn có góc trong sắc, chính góc đó là chỗ nó sẽ gãy.
Resin — hoá học hoàn toàn khác
Resin không phải nhựa nhiệt dẻo. Nó là hỗn hợp lỏng gồm oligomer (mạch ngắn, tạo khung), monomer pha loãng (điều chỉnh độ nhớt và tham gia phản ứng), chất khơi mào quang, và phụ gia. Ánh sáng 405 nm kích hoạt chất khơi mào, phản ứng nối tất cả lại thành một mạng lưới liên kết chéo.
Hệ quả thực tế: chi tiết resin không nóng chảy lại được, không hàn lại được bằng nhiệt, và tính chất của nó phụ thuộc vào mức độ phản ứng đã hoàn tất. Cure thiếu không hiện ra ngay — nó hiện ra vài tuần sau, khi chi tiết trôi khỏi dung sai hoặc giòn đi. Mật độ liên kết chéo càng cao thì càng cứng và càng giòn; đó là toàn bộ khác biệt giữa resin mô hình và resin dai.
Bảng tổng hợp
| Loại (Polymaker) | Bền kéo | Va đập có khía | HDT 0,45 MPa |
|---|---|---|---|
| Panchroma Matte PLA | 23,2 MPa | 10,0 kJ/m² | — |
| PolyLite PLA | 52,3 MPa | 3,3 kJ/m² | 60 °C |
| PLA-CF | 31,2 MPa | 5,5 kJ/m² | 54 °C |
| PolyLite PETG | 50,8 MPa | 2,6 kJ/m² | 78 °C |
| PolyMax PETG | 37,9 MPa | 11,6 kJ/m² | 76 °C |
| Fiberon PETG-rCF08 | 59,8 MPa | 4,0 kJ/m² | 68,6 °C |
| PolyLite ABS | 33,4 MPa | 18,0 kJ/m² | 100 °C |
| Polymaker ASA | 43,8 MPa | 10,3 kJ/m² | 103 °C |
| PolyMide CoPA | 78,0 MPa | 6,9 kJ/m² | 111 °C |
| Fiberon PA6-CF20 | 109,3 MPa | 11,0 kJ/m² | 215 °C |
| Fiberon PA6-GF25 | 80,1 MPa | 10,0 kJ/m² | 191 °C |
| PolyLite PC | 69,1 MPa | 4,1 kJ/m² | 111 °C |
| PolyMax PC | 53,4 MPa | 21,3 kJ/m² | 114 °C |
| PolyFlex TPU95 | — | — | — (giãn dài 551 %) |
Không có vật liệu tốt nhất. Chỉ có vật liệu mà kiểu hỏng của nó bạn chấp nhận được.
Nếu bạn đang đứng trước một lựa chọn cụ thể, hai bài tiếp theo đi thẳng vào việc đó: so sánh PLA, PETG và ABS cho nhóm phổ thông, và bảng thay thế vật liệu khi loại bạn muốn không có sẵn. Toàn bộ thông số và ngữ cảnh kiểm nghiệm nằm trên Material Passport của từng loại.
Câu hỏi thường gặp
Sợi nhựa in 3D được làm từ gì?
Từ bốn thành phần: polymer nền chiếm 80–99 % và quyết định trần nhiệt cùng độ dai; phụ gia 0,5–5 % gồm chất tăng dai, chất trợ dòng chảy và chất chống UV; chất tạo màu 0,5–3 %; và chất độn hoặc sợi gia cường 0–30 % nếu là loại composite. Cùng một chữ viết tắt như “PLA” có thể ứng với nhiều công thức rất khác nhau.
Có bao nhiêu loại nhựa in 3D?
Với máy FDM, sáu họ bao gần hết nhu cầu thực tế: PLA, PETG, ABS/ASA, TPU, nylon (PA) và polycarbonate. Với máy resin, phân loại theo mục đích thay vì theo polymer: resin mô hình, resin dai, resin chịu nhiệt và resin đúc. Mỗi họ còn có các biến thể pha sợi hoặc pha khoáng.
Nhiệt độ chuyển thuỷ tinh Tg là gì và vì sao nó quan trọng?
Tg là nhiệt độ mà polymer chuyển từ trạng thái cứng sang mềm như cao su. Chi tiết không chảy ra ở Tg, nhưng nó bắt đầu chảy dẻo dưới tải, nghĩa là biến dạng vĩnh viễn theo thời gian. Nhiệt độ biến dạng HDT trên bảng dữ liệu luôn nằm quanh Tg và thấp hơn một chút, vì mẫu thử đang chịu tải khi đo.
Vì sao nylon phải sấy còn PLA thì ít quan trọng hơn?
Vì nhóm amide trong mạch nylon tạo liên kết hydro với nước, nên nó hút ẩm sâu vào trong vật liệu chứ không chỉ bám bề mặt. PLA hút ít hơn nhiều. Trong thực tế cả hai đều in tốt hơn khi khô, nhưng một cuộn nylon để hở một buổi chiều đã đủ hỏng bài in, còn PLA thì thường vẫn chấp nhận được.
ASA khác ABS ở thành phần nào?
ASA thay pha cao su butadiene của ABS bằng cao su acrylate. Butadiene có nối đôi trong mạch và chính nối đôi đó bị tia cực tím bẻ gãy, nên ABS ngoài trời bạc màu rồi nứt. Acrylate no, không có nối đôi để bẻ, nên ASA giữ màu và giữ độ dai dưới nắng. Các thông số còn lại của hai loại gần như trùng nhau.
Vật liệu nào chịu nhiệt tốt nhất cho máy FDM?
Nylon gia cường: Polymaker công bố HDT 215 °C cho PA6-CF20 và 191 °C cho PA6-GF25 (mẫu đã ủ nhiệt), rồi mới tới PC ở 111–114 °C. Cả ba đều cần buồng kín, sấy trước khi in, và với hai loại pha sợi thì cần đầu phun tôi cứng. Nếu chỉ cần vượt mốc 90 °C, ABS hoặc ASA là đường rẻ và dễ hơn nhiều.