Đúc sáp mất là một trong những kỹ thuật lâu đời nhất của nghề kim loại. Người thợ làm mẫu bằng sáp, bọc khuôn bên ngoài, nung cho sáp chảy hết rồi rót kim loại vào chỗ trống sáp để lại. Mấy nghìn năm nay nguyên lý vẫn vậy. Cái thay đổi là cách làm ra mẫu sáp.

Trước đây, thợ kim hoàn ngồi khắc sáp bằng tay, có mẫu mất cả tuần. Bây giờ nhiều xưởng in 3D mẫu bằng một loại nhựa đặc biệt gọi là resin đốt (castable resin), nhựa này cháy gần sạch trong lò, thay được vai trò của sáp. Bài này mình kể lại cách làm thực tế, từ chọn nhựa, thiết kế, rửa mẫu cho tới mấy cái lỗi làm hỏng mẻ đúc mà xưởng nào mới vào nghề cũng từng gặp.

Mình viết cho cả hai nhóm người đọc: thợ kim hoàn muốn chuyển sang mẫu in 3D, và xưởng đúc đồng mỹ nghệ, tượng nhỏ, phụ kiện kim loại đang muốn rút ngắn khâu làm mẫu.

Đúc sáp mất là gì, nói ngắn gọn

Theo Encyclopaedia Britannica, kỹ thuật sáp mất (lost-wax, cire-perdue) có từ thiên niên kỷ thứ 3 trước Công nguyên và gần như không thay đổi từ đó, được dùng ở mọi châu lục trừ châu Úc. Bảo tàng Metropolitan (New York) trong một bài viết về kỹ thuật tượng đồng Hy Lạp cổ cho biết đúc sáp mất trở thành phương pháp chính cho tượng đồng vào khoảng 500–480 trước Công nguyên. Phần lớn tượng đồng lớn thời Hy Lạp, La Mã được đúc theo kiểu gián tiếp, tức là giữ lại mẫu gốc để đúc từng phần hoặc đúc nhiều bản.

Trong công nghiệp, cách này gọi là đúc mẫu chảy (investment casting). Britannica ghi rằng đúc mẫu chảy được dùng cho trang sức, răng giả, điêu khắc và nhiều chi tiết công nghiệp nhỏ cần độ chi tiết cao, và xưởng hiện đại có thể thay sáp bằng nhựa. Chính chỗ “thay sáp bằng nhựa” là nơi in 3D nhảy vào.

Quy trình cơ bản gồm các bước:

1. Làm mẫu (sáp hoặc nhựa đốt).
2. Gắn mẫu lên cây đúc (sprue tree).
3. Đặt cây vào bình khuôn (flask), đổ bột đúc (investment) vào.
4. Nung bình khuôn trong lò để mẫu cháy hoặc chảy ra hết (burnout).
5. Rót kim loại nóng chảy vào, thường có hỗ trợ hút chân không hoặc ly tâm.
6. Phá bột, cắt cây, làm nguội, đánh bóng.

Resin castable khác resin thường ở đâu

Không phải nhựa in 3D nào cũng đốt được. Resin thường khi nung sẽ nở ra, để lại nhiều tro, có khi làm nứt khuôn bột. Resin castable được pha chế để cháy sạch, ít tro, ít nở.

Hãng Formlabs công bố trên trang giải pháp cho ngành trang sức của họ vài con số khá rõ: loại Castable Wax Resin chứa 20% sáp, còn True Cast Resin có hàm lượng tro 0,03% và đúc được chi tiết dày tới 5 mm. Đây là số liệu do hãng đưa ra cho sản phẩm của họ, các hãng khác sẽ có thông số khác, nhưng nó cho thấy hai tiêu chí người ta quan tâm: lượng tro còn lại và độ dày tối đa đúc được mà không nứt khuôn.

Một lựa chọn khác là in 3D mẫu bằng resin thường, rồi từ mẫu đó làm khuôn cao su để ép sáp. Cách này hợp khi cần đúc nhiều bản cùng một mẫu, vì mỗi lần đúc chỉ tốn sáp, không tốn resin đắt tiền. Các xưởng làm in 3D resin SLA theo yêu cầu thường nhận in mẫu gốc kiểu này cho thợ kim hoàn.

Thiết kế mẫu để đúc không lỗi

Mẫu in đẹp mà thiết kế sai thì đúc vẫn hỏng. Mấy điểm mình luôn dặn khách khi gửi file.

Độ dày tối thiểu

Kim loại nóng chảy nguội rất nhanh khi chảy qua đoạn mỏng. Thành quá mỏng thì kim loại đông lại trước khi lấp đầy, sản phẩm bị thiếu. Với trang sức bạc, vàng, thông thường thành không nên mỏng quá vài phần mười milimet, chi tiết dây chỉ trang trí cần dày hơn mức mắt thường thấy là “đủ”.

Phần dày quá

Ngược lại, chỗ quá dày thì nhựa nhiều, nung lâu, dễ nở làm nứt khuôn, và khi kim loại nguội sẽ co ngót tạo lõm. Mẹo hay dùng là khoét rỗng mặt trong của nhẫn bản to, mặt dây dày, chừa thành đều.

Vị trí đường rót

Đường rót (sprue) nên gắn vào chỗ dày nhất của mẫu, để kim loại đi từ dày sang mỏng. Gắn vào chỗ mỏng thì phần dày phía sau dễ bị co rỗ. Vị trí gắn cũng nên ở mặt dễ đánh bóng, không gắn vào mặt có họa tiết chi tiết.

Co ngót kim loại

Kim loại co lại khi nguội. Với trang sức thì phần co này nhỏ, nhưng với chi tiết cần lắp ghép chính xác thì phải bù kích thước ngay từ file. Mỗi loại hợp kim co một mức, xưởng đúc thường có số liệu kinh nghiệm riêng.

Ngoài ra, nguyên tắc chung của mọi kiểu đúc vẫn đúng ở đây: độ dày càng đều càng tốt, góc trong nên bo tròn, và hạn chế những phần lồi mảnh đứng một mình.

In và xử lý mẫu resin castable

Chọn máy và độ phân giải

Trang sức cần lớp in mỏng để bề mặt mịn, đỡ công đánh bóng. Máy SLA hay DLP để bàn là đủ cho nhẫn, mặt dây. Với tượng đồng mỹ nghệ cỡ vài chục phân, cần máy khổ lớn hơn. Mẫu to quá thì chia thành nhiều phần, đúc riêng rồi hàn ghép, đúng như cách người Hy Lạp làm với tượng lớn.

Ở mảng khổ lớn, các đơn vị cung cấp in 3D resin công nghiệp như CT3D có máy SLA khổ tới 800×800×500 mm với lớp in 25–100 micron. Khổ này dư sức in mẫu tượng chia mảnh để đúc đồng, hoặc in mẫu gốc lớn để làm khuôn.

Đặt hướng in và support

Support (cấu trúc đỡ) để lại vết. Đặt mẫu sao cho vết support nằm ở mặt trong nhẫn hoặc mặt sau, chỗ dễ mài. Không đặt support lên mặt có họa tiết.

Rửa mẫu cực kỳ quan trọng

Resin chưa đóng rắn còn dính trên mẫu là nguyên nhân số một gây lỗi đúc. Formlabs khuyến nghị rửa mẫu trong cồn IPA khoảng 5 phút, rồi tráng lại lần hai để tránh lỗi do nhựa chưa đóng rắn. Sau đó để khô hẳn, chiếu UV theo hướng dẫn của từng loại nhựa.

Có lần khách mang tới mấy cây nhẫn đúc ra bề mặt sần như da cam, hỏi có phải bột đúc kém. Kiểm tra lại thì mẫu được rửa qua loa trong cồn đã dùng lâu, bẩn đục. Thay cồn sạch, rửa hai lần, mẻ sau ra đẹp ngay.

Đọc thêm: bên mình có bài tổng hợp các loại nhựa resin SLA và ứng dụng kỹ thuật, trong đó có so sánh resin đốt với các dòng resin khác.

Đốt khuôn (burnout): nơi quyết định thành bại

Với sáp, nung là sáp chảy ra. Với resin, nung là đốt cháy nhựa. Vì vậy chu trình nhiệt cho resin thường khác chu trình cho sáp: tăng nhiệt chậm hơn, có những đoạn giữ nhiệt lâu hơn, và lò cần thông gió tốt để khí cháy thoát ra.

Formlabs mô tả trong bài viết về đúc sáp mất rằng khi đốt, bình khuôn được úp ngược vào lò để sáp chảy ra, để lại khoang rỗng. Với resin thì vẫn úp ngược, nhưng phần lớn nhựa sẽ cháy thành khí chứ không chảy ra như sáp.

Vài nguyên tắc xưởng mình rút ra:

• Dùng đúng chu trình hãng nhựa khuyến nghị, đừng dùng chung chu trình sáp.
• Bột đúc phải tương thích với resin. Có loại bột chuyên cho resin, chịu được áp lực nở tốt hơn.
• Đừng nhồi quá nhiều mẫu vào một bình. Mẫu sát nhau thì khí cháy khó thoát, bột giữa các mẫu yếu.
• Lò phải đủ thông gió. Đốt resin có khói và mùi, không làm trong phòng kín.

Rót kim loại và hoàn thiện

Sau khi đốt xong, bình khuôn được giữ ở nhiệt độ thích hợp với kim loại sắp rót. Bạc, vàng thường rót bằng máy hút chân không hoặc máy ly tâm để kim loại len vào chi tiết nhỏ. Đồng mỹ nghệ cỡ lớn có thể rót trọng lực.

Sau khi nguội, ngâm bình vào nước để phá bột, cắt cây đúc, mài vết đường rót, rồi đánh bóng, xi mạ hoặc làm màu tùy yêu cầu.

Với vật đúc kỹ thuật cần chắc chắn bên trong không rỗ, nhiều xưởng bây giờ chụp CT công nghiệp để soi. Bài soi khuyết tật bên trong vật đúc bằng CT công nghiệp trên trang mình nói kỹ chuyện này.

Lỗi hay gặp khi đúc từ mẫu resin

Khi nào nên dùng resin castable, khi nào nên ép sáp

Đây là câu hỏi mình được hỏi nhiều nhất.

Nếu bạn làm mẫu độc bản, mẫu cá nhân hóa (nhẫn khắc tên, mặt dây theo hình riêng của khách), hay đang thử nghiệm thiết kế, in resin castable đúc thẳng là nhanh nhất. Không cần làm khuôn trung gian, sáng chốt mẫu chiều in, hôm sau đúc.

Nếu một mẫu cần đúc hàng chục, hàng trăm bản, thì in một mẫu gốc thật đẹp, làm khuôn cao su, rồi ép sáp sẽ rẻ hơn nhiều mỗi sản phẩm. Resin đắt, còn sáp thì rẻ.

Với tượng đồng mỹ nghệ cỡ lớn, cách phổ biến là in hoặc CNC mẫu gốc, làm khuôn silicon, rồi đổ sáp vào khuôn silicon để có mẫu sáp rỗng, sau đó mới làm vỏ khuôn và đúc. Bài viết cũ trên trang về ứng dụng máy quét và máy in 3D trong tạo mẫu đúc đồng có mô tả cách các xưởng đúc đồng dùng quét 3D để phóng to, thu nhỏ mẫu trước khi in.

Còn với chi tiết cơ khí đúc cát cỡ lớn như vỏ bơm, bánh răng thô, mẫu gỗ CNC vẫn rất phổ biến. Bạn có thể xem bài CNC gỗ làm mẫu đúc cho đúc cát để so sánh hai hướng.

Câu hỏi thường gặp

Máy in resin thường có in được resin castable không?

Phần lớn máy SLA, DLP, LCD dùng được resin castable của bên thứ ba nếu đúng bước sóng ánh sáng. Tuy vậy, mỗi loại resin cần thông số phơi sáng riêng, phải in thử để chỉnh. Máy và nhựa cùng hãng thường ổn định hơn.

Resin castable có độc không?

Resin lỏng gây kích ứng da, cần đeo găng và làm ở nơi thoáng. Khi đốt trong lò sinh khói, phải có thông gió hoặc hút khí. Đây là lý do nên đốt ở xưởng chuyên, không làm trong căn hộ.

Đúc vàng, bạc từ mẫu resin có hao kim loại hơn sáp không?

Hao hụt kim loại chủ yếu nằm ở cây đúc, đường rót và khâu đánh bóng, không phụ thuộc mẫu là sáp hay resin. Cây đúc thừa được nấu lại dùng tiếp.

Có thể đúc nhôm, inox theo kiểu sáp mất không?

Có. Đúc mẫu chảy trong công nghiệp đúc nhiều loại hợp kim như thép không gỉ, nhôm, đồng. Nhưng nhiệt độ rót cao hơn trang sức nhiều, cần vỏ khuôn gốm chịu nhiệt thay vì bột thạch cao. Chi tiết nhỏ cần độ chính xác cao cũng có thể cân nhắc in 3D kim loại trực tiếp.

Bao lâu thì có sản phẩm từ file 3D?

Với trang sức nhỏ, nếu file đã chuẩn, in mẫu vài giờ, rửa và sấy, đốt khuôn qua đêm, rót và hoàn thiện ngày hôm sau. Tượng lớn chia mảnh thì lâu hơn nhiều, phụ thuộc số mảnh và công hàn ghép.

Lời cuối

In 3D resin đốt không thay thế người thợ, nó thay cái dao khắc sáp. Phần còn lại của đúc sáp mất như thiết kế đường rót, đốt khuôn, rót kim loại, hoàn thiện vẫn cần kinh nghiệm. Ai nắm được cả hai, thiết kế số và kỹ thuật đúc truyền thống, sẽ làm ra hàng nhanh hơn, đều hơn, và dám nhận những mẫu mà trước đây khắc tay không nổi.

Nếu bạn cần in mẫu gốc khổ lớn để làm khuôn, in mẫu resin cho đúc, hay chỉ muốn hỏi thiết kế đã ổn chưa, có thể liên hệ xưởng CT3D qua hotline/Zalo 0888 7999 38 hoặc 0975 008 728.

Nguồn tham khảo

• Encyclopaedia Britannica – Lost-wax process: https://www.britannica.com/technology/lost-wax-process
• The Metropolitan Museum of Art – The Technique of Bronze Statuary in Ancient Greece: https://www.metmuseum.org/essays/the-technique-of-bronze-statuary-in-ancient-greece
• Encyclopaedia Britannica – Investment casting: https://www.britannica.com/technology/investment-casting
• Formlabs (tài liệu hãng) – 3D Printing for Jewelry: https://formlabs.com/industries/jewelry/
• Formlabs (tài liệu hãng) – Lost-Wax Casting: https://formlabs.com/blog/lost-wax-casting/