BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ VÀ CHẾ TẠO MẪU NHANH KẾT CẤU HỆ THỐNG ĐẦU IN BIOPRINTER NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S PHẠM BÁ KHIỂN Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Phùng Quang Thắng 1611040406 16DCKA3 Nguyễn Diêu Minh Quý 1611040296 16DCKA3 Tp Hồ Chi Minh, tháng 9 năm 2021 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC 3 1 1 Công nghệ in 3D 3 1 2 Giới thiệu về công nghệ in 3D sinh học 3 1 3 Ứng d.
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC
Công nghệ in 3D
In 3D, hay còn gọi là Công nghệ bồi đắp vật liệu, là quy trình tạo ra vật thể ba chiều bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu dưới sự kiểm soát của máy tính Các đối tượng được hình thành từ mô hình 3D hoặc dữ liệu điện tử khác, sử dụng các công nghệ như in li-tô lập thể (STL) và mô hình hoá lắng đọng nóng chảy (FDM) Khác với gia công loại bỏ vật liệu truyền thống, In 3D cho phép sản xuất từng lớp vật liệu để tạo thành đối tượng ba chiều từ thiết kế hỗ trợ phần mềm như AutoCAD hoặc các tập tin AMF Thuật ngữ "In 3D" hiện nay còn bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau như quy trình phun và thiêu kết, mở rộng khái niệm về sản xuất đắp dần.
Giới thiệu về công nghệ in 3D sinh học
In 3D sinh học là phương pháp kết hợp in 3D và kỹ thuật tương tự để tạo ra các bộ phận y sinh, mô phỏng các đặc điểm tự nhiên của mô Phương pháp này sử dụng công nghệ tạo từng lớp để chuyển đổi mực sinh học thành các cấu trúc giống như mô, phục vụ cho các ứng dụng trong y học.
Trang 4 lĩnh vực kỹ thuật y tế và mô In sinh học bao gồm một sử dụng một loạt các vật liệu sinh học
Hiện nay, in sinh học đang được ứng dụng để tạo ra các mô và cơ quan, phục vụ cho nghiên cứu thuốc và liệu pháp điều trị Những tiến bộ mới nổi trong công nghệ này liên quan đến việc tái tạo tế bào hoặc sử dụng ma trận ngoại bào được xếp lớp trong gel 3D, giúp hình thành các mô hoặc cơ quan mong muốn Sự phát triển mạnh mẽ của in 3D chứng tỏ tiềm năng to lớn của công nghệ này trong nghiên cứu và y học tái sinh Hơn nữa, in 3D sinh học cũng đang tích hợp việc in ấn giàn giáo, cho phép tái tạo các khớp và dây chằng hiệu quả.
Ứng dụng của in 3D trong y học và cuộc sống
Công nghệ in 3D đang tạo ra bước ngoặt quan trọng trong ngành y học, hỗ trợ bác sĩ phẫu thuật và nhân viên phục hình trong việc cải thiện tình trạng bệnh nhân Công nghệ này không chỉ cho phép in các thiết bị y tế mà còn cung cấp những ứng dụng đa dạng trong điều trị và phục hồi sức khỏe Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho ứng dụng của công nghệ in 3D trong lĩnh vực y tế.
Hình 1.1 Thay khớp, ghép xương nhân tạo
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ in 3D và vật liệu thay thế y sinh học, đặc biệt là vật liệu PEEK, đã mở ra hướng đi mới trong điều trị bệnh nhân có u xương phức tạp Vào tháng 11/2019, Bệnh viện đa khoa Xanh Pôn, Hà Nội, đã thực hiện thành công hai ca ghép xương đùi bằng vật liệu PEEK in 3D, dài gần 20 cm, thay thế cho đầu trên xương đùi của hai nam bệnh nhân bị biến dạng do u xương.
Hình 1.2 Ghép tai nhân tạo
Vào tháng 7, trung tâm nghiên cứu tế bào gốc đa năng của Đại học Tokyo và Đại học Kyoto đã tiến hành nghiên cứu tái sinh bộ phận tai con người Các nhà khoa học trong dự án này cho biết họ sẽ sử dụng công nghệ in 3D để tạo khuôn cho lớp sụn tai, một bộ phận có cấu trúc phức tạp.
Hình 1.3 Làm chân tay giả
Các nhà khoa học đang áp dụng công nghệ in 3D để phát triển các thiết bị sinh học tương thích với cơ thể con người, như tay và chân giả Việc nghiên cứu và chế tạo những thiết bị này nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống cho những người khuyết tật và mang lại giải pháp tiên tiến trong y học.
Công nghệ in 3D đang trở nên phổ biến với nhiều quy mô và quy trình vận hành khác nhau Việc nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu in Bioprinter trong lĩnh vực y tế là hoàn toàn khả thi Quá trình nghiên cứu này không chỉ giúp nhóm hiểu sâu hơn về công nghệ in 3D sinh học mà còn hỗ trợ cho các nghiên cứu trong tương lai.
Do vậy, nên nhóm em quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy tạo mẫu nhanh kết cấu hệ thống đầu in BioPrinter”
2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Công nghệ in 3D đang cách mạng hóa ngành y tế bằng cách cho phép in các bộ phận cơ thể như thận và gan, từ đó chuyển từ lý thuyết khoa học viễn tưởng sang thực tế Nó cung cấp cho các học viên y khoa, bao gồm bác sĩ phẫu thuật và kỹ thuật viên, những thiết bị y tế và chỉnh hình được tùy chỉnh theo hình thái học của bệnh nhân Ngoài ra, công nghệ này còn giúp xem trước các mô hình phẫu thuật và tạo ra các chất thay thế gốm phục vụ cho việc tái tạo xương, mở ra một kỷ nguyên mới đầy hứa hẹn cho y học.
Công nghệ in sinh học (bioprinting) đang nổi lên như một ứng dụng tiềm năng hàng đầu của in 3D trong y học, cho phép sản xuất các bộ phận cơ thể người để cấy ghép Quá trình này liên quan đến việc tạo ra các mô và cơ quan nội tạng thông qua việc in từng lớp vào một cấu trúc 3 chiều Các bộ phận được chế tạo từ vật chất di truyền của chính bệnh nhân, đảm bảo sự tương thích hoàn hảo với mô và bộ phận cần thay thế Hãy tưởng tượng, chỉ với một cú click chuột, chúng ta có thể in ra các bộ phận như da, khí quản, bàng quang, và cả những cơ quan phức tạp hơn như tim.
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển đầu in 3D bioprinting, nhóm nghiên cứu đã tìm ra phương pháp hiệu quả và chế tạo thành công đầu in, đáp ứng nhu cầu và tính cấp thiết của đề tài.
3 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Phương pháp in 3D đùn:
Các phương pháp in 3D dựa trên đùn, như mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM) và viết mực trực tiếp (DIW), là những kỹ thuật phổ biến trong chế tạo thiết bị cho ứng dụng kỹ thuật mô Quy trình sản xuất này sử dụng mực được ép qua vòi phun dưới dạng chất lỏng nhớt hoặc tan chảy, tạo thành các đường riêng lẻ đông đặc trên tấm xây dựng Trong FDM, mực ở dạng rắn (thường có đường kính 1,50 hoặc 1,75 mm) được nấu chảy tại vòi phun với nhiệt độ lên đến 200 °C và ép đùn bằng hệ thống trục lăn Điều này yêu cầu vật liệu, chủ yếu là polyme, có khả năng chuyển đổi từ rắn sang lỏng và đông đặc dễ dàng khi làm lạnh Mực viết trực tiếp được tạo ra từ dung môi hòa tan với nước, như dichloromethane (DCM) hay dimethyl sulfoxide (DMSO), bay hơi nhanh khi cô cạn, để lại chất nền polyme rắn hoặc hydrogel sau khi ép đùn.
Tính toàn vẹn cấu trúc của hydrogel in 3D có thể được duy trì sau khi xâm nhập nhờ vào hành vi thixotropic, độ nhạy nhiệt độ, hoặc liên kết chéo, hoặc sự kết hợp của các yếu tố này Đối với công nghệ FDM và DIW, có thể đạt được mức độ ổn định cao trong quá trình in.
10 phân giải cho vị trí vòi phun 25 μm trong mặt phẳng x, y với kích thước đường thẳng và độ dày lớp 200−500 μm, được xác định bởi đường kính vòi phun
Hai phương pháp FDM và DIW gặp khó khăn trong việc tạo cấu trúc với các đoạn dài không được hỗ trợ, dẫn đến tình trạng chùng xuống hoặc sụp đổ do thiếu sức mạnh vật liệu ngay lập tức Để khắc phục vấn đề này, vật liệu điền đầy có thể được loại bỏ sau khi in, nhưng cần sử dụng máy in có đầu phun kép để in song song với mực in thực tế Mặc dù gặp một số thách thức, FDM và DIW vẫn là các phương pháp dễ sử dụng và đã được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật mô.
3.2 Phương pháp in 3D dựa trên kết hợp hạt:
Các phương pháp in phản ứng tổng hợp hạt, như thiêu kết chọn lọc bằng laser (SLS) và liên kết hạt (PB), đã chứng minh ứng dụng quan trọng trong tạo mẫu công nghiệp nhờ khả năng in 3D các vật liệu như polyme, gốm sứ, kim loại và vật liệu tổng hợp thành hình dạng phức tạp SLS sử dụng chùm tia laser, thường là từ tia laser CO2, để làm nóng các hạt polyme hoặc kim loại vượt quá nhiệt độ nóng chảy, từ đó giúp các hạt này hợp nhất với nhau.
Chùm tia được tạo mẫu trên diện tích mặt cắt ngang của đối tượng mô hình hóa bằng máy tính, tạo ra một lớp duy nhất Sau đó, một lớp hạt mới được phủ lên trên và quy trình này được lặp lại Do đó, vật liệu mực phù hợp cho SLS cần có khả năng chế biến thành dạng bột mịn (từ 10 đến 100 μm) và có nhiệt độ nóng chảy có thể đạt được để liên kết với nhau.
Quá trình nung nóng các hạt trong hệ thống giường là rất quan trọng, vì nó yêu cầu động lực hạt tốt và có thể cần chức năng hóa bề mặt để loại bỏ lực tĩnh điện Mặc dù máy SLS thường chậm, cồng kềnh và đắt đỏ, cũng như yêu cầu một lượng lớn vật liệu, nhưng khả năng xử lý đa dạng vật liệu trong một chiếc giường đơn đã chứng minh được tính hữu ích trong nhiều ngành sản xuất.
PB, hay còn gọi là SLS gián tiếp, tuân theo nguyên tắc tương tự như thiêu kết bằng laser chọn lọc, nhưng thay vì làm tan chảy các hạt bằng tia laser, công nghệ này sử dụng dung dịch liên kết lỏng để hợp nhất các hạt trong mỗi lớp, sau đó thực hiện thiêu kết ở nhiệt độ cao để củng cố sản phẩm 3D cuối cùng Độ phân giải của cả hai công nghệ nằm trong khoảng 700-1000 μm theo trục hoành và 100 μm theo trục tung, không chỉ phụ thuộc vào kích thước hạt (10−100 μm) mà còn vào sự phân bố kích thước hạt, đặc tính liên kết vật liệu, chiều rộng laser và chất kết dính Phương pháp SLA và PB đã được ứng dụng để tạo ra các thiết bị cho kỹ thuật mô cứng, bao gồm chỉnh hình và phẫu thuật miệng.
3.3 Phương pháp in 3D hỗ trợ ánh sáng:
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Phương pháp in 3D đùn
Các phương pháp in 3D dựa trên đùn, như mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM) và viết mực trực tiếp (DIW), là những kỹ thuật phổ biến trong chế tạo thiết bị cho các ứng dụng kỹ thuật mô Quy trình sản xuất phụ gia này sử dụng mực được ép qua vòi phun dưới dạng chất lỏng nhớt hoặc tan chảy, tạo thành các đường riêng lẻ đông đặc trên tấm xây dựng Đối với FDM, mực ở dạng rắn (thường có đường kính 1,50 hoặc 1,75 mm) được nấu chảy tại vòi phun có nhiệt độ lên đến 200 °C và được ép đùn bằng hệ thống trục lăn Điều này yêu cầu vật liệu, chủ yếu là polyme, có khả năng chuyển đổi từ rắn sang lỏng và đông đặc khi làm lạnh Trong khi đó, mực viết trực tiếp được tạo thành từ dung dịch polyme trong dung môi dễ bay hơi, để lại một chất nền polyme rắn hoặc hydrogel sau khi ép đùn.
Tính toàn vẹn cấu trúc của hydrogel có thể in 3D được duy trì sau khi xâm nhập nhờ vào hành vi thixotropic, độ nhạy nhiệt độ, hoặc liên kết chéo, hoặc sự kết hợp của các yếu tố này Đối với công nghệ FDM và DIW, mức độ này có thể đạt được một cách hiệu quả.
10 phân giải cho vị trí vòi phun 25 μm trong mặt phẳng x, y với kích thước đường thẳng và độ dày lớp 200−500 μm, được xác định bởi đường kính vòi phun
Hai phương pháp FDM và DIW gặp khó khăn trong việc tạo cấu trúc với các đoạn dài và phần nhô ra sắc nhọn do quá trình chế tạo Việc ép đùn thường thiếu sức mạnh vật liệu, dẫn đến tình trạng phân đoạn không được hỗ trợ bị chùng xuống hoặc sụp đổ Mặc dù đã phát triển vật liệu điền đầy có thể loại bỏ sau in, nhưng chúng cần được in song song với mực in thực tế, yêu cầu máy in có đầu phun kép Tóm lại, FDM và DIW là các phương pháp dễ sử dụng và đã được áp dụng tích cực trong các ứng dụng kỹ thuật mô.
Phương pháp in 3D dựa trên kết hợp hạt
Các phương pháp in phản ứng tổng hợp hạt, như thiêu kết chọn lọc bằng laser (SLS) và liên kết hạt (PB), đang được ứng dụng rộng rãi trong tạo mẫu công nghiệp nhờ khả năng in 3D các vật liệu như polyme, gốm sứ, kim loại và vật liệu tổng hợp thành những hình học phức tạp Trong đó, SLS sử dụng chùm tia laze, thường là từ tia laze CO2, để làm nóng các hạt polyme hoặc kim loại đến nhiệt độ nóng chảy, giúp chúng hợp nhất lại với nhau.
Chùm tia được tạo mẫu trên diện tích mặt cắt ngang của đối tượng mô hình hóa bằng máy tính, tạo ra một lớp duy nhất Khi một lớp hạt mới được phủ lên, quá trình này sẽ lặp lại Do đó, vật liệu mực phù hợp cho SLS cần được chế biến thành dạng bột mịn với kích thước từ 10 đến 100 μm, và phải có nhiệt độ nóng chảy đạt được để liên kết hiệu quả.
Quá trình nung nóng các hạt trong hệ thống giường là rất quan trọng, và để đạt được động lực hạt tốt, có thể cần chức năng hóa bề mặt để loại bỏ lực tĩnh điện Mặc dù máy SLS thường chậm, cồng kềnh, đắt tiền và tiêu tốn nhiều vật liệu, nhưng khả năng xử lý đa dạng vật liệu trong một chiếc giường đơn đã chứng minh tính hữu ích trong nhiều ngành sản xuất.
PB, hay còn gọi là SLS gián tiếp, áp dụng nguyên tắc tương tự như thiêu kết bằng laser chọn lọc, nhưng thay vì làm tan chảy các hạt bằng tia laser, công nghệ này sử dụng dung dịch liên kết lỏng để hợp nhất các hạt trong mỗi lớp, sau đó tiến hành thiêu kết ở nhiệt độ cao để tạo ra sản phẩm 3D cuối cùng Độ phân giải của cả hai công nghệ dao động từ 700-1000 μm theo trục hoành và 100 μm theo trục tung, không chỉ phụ thuộc vào kích thước hạt (10−100 μm), mà còn vào sự phân bố kích thước hạt, đặc tính liên kết vật liệu, cũng như chiều rộng laser hoặc chất kết dính Phương pháp SLA và PB đã được ứng dụng để chế tạo các thiết bị cho các lĩnh vực kỹ thuật mô cứng, bao gồm chỉnh hình và phẫu thuật miệng.
Phương pháp in 3D hỗ trợ ánh sáng
In 3D, hay còn gọi là kỹ thuật in lập thể (SLA), là phương pháp sản xuất phụ gia đầu tiên được phát triển và thương mại hóa bởi Charles Hull vào giữa những năm 1980 Quy trình SLA sử dụng một chùm ánh sáng (UV hoặc laser) chiếu lên bể polyme lỏng có thể phân giải quang để tạo ra lớp polyme cứng Sau khi trùng hợp, quá trình chế tạo tiếp tục bằng cách hạ thấp mẫu vào dung dịch, cho phép lớp nhựa mới phủ lên bề mặt và lớp tiếp theo được trùng hợp lên lớp trước Những tiến bộ gần đây trong công nghệ đã phát triển nhiều nguồn sáng cho quy trình này.
12 mạnh mẽ hơn và hệ thống thấu kính gương tái tạo đã cải thiện đáng kể SLA về cả tốc độ và độ phân giải của nó
Tumbleston et al đã chứng minh khả năng tạo ra liên tục các bộ phận cao phân tử có kích thước lên đến hàng chục cm với độ phân giải tính năng dưới 100 μm trong vài phút Họ thiết lập một giao diện chất lỏng liên tục với một cửa sổ thấm oxy bên dưới mặt phẳng chiếu hình ảnh tia cực tím, giúp ức chế quá trình quang tạo giữa cửa sổ và phần trùng hợp Trong số các phương pháp in, SLA nổi bật với độ phân giải cao, với SLA truyền thống đạt độ phân giải 25 μm, trong khi các thiết bị SLA siêu nhỏ (μ-SLA) và SLA độ phân giải cao có thể đạt độ phân giải trong phạm vi micromet đơn lẻ.
SLA đã gặp phải nhiều hạn chế trong ứng dụng y sinh do tính chất khắc nghiệt của liên kết chéo bằng tia UV, quy trình xử lý phức tạp, đặc tính cơ học chưa đủ mạnh, sự tồn tại của nhựa lỏng trong sản phẩm cuối cùng, và đặc biệt là sự thiếu hụt các vật liệu tương thích sinh học và phân hủy sinh học phù hợp Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực polyme phân hủy sinh học hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho công nghệ SLA trong y sinh.
Phương pháp in phun
Phun cho phép bố trí giọt riêng lẻ với khối lượng rất nhỏ (1−100 picoliters) từ vòi phun đến bề mặt in nhằm tạo cấu trúc postolidification Đầu in phun nhiều đầu phun, chứa hàng trăm đầu phun riêng lẻ, đã được phát triển để tăng tốc quá trình in Máy in phun được chia thành hai nhóm chính dựa trên cơ chế tạo giọt: in phun liên tục (CIJ) và in phun giọt (DOD).
Trong in phun DOD, giọt mực có đường kính từ 25 đến 50 μm được tạo ra khi cần thiết, với độ phân giải không gian cao và độ chính xác vị trí khoảng 10 μm Ba giai đoạn quan trọng trong quá trình in phun bao gồm tạo giọt, tương tác giữa giọt và chất nền, và rơi chất rắn, ảnh hưởng đến khả năng in của mực Các đặc tính cần thiết của mực, như độ nhớt và sức căng bề mặt, rất quan trọng; độ nhớt thường dưới 10 cP và sức căng bề mặt từ 28 đến 350 mN/m Độ phân giải và độ chính xác của đối tượng in phụ thuộc vào sự tương tác giữa các giọt và giữa giọt với chất nền Cuối cùng, quá trình chuyển đổi từ lỏng sang rắn, thông qua bay hơi dung môi hoặc kiểm soát nhiệt độ, quyết định hình dạng và kích thước của sản phẩm in.
Mực ở dạng dung dịch có khả năng quang hóa và huyền phù keo, cho phép sử dụng polyme khối lượng phân tử cao với độ nhớt thấp trong các ứng dụng kỹ thuật mô Hệ thống treo gốm đã được in bằng phương pháp in phun, trong khi polyme trong dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy có thể trải qua các thay đổi cấu trúc không thể đảo ngược do biến dạng Điều này có thể dẫn đến việc cắt xích nếu tốc độ kéo dài chuỗi vượt quá tốc độ giãn chuỗi, cho phép tích hợp vật liệu sinh học, bao gồm cả tế bào.
Công nghệ in sinh học không vòi và hồ bơi mở đang giải quyết vấn đề về lực cắt và nhiệt độ trong quá trình ép đùn, ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào Để duy trì sự hình thành giọt và giảm tắc nghẽn, mật độ tế bào thường bị giới hạn so với mật độ sinh lý Hơn nữa, in phun không thể tạo ra các cấu trúc không được hỗ trợ như phần nhô ra và cầu Tuy nhiên, in phun đã được ứng dụng thành công trong kỹ thuật mô, bao gồm chất bám dính sinh học, chất tạo màng và tế bào sống, cũng như trong các lĩnh vực dược phẩm.
Hình 3.1 Các loại vật liệu sinh học để in 3D
THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ THÍ NGHIỆM
Nguyên lý hoạt động của đầu kim in 3D bioprinter
Để máy in 3D hoạt động hiệu quả, cần một hệ thống phần mềm điều khiển, xử lý thiết kế CAD (tệp STL) và chia thành các lớp Phần mềm tính toán đường chạy cho đầu in, cho phép máy ép đùn nguyên liệu theo kế hoạch đã định Bàn in được đặt ở độ cao nhất và hệ thống chuyển động trục XY điều khiển đầu in theo thiết kế Sau khi hoàn thành một lớp in, hệ thống trục Z sẽ di chuyển bàn in để tiếp tục in lớp kế tiếp, chồng lên lớp trước đó.
Hình 4.1 Cơ cấu di chuyển của đầu in
Trong in 3D, ngoài vật liệu nhựa chính, còn có vật liệu hỗ trợ (support) được sử dụng để in các lỗ rỗng và phần nhô ra Vật liệu hỗ trợ này đóng vai trò như một dàn đỡ, được tạo ra tự động với nhiều dạng khác nhau.
Vật liệu hỗ trợ in 3D được làm từ cùng chất liệu như vật liệu chính, giúp dễ dàng bóc tách sau khi in Loại vật liệu này tan trong nước, vì vậy sản phẩm in sẽ được ngâm trong bồn nước để tan chảy Máy in sử dụng vật liệu hỗ trợ sẽ cần một vòi phun khác biệt để đảm bảo quá trình in diễn ra suôn sẻ.
Hình 4.2 Quy trình in 3D của các lớp in
Quy trình in 3D với bản chất từng lớp tạo ra chi tiết có xu hướng đẳng hướng ngang, nghĩa là vật liệu có hai cơ tính khác nhau: một theo trục và một theo trục vuông góc Điều này dẫn đến độ cứng tốt hơn ở trục XY so với trục Z Do đó, việc xem xét hướng in trong quá trình thiết kế là rất quan trọng để tối ưu hóa tính chất cơ học của sản phẩm.
Các loại đầu in
In ba chiều (3D) đang trở thành một kỹ thuật phổ biến trong chế tạo thiết bị cho ứng dụng kỹ thuật mô, nhờ vào khả năng cung cấp thiết kế cá nhân hóa, cấu trúc phức tạp và sản xuất nhanh chóng với chi phí thấp Tuy nhiên, sự thiếu đa dạng trong “mực vật liệu sinh học” vẫn là một rào cản lớn đối với việc áp dụng rộng rãi in 3D trong sản xuất phong thủy sinh học Khả năng in của vật liệu sinh học phụ thuộc vào công nghệ in và đầu in sử dụng.
Mặc dù đã phát triển nhiều loại mực sinh học như polyme, gốm sứ, hydrogel và vật liệu tổng hợp, ngành công nghiệp vẫn gặp khó khăn trong việc chế biến chúng thành thiết bị tự hỗ trợ với cơ học có thể điều chỉnh, khả năng suy thoái và hoạt tính sinh học.
Hình 4.3 Các giai đoạn phổ biến của quy trình in 3D Bio để phát triển các thiết bị mô phỏng
Hình 4.4 Van đầu kim in V110-S hãng Unicontrol Singapore
Van phân phối và van kim có khả năng phân phối chính xác các vật liệu từ độ nhớt thấp như nước đến độ nhớt cao, nhờ vào vùng chất lỏng chết tối thiểu giữa các lần bắn Chúng dễ bảo trì và có thời gian chết rất ít Thiết bị điều chỉnh hành trình cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh kích thước bắn với độ chính xác cao Van kim cũng thích hợp cho các vật liệu có chứa chất độn như epoxy một thành phần, sơn và silicone Áp suất không khí vận hành khoảng 0.29MPa và áp suất cấp liệu tối đa đạt 0.69MPa, đảm bảo khối lượng nguyên liệu pha chế tối thiểu.
Thời gian chu kỳ tối đa đạt 200 lần/phút, với đường kính kết nối ống và áp suất không khí IN là M5 hoặc sử dụng bộ ghép nối chuyên dụng Vật liệu kết nối IN là Rc1/8, và cần có bộ chuyển đổi để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hình 4.5 Van đầu kim in SV401 hãng Seajong
Van kim SV401 là sản phẩm chính xác, dễ dàng điều chỉnh với núm điều chỉnh, được thiết kế nhỏ gọn cho phản hồi nhanh và độ chính xác cao Nó phù hợp với các loại vật liệu như chất kết dính UV, Tuffy và mỡ bôi trơn SV401 thường được ứng dụng trong các quá trình chiết rót, đúc khuôn và niêm phong, với áp suất phân phối chất lỏng đạt 60kgf/cm² và áp suất không khí hoạt động từ 4 đến 5kgf/cm².
Sau khi lựa chọn và xác định phương hướng thiết kế, nhóm đã tham khảo đầu kim in V110-S để thực hiện nghiên cứu và thiết kế Để lắp đặt đầu in, nhóm cần bổ sung một số vật liệu cần thiết.
Hình 4.6 Bộ chuyển đổi kết nối van đầu in
Hình 4.7 Hình ảnh mô phỏng sau khi kết nối adapter và van đầu in
Thiết kế mô hình và hệ thống đầu in 3D bioprinter
Hình 4.8 Ống dẫn vật liệu sinh học
Hình 4.9 Bộ phận truyền dẫn dòng chảy
Hình 4.11 Núm điều chỉnh dòng chảy
Hình 4.14 Cổng cung cấp vật liệu
Hình 4.15 Cổng cung cấp vật liệu sinh học
Hình 4.18 Bản lắp ráp các chi tiết
Tính toán, thiết kế phần kiện
Trong đồ án này, nhóm đã chọn sử dụng board Arduino Mega 2560 vì tính dễ sử dụng, ngay cả với những người không chuyên Board này phổ biến, dễ tìm kiếm và có ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, cùng với khả năng kết nối phần cứng thuận tiện.
Board mạch Arduino Mega 2560 là một vi xử lý mạnh mẽ, được thiết kế để phát triển các ứng dụng tương tác hiệu quả với nhau và với môi trường xung quanh Nó được xây dựng dựa trên nền tảng vi xử lý ATmega, mang lại khả năng linh hoạt và tiện ích cho người dùng.
Bảng mạch 2560 8bit được trang bị 54 chân digital I/O và 16 chân analog input, hoạt động với bộ tạo dao động 16MHz Nó hỗ trợ nguồn cấp qua cổng USB hoặc nguồn DC từ 6 đến 20V.
Vi xử lý Atmega 2560 Điện áp hoạt động 5 V Điện áp vào (khuyên dùng) 7 – 12 V Điện áp vào (tối đa) 6 – 20 V
Dòng điện trên các chân I/O 20 mA
Bộ nhớ Flash 256 KB (8 KB cho bootloader)
Hình 4.20 Thông số board Arduino Mega 2560
Vi điều khiển có thể lập trình và flash code dễ dàng thông qua phần mềm Arduino IDE, sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ Ngôn ngữ lập trình này tương đối đơn giản, dễ hiểu, ngay cả với người không chuyên về vi điều khiển Phần mềm Arduino IDE cung cấp giao diện thân thiện để flash code cho board Arduino Mega 2560.
29 trực quan, dễ sử dụng Hệ thống thư viện và mã nguồn dành cho arduino mega khá lớn do đó thuận tiện cho quá trình sử dụng
Hình 4.21 Giao diện phần mêm Arduino IDE
Khi kết nối các thiết bị ngoại vi như driver và công tắc hành trình, việc nối dây trực tiếp vào board vi điều khiển có thể gây ra nhầm lẫn do số lượng dây lớn, dẫn đến mạch điện không hoạt động và có nguy cơ cháy board Arduino Hơn nữa, việc sử dụng quá nhiều dây cũng ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của hệ thống.
Một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề kết nối giữa board vi điều khiển và các thiết bị khác là sử dụng board giao tiếp trung gian Nhằm đảm bảo tính tương thích, giá thành hợp lý và sự tiện lợi trong quá trình lắp đặt, nhóm đã quyết định sử dụng Board RAMPS.
RAMPS là board mạch nhỏ gọn và giá rẻ, được thiết kế để kết nối các thiết bị điện cho máy in 3D Với các plug-in tương thích với driver động cơ bước, board này dễ dàng mở rộng và thay thế linh kiện khi hư hỏng RAMPS giao tiếp hiệu quả với board Arduino Mega 2560, mang lại nền tảng mạnh mẽ và khả năng mở rộng tốt Thiết kế của board mạch giúp việc kết nối và lắp đặt với các thiết bị khác trở nên đơn giản.
Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý board RAMPS
Một số đặc tính của board RAMPS:
Tương thích với máy in 3D theo tọa độ Dercartes, robot delta
3 mosfet cho quạt tản nhiệt và bộ gia nhiệt, 3 mạch điều khiển nhiệt độ
Hỗ trợ điều khiển 2 tối đa 2 trục Z đối với các máy Prusa
Các chân I2C và SPI để thuận lợi cho việc mở rộng board mạch
5 CHƯƠNG 5: THI CÔNG SẢN PHẨM
6 CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 6.1 Kết quả đạt được:
Sau khi nghiên cứu và thiết kế, nhóm đã thành công trong việc chế tạo mô hình đầu in 3D y tế Tuy nhiên, do tình hình dịch bệnh tại TP.HCM, nhóm không thể lắp ráp, hoàn thiện sản phẩm và tiến hành in thử nghiệm.
Một số hình ảnh đầu in 3D:
Hình 6.1 Bản vẽ đầu in hoàn thiện Trước khi sử dụng đầu in do dùng trong lĩnh vực y tế nên khử trùng hoặc sát khuẩn trước khi sử dụng
- Khắc phục các lỗi trên máy
- Xây dựng máy in có thể in được nhiều màu sắc
- Cải thiện tốc độ in cao hơn
- Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao hơn Ưu điểm:
- Có thể lắp ráp trên nhiều loại máy in 3D
- Nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp
- Độ chính xác chưa đạt được mục tiêu đặt ra là 0,1 mm
- Còn nhiều lỗi trong quá trình vận hành đầu in do tình hình dịch nên nhóm chưa thể khắc phục được
Quá trình nghiên cứu và thiết kế chế tạo đầu in của nhóm đồ án đã áp dụng kiến thức tích lũy trong suốt những năm học Chúng tôi đã thực hiện từ phân tích, nghiên cứu đến thiết kế và lựa chọn nguyên vật liệu Nhờ vào yêu cầu của đề tài, nhóm đã hoàn thành hầu hết các mục tiêu đề ra, giúp củng cố nền tảng kiến thức vững chắc trước khi bước vào thực tế công việc sau khi tốt nghiệp Chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến những ý kiến đóng góp quý báu đã hỗ trợ quá trình nghiên cứu của nhóm.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bá Khiển cùng nhóm nghiên cứu từ đại học Quốc tế đã hỗ trợ và đồng hành cùng chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu này.
[1] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, tập 2, NXB giáo dục Việt Nam, 2010
[2] Công nghệ chế tạo máy, GS.TS Trần Văn Địch - Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, 2003
[4] https://www.unicontrols-asia.com/
[5] HIWIN Linear guideway catalouge, www.hiwin.com/downloads.html
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN
Kết quả đạt được
Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế, nhóm đã phát triển thành công mô hình đầu in 3D y tế Tuy nhiên, do tình hình dịch bệnh tại TP.HCM, nhóm không thể tiến hành lắp ráp, hoàn thiện sản phẩm và in thử nghiệm.
Một số hình ảnh đầu in 3D:
Hình 6.1 Bản vẽ đầu in hoàn thiện Trước khi sử dụng đầu in do dùng trong lĩnh vực y tế nên khử trùng hoặc sát khuẩn trước khi sử dụng
- Khắc phục các lỗi trên máy
- Xây dựng máy in có thể in được nhiều màu sắc
- Cải thiện tốc độ in cao hơn
- Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao hơn Ưu điểm:
- Có thể lắp ráp trên nhiều loại máy in 3D
- Nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp
- Độ chính xác chưa đạt được mục tiêu đặt ra là 0,1 mm
- Còn nhiều lỗi trong quá trình vận hành đầu in do tình hình dịch nên nhóm chưa thể khắc phục được
Kết luận
Trong quá trình nghiên cứu và thiết kế chế tạo đầu in, nhóm đồ án đã áp dụng những kiến thức đã học được trong suốt những năm qua, từ phân tích và nghiên cứu đến thiết kế và lựa chọn nguyên vật liệu Nhờ vào yêu cầu của đề tài, nhóm đã hoàn thành hầu hết các mục tiêu đề ra, giúp củng cố nền tảng kiến thức vững chắc trước khi bước vào công việc thực tế sau khi tốt nghiệp Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu đã hỗ trợ quá trình nghiên cứu của nhóm.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bá Khiển cùng nhóm nghiên cứu từ đại học Quốc tế đã hỗ trợ và đồng hành với chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu này.
