TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Công nghệ mô sinh học
Công nghệ mô, được giới thiệu lần đầu bởi Robert Nerem vào năm 1988, là quá trình áp dụng các nguyên tắc kỹ thuật và khoa học đời sống để hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của mô bình thường và bệnh lý ở động vật có vú Công nghệ này tập trung vào việc phục hồi, cải thiện và duy trì các mô bị tổn thương do bệnh tật, chấn thương hoặc khuyết tật bẩm sinh Lĩnh vực kỹ thuật mô mang tính đa ngành, thu hút chuyên gia từ y học lâm sàng, kỹ thuật y sinh, khoa học vật liệu, di truyền học và nhiều ngành liên quan khác Phương pháp tái tạo mô truyền thống chủ yếu dựa vào ghép tự động, nhưng gặp phải thách thức về nguồn cung mô hiến tặng và rủi ro liên quan đến bệnh tật và nhiễm trùng.
Giá thể nhân tạo hiện nay được sử dụng như cấu trúc hỗ trợ nuôi cấy tế bào, giúp sửa chữa các mô hoặc cơ quan bị suy yếu Chúng hoạt động như khuôn mẫu để hình thành mô, thường được gieo mầm với tế bào và yếu tố tăng trưởng, hoặc nhận các kích thích sinh lý trong lò phản ứng sinh học Các giá thể này có thể được nuôi cấy trong ống nghiệm để tổng hợp mô, sau đó cấy vào vị trí bị thương.
Hình 1.1 Mô hình hoạt động nghiên cứu ngành kỹ thuật mô
Công nghệ mô có nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm việc tạo ra các bộ phận phục hồi hoặc thay thế chức năng của mô như xương, sụn, mạch máu, da, lỗ tai và cơ Ngoài ra, công nghệ này còn giúp sản xuất các bộ phận có cấu trúc và chức năng tương tự như mô thật mà không cần thay thế, chẳng hạn như van tim và dây chằng.
Hình 1.2 Các sản phẩm điển hình từ công nghệ mô
Công nghệ mô liên quan đến bốn thành phần chính: (1) các tế bào được chọn lọc và thu nhận, (2) khung hỗ trợ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp, (3) các phân tử tín hiệu như protein và yếu tố tăng trưởng, và (4) bồn phản ứng sinh học cung cấp môi trường cho sự tăng sinh và biệt hóa tế bào.
Hình 1.3 Bốn thành phần chính của công nghệ mô sinh học
Khung hỗ trợ trong công nghệ mô
Trong công nghệ mô, khung hỗ trợ đóng vai trò quan trọng như chất mang tế bào, giúp tạo ra môi trường thuận lợi cho sự phát triển và sinh sản của tế bào Việc sử dụng khung hỗ trợ này không chỉ nâng cao khả năng sống sót của tế bào mà còn tối ưu hóa quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng.
Khung hỗ trợ 3D đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu thiếu hụt các bộ phận cấy ghép như thận và tim, đồng thời giảm việc sử dụng động vật thí nghiệm và nâng cao độ tin cậy của kết quả thực nghiệm Các mô hoặc cơ quan nhân tạo sẽ được cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân, đòi hỏi khung hỗ trợ phải có hình dạng hình học tương ứng với mô hoặc cơ quan bị tổn thương Điều này yêu cầu khung hỗ trợ có cấu trúc rỗng ba chiều với kích thước lỗ và phân bố lỗ phù hợp, như kích thước lỗ 100 µm cho tế bào tim và các kích thước khác cho mô xương Ngoài ra, khung hỗ trợ cần có đặc tính thoái hóa để cho phép tế bào di chuyển và phát triển, cũng như cung cấp các đặc tính cơ học và ổn định hình dạng để chịu đựng ứng suất và duy trì tính toàn vẹn cấu trúc.
Hình 1.4 Khung hỗ trợ trong công nghệ mô
Khung hỗ trợ được sản xuất từ nhiều loại vật liệu sinh học và áp dụng nhiều kỹ thuật chế tạo nhằm tái tạo mô và cơ quan trong cơ thể Khi thiết kế khung hỗ trợ, các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, đặc tính cơ học, cấu trúc và phương pháp chế tạo.
Công nghệ chế tạo khung hỗ trợ
Các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp chế tạo khung hỗ trợ trong công nghệ mô, bao gồm đúc dung môi kết hợp, rửa trôi hạt, tách pha cảm ứng nhiệt (TIPS) và làm khô đông lạnh Tuy nhiên, những phương pháp này gặp hạn chế trong việc tạo ra cấu trúc hình học đa dạng với tỷ lệ chiều dài khác nhau, dẫn đến hiệu quả không cao trong việc đạt được độ rỗng đồng đều và tính liên kết tốt Gần đây, các kỹ thuật tiên tiến như in 3D và kỹ thuật đúc kết hợp đã được phát triển, mở ra khả năng mới trong việc chế tạo khung hỗ trợ với chất lượng tốt hơn.
Công nghệ 3D đã cách mạng hóa thiết kế và phát triển sản phẩm y tế, cho phép chế tạo khung sinh học với độ chính xác và khả năng lặp lại cao, mang lại nhiều lợi ích cho ngành y tế.
Abdalla Eltom, Gaoyan Zhong và Ameen Muhammad đã nghiên cứu và phân loại các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ 3D thành hai nhóm chính: phương pháp tạo mẫu thông thường và tạo mẫu nhanh (RP) Các kỹ thuật chế tạo thông thường như làm khô đông lạnh, đúc dung môi, tạo bọt khí và tách pha cảm ứng nhiệt chủ yếu nhằm xây dựng các cấu trúc polyme xốp để kết dính tế bào, nhưng gặp khó khăn trong việc tạo ra các cấu trúc phức tạp Ngược lại, phương pháp tạo mẫu nhanh cung cấp nhiều cơ hội cho kỹ thuật mô, cho phép kiểm soát độc lập các tính năng ở cả tỷ lệ vĩ mô và vi mô, từ đó chế tạo các cấu trúc đa bào cần thiết cho các chức năng phức tạp Hơn nữa, việc kết hợp dữ liệu hình ảnh y học lâm sàng với kỹ thuật chế tạo 3D mở ra khả năng sản xuất tùy chỉnh và hàng loạt trong thời gian ngắn.
Các phương pháp in 3D khung hỗ trợ
Công nghệ in 3D, hay còn gọi là công nghệ tạo mẫu nhanh, cho phép sản xuất sản phẩm trực tiếp từ mô hình thiết kế CAD Máy in 3D có khả năng chế tạo các vật thể từ nhiều loại vật liệu như gỗ, gốm, nhựa và kim loại thông qua các mặt cắt ngang mỏng Kỹ thuật này giúp kiểm soát chính xác không gian cấu trúc polyme, giải quyết nhiều vấn đề mà phương pháp sản xuất truyền thống gặp phải Các phương pháp in 3D như FDM, SLS và SLA đã được áp dụng để chế tạo khung sinh học, sử dụng các vật liệu sinh học tương thích như nhựa tổng hợp, polyme tự nhiên, gốm tự nhiên và kim loại phân hủy sinh học.
Hình 1.5 Phương pháp in 3D FDM
Phương pháp FDM (Fused Deposition Modeling) sử dụng vật liệu polyme rắn được nấu chảy và đùn qua vòi phun để tạo ra các hình dạng 3D phức tạp Quy trình này cho phép tạo ra các cấu trúc rỗng, rất quan trọng trong thiết kế vì hỗ trợ lưu thông mạch máu, khuếch tán chất dinh dưỡng, vận chuyển oxy và loại bỏ chất thải Nghiên cứu về chế tạo khung sinh học bằng công nghệ in 3D ép đùn với thiết bị làm mát hỗ trợ được thực hiện bởi Q Hamid, J Snyder và các đồng nghiệp.
Một bộ thí nghiệm in 3D đã được phát triển sử dụng vít me và bộ phận gia nhiệt để ép đùn vật liệu Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy rằng ở nhiệt độ ép đùn cao, nhóm tác giả có khả năng chế tạo khung hỗ trợ với tính liên kết, toàn vẹn cấu trúc và độ xốp tương tự như các khung hỗ trợ thử nghiệm thông thường.
Hình 1.6 Hệ thống in 3D ép đùn bằng vít me
Hình 1.7 Kết quả hệ thống in 3D phương pháp ép đùn vít me
FDM là một công nghệ hữu ích trong thiết kế khung hỗ trợ, nhưng gặp phải trở ngại do yêu cầu về sợi có kích thước phù hợp để cấp liệu qua con lăn và vòi phun Ngoài ra, FDM cũng có những hạn chế khi ứng dụng với các polyme phân hủy sinh học Để khắc phục những nhược điểm này, nhiều quy trình FDM sửa đổi đã được nghiên cứu.
Hình 1.8 Phương pháp in 3D SLS
Phương pháp SLS (Selective Laser Sintering) được phát triển vào năm 1986 bởi Austin tại Đại học Texas, là một kỹ thuật tiên tiến sử dụng tia laser làm nguồn năng lượng để thiêu kết vật liệu dạng bột theo mô hình 3D trong các lớp mỏng.
Kỹ thuật sử dụng tia laser đã được áp dụng để chế tạo nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm polyme, kim loại và gốm sứ Hiệu quả của phương pháp này được chứng minh qua việc sản xuất khung hỗ trợ từ polyethylene trọng lượng nhẹ.
Trong việc chế tạo vi cầu phức hợp sinh học, công nghệ SLS (Selective Laser Sintering) cho phép kiểm soát hiệu quả các cấu trúc vi mô của khung hỗ trợ thông qua việc điều chỉnh các thông số quy trình như tỷ lệ phần trăm của hỗn hợp bột polymer Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của SLS là cần thêm quy trình để loại bỏ bột dư thừa sau khi chế tạo.
Hình 1.9 Hệ thống in 3D SLA
Phương pháp SLA (Stereolithography) là công nghệ in 3D sử dụng tia cực tím (UV) để tạo ra các vật thể rắn bằng cách in từng lớp nhựa lỏng cảm quang Hệ thống bao gồm bể chứa nhựa, nền tảng chuyển động, tia laser UV và gương động Quy trình bắt đầu bằng việc chiếu tia UV để đông đặc lớp nhựa đầu tiên, sau đó bàn in hạ xuống và lớp nhựa tiếp theo được thêm vào Quá trình này lặp lại cho đến khi hoàn thành khung hỗ trợ 3D Cuối cùng, nhựa không đông cứng được loại bỏ và khung được cố định dưới tia UV, giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu so với các phương pháp chế tạo khác.
TS Phùng Xuân Lan và nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã sử dụng tia laser ion với bước sóng 351.1nm làm nguồn chiếu, tập trung vào bề mặt polymer Giá đỡ được di chuyển theo các trục x, y và z để xác định vị trí cho quá trình đông đặc Kết quả cho thấy các cấu trúc được kết nối hoàn hảo, góp phần đẩy nhanh quá trình này.
Quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải, cùng với tỷ lệ tăng sinh tế bào và tái tạo mô bên trong, sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn so với các phương pháp thông thường.
Kỹ thuật SLA đã được chứng minh có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sinh học, bao gồm cảm biến sinh học, xử lý môi trường, phát hiện thuốc và thu hoạch năng lượng, khẳng định vị thế của nó như một công nghệ chế tạo sinh học mạnh mẽ Tuy nhiên, kích thước tính năng của khung hỗ trợ chế tạo có thể bị giới hạn bởi chiều rộng chùm tia laser.
Cấu trúc khung hỗ trợ
Công nghệ in 3D đã cách mạng hóa việc chế tạo khung sinh học nhờ khả năng tạo ra các cấu trúc bên trong với độ rỗng được kiểm soát và các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh Người dùng có thể thiết lập các tham số đầu vào trước khi chuyển đổi mô hình thành tập tin G-code để in Hiện nay, các cấu trúc bên trong phổ biến bao gồm dạng lưới (Grid), dạng tuyến tính (Rectlinear), dạng lục giác (Hexagonal) và dạng đồng tâm (Concentric).
Hình 1.10 Cấu trúc khung sinh học phổ biến
Các cấu trúc này kết hợp các đặc tính cơ học cơ bản của kết cấu thông qua việc điều chỉnh hướng, mật độ và sắp xếp của các thành phần Đặc tính của các sợi in, như đường kính, độ đồng nhất và khoảng cách, có thể thay đổi nhờ vào các yếu tố như tốc độ, nhiệt độ và đường kính đầu in Đặc biệt, sự định hướng của các sợi trong giàn khung sinh học có ảnh hưởng trực tiếp đến sự liên kết và tổ chức của các tế bào được gieo cấy bên trong hoặc trên bề mặt.
Công nghệ in 3D sinh học cho phép chế tạo các cấu trúc với nhiều loại ô riêng biệt và vật liệu khác nhau được sắp xếp xen kẽ Bằng cách kiểm soát khoảng cách và độ dày của các lớp, công nghệ này có thể tạo ra độ rỗng và các vùng trống, tạo điều kiện thuận lợi cho mô phát triển và chuyển hóa chất dinh dưỡng Sự kiểm soát này cung cấp nền tảng cho việc phát triển các kiến trúc bên trong chuyên biệt, tương tự như các cấu trúc vi mô tự nhiên Cuối cùng, công nghệ in 3D sinh học có tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu mô và cách thức giao tiếp giữa các tế bào.
Domingos và cộng sự [4] đã thực hiện một nghiên cứu sâu sắc về ảnh hưởng của các thông số chế tạo đến độ rỗng của khung hỗ trợ PCL Kết quả cho thấy độ dày lớp, nhiệt độ, tốc độ di chuyển của đầu in và tốc độ trục vít có sự khác biệt đáng kể Độ rỗng của khung sinh học dao động từ 49% đến 77%, trong khi kích thước lỗ thay đổi từ 579 đến 711 µm Đặc biệt, tốc độ di chuyển của đầu in và tốc độ đùn được xác định là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ rỗng và kích thước sợi.
Nghiên cứu của Siyi Wang và cộng sự [5] đã áp dụng công nghệ in 3D FDM để thiết kế khung hỗ trợ PCL bằng sự trợ giúp của máy tính Nhóm tác giả đã sử dụng đầu in có kích thước 0.3 mm để chế tạo khung hỗ trợ dạng tấm với độ dày 2 mm, cùng với các kích thước đường kính là 33,21 mm và 14 mm Họ cũng đã thực hiện các lớp dày 0.1, 0.2 và 0.3 mm với mô hình xếp lớp xoay 0/90 độ.
Hình 1.11 Cấu trúc khung hỗ trợ dạng tấm
Vật liệu trong in 3D khung hỗ trợ
Các nhà khoa học đã nghiên cứu vật liệu sinh học cho in 3D khung hỗ trợ, tập trung vào ảnh hưởng của vật liệu đến các thông số hình học và cấu trúc bên trong, nhằm tối ưu hóa khả năng phát triển của tế bào Một số vật liệu sinh học tiêu biểu được đề cập bao gồm PCL, PPF, PLA và PGA.
10 đó, PCL với tốc độ phân hủy chậm hơn phù hợp với các cấy ghép dài hạn và có kiểm soát
Patricio T., Domingos M., Gloria A và Bartolo P [6] đã tiến hành nghiên cứu về việc sử dụng khung sinh học PCL và hỗn hợp PCL/PLA được chế tạo qua hệ thống BioCell Printing Hỗn hợp PCL/PLA được tạo ra bằng kỹ thuật pha trộn nóng chảy và đúc dung môi Các khung sinh học này có cấu trúc xoay 0/90 độ và kích thước lỗ 350 µm đã được phân tích bằng kính hiển vi.
Hình 1.12 Khung sinh học chế tạo bằng hệ thống BioCell Printing
Vật liệu PCL được sử dụng ở nhiệt độ 80 o C , với hỗn hợp PCL/PLA 180 o C Trong cả hai trường hợp, vận tốc in là 17mm/s
Bảng 1.1 Kết quả thực nghiệm kích thước
Khung hỗ trợ PCL/PLA trộn nóng chảy (m)
Khung hỗ trợ PCL/PLA đúc dung môi (m)
Sự khác biệt về kích thước dư khung sinh học giữa PCL và hỗn hợp PCL/PLA được quan sát thấy là do độ nhớt cao gây ra bởi nhiệt độ in 180 °C của khung sinh học PCL/PLA.
Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu từ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hồ Chí Minh đã phát triển thiết bị tạo sợi nhựa y sinh PCL phục vụ cho các chi tiết cấy ghép y học Bài báo cũng trình bày các kết quả đạt được trong quá trình chế tạo thiết bị, cùng với một số kết quả ban đầu về nuôi cấy tế bào trên khung hỗ trợ được tạo ra từ sản phẩm của thiết bị này.
Hình 1.13 Quy trình chế tạo chi tiết cấy ghép
Vật liệu PCL dạng hạt được chuyển đổi thành sợi có đường kính 1.75 hoặc 3 mm, sử dụng làm nguyên liệu cho máy in 3D công nghệ FDM Quá trình này tạo ra khung hỗ trợ mô (scaffold) để nuôi cấy và biệt hóa tế bào thành các bộ phận phục vụ cho cấy ghép Sau khi chế tạo, nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm và kết quả cho thấy sản phẩm từ hạt được đùn thành sợi 1.75 mm với sai số ±0.05 mm Từ vật liệu y sinh PCL dạng sợi, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo khung hỗ trợ, mang lại kết quả khả quan về sự sinh trưởng và phát triển của tế bào.
Một số dòng máy in 3D
Mặc dù hệ thống máy in sinh học đã trở nên phổ biến trên thị trường sau giai đoạn phát triển ban đầu, giá thành cao của chúng đã khiến ứng dụng chủ yếu chỉ giới hạn trong các công ty dược phẩm Các nhà nghiên cứu hàn lâm thường không đủ khả năng để sở hữu những hệ thống này, dẫn đến sự cần thiết phải tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả hơn.
Các nhà sản xuất máy in 3D hiện nay cung cấp các sản phẩm giá rẻ và dễ sử dụng, khuyến khích các nhà nghiên cứu phát triển máy in riêng trong phòng thí nghiệm Những máy in sinh học đầu tiên tiết kiệm chi phí thường là các biến thể của hệ thống mã nguồn mở hoặc các dòng máy như MakerBots và Ultimaker có sẵn trên thị trường.
Trong lĩnh vực in sinh học, các công ty thương mại hàng đầu bao gồm CELLINK, Allevi và Se3D CELLINK, có trụ sở tại Boston, MA, cung cấp các hệ thống máy in sinh học INKREDIBLE và BIOX, với dòng BIOX nổi bật nhờ các đầu in hoán đổi cho nhau, cho phép áp dụng nhiều phương thức in đa dạng như ép đùn khí nén, in nhựa nhiệt dẻo, đùn cơ học và in phun Hệ thống của CELLINK còn tích hợp công nghệ buồng sạch, cho phép in sinh học trong môi trường sạch mà không cần tủ an toàn sinh học Allevi, từ Philadelphia, PA, cũng chuyên sản xuất các hệ thống máy in sinh học.
Nhiều công ty hiện đang phát triển các liên kết sinh học để tích hợp với hệ thống máy in sinh học 3D, nhằm tiêu chuẩn hóa vật liệu và giao thức in sinh học Các công ty tiêu biểu như CELLINK, Advanced Biomatrix và Allevi đang đóng góp vào sự tiến bộ này CELLINK và Allevi kết hợp hệ thống máy in với liên kết sinh học, trong khi Advanced Biomatrix tập trung vào phát triển vật liệu sinh học Sự phát triển của các liên kết sinh học là yếu tố quan trọng cho công nghệ in sinh học, với các chế phẩm dễ in và nhất quán cần thiết để tạo ra nhiều loại mô khác nhau Điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng tái tạo và hiệu quả của các giao thức in.
Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận văn
Thông qua các nghiên cứu tổng quan về máy in 3D khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, tác giả nhận thấy rằng công nghệ mô có ứng dụng rộng rãi và công nghệ in 3D đang tạo ra một cuộc cách mạng trong phát triển sản phẩm y tế, đặc biệt là khung hỗ trợ.
Do tính phổ biến và chi phí sản xuất thấp, tác giả đã chọn công nghệ in 3D FDM Khung hỗ trợ được cấu trúc để sử dụng vật liệu PCL dạng lớp xếp chồng với kích thước sợi 0.3mm Máy in 3D được thiết kế dựa trên nguyên lý và bộ điều khiển của các dòng máy in 3D hiện có trên thị trường, kèm theo một số cải tiến nhằm tăng độ chính xác, được trình bày chi tiết trong chương 2.
Nội dung nghiên cứu của luận văn:
Khảo sát các đặc điểm và khả năng hoạt động của khung nuôi cấy mô sinh học, cùng với các công nghệ máy in 3D hiện có, nhằm tạo ra những khung này tại Việt Nam và trên toàn cầu.
Thiết kế, chế tạo và điều khiển mô hình của máy in 3D dùng để in các mẫu khung
Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến khả năng hoạt động của máy và chất lượng mẫu in.
Kết luận chương 1
Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D khung hỗ trợ trong kỹ thuật mô sinh học cho thấy rằng công nghệ này đã được phát triển hoàn thiện cả về lý thuyết lẫn thiết bị trên toàn cầu Các nhà khoa học đã chế tạo thành công máy in 3D sinh học, chủ yếu sử dụng công nghệ ép đùn nhựa y sinh PCL Đồng thời, các cấu trúc và đặc tính khác nhau của khung hỗ trợ cũng đã được phân tích và đánh giá một cách chi tiết.
Mặc dù công nghệ này chưa nhận được sự quan tâm đáng kể tại Việt Nam và chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào, nhưng nó hứa hẹn sẽ trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới mà các nhà khoa học sẽ tập trung khai thác trong tương lai gần.
Tác giả đã xác định phương pháp nghiên cứu phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam, và các phần liên quan đến thiết kế hệ thống cùng với thực nghiệm sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo của luận văn.
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY IN 3D
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình máy in 3D khung hỗ trợ với kích thước phù hợp trong phòng thí nghiệm là một quá trình quan trọng Các yêu cầu về thông số kỹ thuật được nêu rõ trong bảng 2.1, đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn cần thiết cho ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển.
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật sản phẩm đề tài
Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị đo Mức chất lượng cần đạt
Kích thước ngoài của máy
Tốc độ làm việc có thể đạt mm/s 50 Điện áp làm việc 220V
Số lượng đầu in Bộ 1
2.1.2 Lựa chọn công nghệ in
Sản phẩm chính của đề tài là máy in 3D khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, với công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) được lựa chọn FDM là công nghệ in 3D phổ biến nhất hiện nay, sử dụng vật liệu dạng sợi nhựa, được đốt nóng và ép đùn qua đầu in để tạo ra từng lớp in Công nghệ này có khả năng in nhiều vật liệu tiêu chuẩn như ABS, PLA, PET, và đặc biệt là nhựa sinh học PCL, được sử dụng trong đề tài.
Hình 2.1: Mẫu máy in khung sinh học công nghệ FDM
Công nghệ in 3D FDM đã trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực sinh học, với nhiều máy in sinh học được phát triển và thương mại hóa dựa trên nguyên lý đùn sợi Các nhóm nghiên cứu trên toàn cầu đang tích cực ứng dụng công nghệ này để tạo ra những sản phẩm và giải pháp tiên tiến trong y tế và nghiên cứu sinh học.
2.1.2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Để máy in 3D hoạt động hiệu quả, cần có phần mềm điều khiển xử lý thiết kế CAD dưới dạng file STL, chia thành các lớp và tạo đường chạy cho đầu in Công nghệ in FDM sẽ ép đùn nhựa theo đường chạy đã định sẵn Bàn in được đặt ở độ cao nhất định và hệ thống chuyển động sẽ di chuyển đầu in theo bản thiết kế Sau khi hoàn thành một lớp in, hệ thống trục Z sẽ nâng bàn in để tiếp tục in lớp tiếp theo trên lớp ban đầu.
Lớp vỏ của một chi tiết quyết định hình dạng và độ chính xác, trong khi cấu trúc lõi bên trong (infill) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất in.
Infill trong in 3D được tối ưu hóa cho độ bền và chất lượng in, thường có hình dạng lưới tổ ong với các lưới hình tam giác đan xen, mang lại khả năng phân phối tải hoàn hảo Việc thay đổi hình dạng và mật độ của infill sẽ ảnh hưởng đến khối lượng và độ cứng của chi tiết, thường dẫn đến giảm độ cứng Do đó, người dùng cần tính toán khối lượng và hiệu suất chi tiết để lựa chọn infill phù hợp trước khi tiến hành in 3D.
2.1.3 Phân tích và lựa chọn các cụm chức năng trong máy in 3D
2.1.3.3 Lựa chọn kết cấu máy
Hình 2.3 Kết cấu chuyển động máy in 3D
Hiện nay, máy in 3D được phân loại chủ yếu thành hai loại dựa trên cấu trúc chuyển động: máy in Cartesian và máy in Delta Bài viết này sẽ phân tích nguyên lý cấu tạo cũng như những ưu nhược điểm của từng loại máy in.
Hình 2.4 Máy in 3D kết cấu Cartesian
Máy in 3D kiểu Cartesian hoạt động bằng cách di chuyển đầu đùn nhựa qua các chuyển động theo phương X, Y và Z trong hệ tọa độ Cartesian Cấu trúc Cartesian XZ cho phép bàn in di chuyển theo phương Y, trong khi đầu in di chuyển theo phương XZ.
Cartesian XY, bàn dịch chuyển theo phương Z, đầu in dịch chuyển theo phương
Kiểu kết cấu XY mang lại lợi ích về việc lắp đặt, căn chỉnh và bảo trì dễ dàng, cùng với sự hỗ trợ từ cộng đồng mã nguồn mở lớn Tuy nhiên, do khối lượng các cơ cấu di động lớn, tốc độ in không cao và gây ra tiếng ồn; kích thước ngang lớn cũng thường hạn chế chiều cao của vật in.
Hình 2.5 Máy in 3D kết cấu Delta
Máy in 3D Delta sử dụng nguyên lý hoạt động của robot Delta, cho phép đầu đùn nhựa di chuyển theo ba trục X, Y, Z được chuyển đổi thành chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Z Ưu điểm nổi bật của thiết kế này là khả năng in các vật thể có chiều cao lớn và khối lượng cơ cấu di động nhỏ Tuy nhiên, nhược điểm của máy là quá trình lắp ráp và căn chỉnh phức tạp, cùng với chiều cao của máy thường lớn.
Trong nghiên cứu này, tác giả đã chọn kết cấu Cartesian XZ, nổi bật với khả năng hỗ trợ nhiều đầu in có trọng lượng lớn, đồng thời đảm bảo độ chính xác và ổn định của máy Kết cấu này phù hợp với xu hướng phát triển máy in 3D trong lĩnh vực công nghệ mô sinh học.
Hình 2.6 Sơ đồ động của máy 1-Khớp nối; 2-Bộ truyền vít me, đai ốc bi;
3-Gối đỡ; 4-Động cơ; 5-Cụm đầu in; 6-Bàn máy
2.1.3.4 Lựa chọn cụm đùn vật liệu
Hiện nay, có ba công nghệ đùn vật liệu chính được sử dụng để in khung hỗ trợ gồm:
– Công nghệ đùn trục vít
– Công nghệ đùn sử dụng ống tiêm
Các máy in sinh học thương mại tích hợp nhiều công nghệ, cho phép in các tế bào sống kết hợp với các vật liệu sinh học khác nhau nhằm chế tạo mô.
Hình 2.7 Một số công nghệ đùn vật liệu
Phương pháp đùn ép sợi là công nghệ in 3D phổ biến hiện nay, sử dụng sợi polymer có đường kính 1,75 hoặc 2,85mm Các sợi nhựa này được đưa vào khoang làm nóng gắn liền với đầu in, và phần mềm in sẽ điều chỉnh tốc độ đùn dựa trên đường kính sợi và tốc độ di chuyển của đầu in Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thiết bị thấp và khả năng sử dụng nhiều loại vật liệu với nhiệt độ nóng chảy khác nhau Tuy nhiên, nhược điểm chính là sự giới hạn trong việc sử dụng các loại vật liệu ở dạng sợi.
Phương pháp đùn trục vít sử dụng trục vít bao bọc trong ống kín để đưa hạt polyme vào khoang chứa Khi trục vít quay, hạt polymer nóng chảy được ép ra qua đầu in Tốc độ đùn vật liệu phụ thuộc vào tốc độ quay của trục vít Tuy nhiên, sự phức tạp trong chế tạo và lắp ráp của phương pháp này dẫn đến chi phí cao hơn so với đùn ép sợi thông thường.
Phương pháp đùn pittong là quá trình mà vật liệu được đưa vào ống và piston sẽ di chuyển để tạo ra các sợi nhựa Vật liệu thường sử dụng trong phương pháp này là hydrogel hoặc các hạt polyme được làm nóng chảy bởi lớp vỏ ống Có hai phương pháp đùn ống tiêm chủ yếu là sử dụng khí nén hoặc động cơ điện, mỗi phương pháp đều có ưu điểm là kiểm soát tốt tốc độ đẩy của piston.
Thiết kế chế tạo hệ thống cơ khí
2.2.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động
Cơ cấu truyền động trong máy in 3D cần chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu in Việc lựa chọn cơ cấu truyền động phụ thuộc vào điều kiện làm việc và yêu cầu điều khiển của máy Có nhiều loại cơ cấu truyền động như bánh răng – thanh răng, vít me – đai ốc và truyền động đai để thực hiện nhiệm vụ này Để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và khả năng di chuyển của đầu in, cơ cấu truyền động vít me – đai ốc bi đã được lựa chọn cho đề tài này.
Hình 2.8 Truyền động vít me đai ốc bi
Vít me là hệ thống truyền động chính xác, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Để đảm bảo hoạt động trơn tru và bền bỉ, việc bôi trơn hợp lý là rất quan trọng Khi trục vít quay, đai ốc sẽ di chuyển tịnh tiến với mỗi vòng quay tương ứng với bước vít Ưu điểm của vít me bao gồm độ chính xác cao và thiết kế gọn nhẹ, thường được ứng dụng trong các máy CNC có độ chính xác cao.
Nhược điểm: Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao
Vít me thường hoạt động bằng cách cho vít me và đai ốc tiếp xúc trực tiếp, trượt trên nhau qua các mặt ren Tuy nhiên, loại vít me này gặp phải nhược điểm là ma sát cao do tiếp xúc bề mặt gây ra ma sát trượt, cùng với sai số do khe hở giữa vít me và đai ốc khi thay đổi chiều chuyển động.
Vitme bi là một hệ thống truyền động chính xác, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Với lớp bi thép tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc, hệ thống này giảm thiểu lực ma sát, giúp chuyển động diễn ra trơn tru và chính xác Vitme bi hoạt động liên tục và bền bỉ trong thời gian dài.
Hình 2.9 Cấu tạo vít me bi
Nguyên lý hoạt động của vít me bi dựa trên sự tiếp xúc giữa vít và đai ốc có rãnh chứa viên bi thép Khi trục vít xoay, các viên bi lăn trong mối ren, giúp giảm ma sát Để ngăn viên bi rơi ra ngoài, đai ốc được thiết kế với đường ống dẫn hồi, thu gom viên bi và đưa chúng trở lại đầu đường bi Nhờ vào chuyển động lăn của viên bi, lực đẩy của đai ốc trở nên nhẹ nhàng và hiệu quả hơn so với chuyển động trượt.
2.2.2 Đặc tính kỹ thuật các cụm chi tiết và chi tiết
Sản phẩm của đề tài là máy in 3D khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, với độ chính xác của trục chuyển động là yếu tố quan trọng hàng đầu Để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và cân đối chi phí, hệ thống truyền động sử dụng tích hợp vít me, đai ốc bi và ray dẫn hướng.
Hình 2.10 Bộ truyền động Single Axis Robot
Bộ truyền động hoạt động dựa trên nguyên lý của cơ cấu vít me - đai ốc bi, chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ thành chuyển động tịnh tiến với sự hỗ trợ của thanh dẫn hướng Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm công tắc hành trình, bộ gá động cơ và vỏ bảo vệ để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
21 cũng được tích hợp để thuận tiện cho quá trình lắp đặt cũng như đảm bảo tính thẩm mỹ của thiết bị
Hình 2.11 Tích hợp các bộ truyền động trên máy in 3D
Chi tiết đặc tính kỹ thuật của các thiết bị cơ khí trong máy in 3D được tổng hợp trong bảng 2.2
Bảng 2.2 Bảng thống kê đặc tính kỹ thuật của các thiết bị cơ khí
STT Thiết bị Đơn vị
– đai ốc bi bước 5 mm
- Thanh trượt vuông dẫn hướng
- Hành trình tối đa: 150mm
- Tải trọng tối đa: 3 kg
– đai ốc bi bước 5 mm
- Thanh trượt vuông dẫn hướng
- Hành trình tối đa: 150mm
- Tải trọng tối đa: 3 kg
– đai ốc bi bước 2 mm
- Thanh trượt vuông dẫn hướng
- Hành trình tối đa: 100mm
- Tải trọng tối đa: 3 kg
- Thích hợp với động cơ size 42
Cụm làm mát và gia nhiệt
- Đi kèm đầu gia nhiệt và cảm biến
- Kích thước đầu ra sợi nhựa: 0.3 mm
2.2.3 Thiết kế và mô hình hóa
Khung máy là thành phần quan trọng để gá đặt các cụm chuyển động, bàn máy và thiết bị điện điều khiển trong quá trình in 3D Để đảm bảo hiệu suất, khung máy cần được thiết kế gọn nhẹ nhưng vẫn đủ độ cứng vững Vật liệu thép hộp 30x30x3 mm, phổ biến trong ngành chế tạo máy, được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
Hình 2.12 Kích thước khung máy
Kích thước khung máy được thiết kế với tỷ lệ 500x500x380 mm, đảm bảo phù hợp với mục đích sử dụng trong phòng thí nghiệm và tối ưu hóa không gian lắp đặt thiết bị.
Hình 2.13 Mô hình hóa 3D khung máy
Mô hình hóa bộ truyền động và thiết bị in 3D được thực hiện dựa trên thông số từ nhà sản xuất và dữ liệu đo kiểm thực tế, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thiết kế.
Hình 2.14 Mô hình hóa 3D bộ truyền động trục X và Y
Hình 2.15 Mô hình hóa 3D bộ truyền động trục Z
Hình 2.16 Mô hình hóa 3D cụm đùn nhựa và đầu in 2.2.3.2 Các tấm gá bộ truyền động và bàn máy
Hình 2.17 Mô hình hóa 3D tấm gá cụm trục X và Y
Bộ truyền động trục X và Y có kích thước và vị trí lắp đặt tương tự, do đó các tấm lắp trung gian giữa cụm trục và khung máy được thiết kế giống nhau Chúng được chế tạo từ thép tấm CT3 dày 5 mm, đảm bảo khả năng chịu lực tốt và ít bị cong vênh trong quá trình hoạt động cũng như chế tạo.
Hình 2.18 Mô hình hóa 3D tấm gá cụm trục XZ và bàn máy
Nhôm tấm dày 5 mm được sử dụng làm tấm trung gian giữa cụm trục XZ và bàn máy, giúp giảm khối lượng tác động lên các bộ truyền động XY, hạn chế rung động và nâng cao độ chính xác của máy.
Hình 2.19 Kết quả quá trình mô hình hóa hệ thống
Hình 2.20 Thiết kế tổng thể trên phần mềm Solidworks
Thiết kế hệ thống điều khiển
2.3.1 Mô hình hệ thống điều khiển
Hình 2.21 Mô hình hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển là thành phần trung tâm của hệ thống, nhận tín hiệu từ giao diện điều khiển dưới dạng câu lệnh mã hóa và phản hồi từ cảm biến nhiệt độ cùng công tắc hành trình Để máy in hoạt động hiệu quả, các driver đóng vai trò trung gian trong việc truyền nhận thông tin giữa động cơ và bộ điều khiển Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hai loại động cơ: động cơ bước cho cụm đùn nhựa và động cơ servo cho các cụm chuyển động, nhằm đảm bảo độ chính xác cao.
Hình 2.22 Sơ đồ đấu nối tổng quát
2.3.2 Lựa chọn thiết bị điện điều khiển
2.3.2.1 Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển Arduino Mega2560 tích hợp module RAMPS 1.4 là lựa chọn phổ biến cho các dự án máy in 3D nhờ vào tính ổn định và độ chính xác cao Arduino Mega 2560 là một board mạch vi điều khiển được xây dựng dựa trên vi xử lý Atmega 2560.
Arduino 2560 sở hữu 54 chân I/O, trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân output với chức năng PWM, 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header và 1 nút nhấn reset Thiết bị này cung cấp đầy đủ các tính năng cần thiết cho lập trình viên vi điều khiển, cho phép người dùng dễ dàng kết nối với máy tính qua cáp USB để bắt đầu học tập Ngoài ra, Arduino 2560 còn tương thích với hầu hết các Shield của Arduino UNO.
Arduino Mega 2560 không chỉ kế thừa thiết kế từ Arduino UNO mà còn mở rộng khả năng phát triển với nhiều chân digital từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự Thiết kế mới này cho phép người dùng dễ dàng chuyển đổi module từ Arduino UNO sang Arduino Mega Đặc biệt, Mega 2560 đã thay thế chip Atmega1280 bằng một con chip mạnh mẽ hơn, cung cấp nhiều vùng nhớ và chân IO hơn, đáp ứng nhu cầu của các dự án lớn cần dung lượng flash cao trong lĩnh vực vi điều khiển nhúng.
Hình 2.23 Vi điều khiển Arduino Mega 2560
Arduino Mega là một bo mạch lý tưởng cho các dự án phức tạp, với 54 chân I/O kỹ thuật số và 16 chân analog, cung cấp không gian rộng rãi để bạn có thể tích hợp các mạch điện tử cho dự án của mình.
Bảng 2.3 Thông số board Arduino Mega 2560
Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Dòng điện trên các chân I/O 20 mA
Dòng điện trên mỗi chân 3.3V 50 mA
Bộ nhớ Flash 256 KB (8 KB cho bootloader)
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 này đơn giản và dễ hiểu, phù hợp ngay cả với những người không chuyên về vi điều khiển Phần mềm Arduino IDE có giao diện trực quan và dễ sử dụng, cùng với hệ thống thư viện và mã nguồn phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong quá trình lập trình.
Hình 2.24 Giao diện phần mềm Arduino IDE
2.3.2.2 Driver điều khiển động cơ
Driver là một bộ phận thiết yếu trong việc điều khiển động cơ bước, hoạt động như mạch phân phối xung và cung cấp điện cho động cơ Luận văn này sử dụng động cơ bước vòng kín để điều khiển chuyển động các trục, đồng thời áp dụng động cơ bước trong quá trình đùn bột.
2 loại Driver: Driver HSC42A để điều khiển động cơ bước vòng kín và Driver A4988 để điều khiển động cơ đầu đùn
Bảng 2.4 Thông số driver điều khiển động cơ
Vi bước lớn nhất 16 256 Điện áp 8- 35V 20- 50V
Bảo vệ quá nhiệt Có Có
Màn hình LCD có khả năng hiển thị tọa độ và các thông số quan trọng, đồng thời cho phép in ấn trực tiếp mà không cần kết nối với máy tính Chúng ta sử dụng module LCD để thực hiện các chức năng này.
Cảm biến nhiệt là thiết bị quan trọng giúp theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ của đầu phun nhựa và bàn nhiệt trong quá trình in Board MKS hỗ trợ ba khe cắm cảm biến nhiệt, cho phép người dùng quản lý nhiệt độ hiệu quả Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng dây đo nhiệt độ NTC 100k để đảm bảo độ chính xác trong việc kiểm soát nhiệt độ.
Hình 2.28 Cảm biến nhiệt độ NTC 100k
Điện trở gia nhiệt Điện trở gia nhiệt có tác dụng đốt nóng gia nhiệt cho cụm làm nóng chảy dây nhựa trong quá trình in 3D chi tiết
Hình 2.29 Điện trở gia nhiệt
Thiết kế phần mềm quản lý
2.4.1 Các chức năng cơ bản
Nghiên cứu chính của đề tài tập trung vào máy in 3D khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, với số lượng mẫu chi tiết sản xuất lớn để khảo sát khả năng hoạt động của máy và ứng dụng thí nghiệm trong phòng nghiên cứu Do đó, thiết kế phần mềm quản lý các chi tiết trở thành giải pháp thực tiễn Tác giả đề xuất một số chức năng cơ bản của phần mềm quản lý nhằm đáp ứng mục đích nghiên cứu và phát triển của đề tài.
- Kết nối cơ sở dữ liệu
- Nhập, xuất và chỉnh sửa dữ liệu
- Hiển thị bảng thông số chi tiết
2.4.2 Lựa chọn phần mềm thiết kế và ngôn ngữ lập trình
Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) phổ biến từ Microsoft, được sử dụng rộng rãi để phát triển các chương trình trên hệ điều hành Microsoft Windows Nó hỗ trợ việc tạo ra các trang web, ứng dụng web và thiết kế cơ sở dữ liệu, đồng thời tương thích hiệu quả với nhiều nền tảng như Android, iOS và Java Người dùng cũng có khả năng chạy và kiểm tra các ứng dụng ngay trong Visual Studio, giúp tối ưu hóa quy trình phát triển phần mềm.
Hình 2.30 Giao diện phần mềm Visual Studio
Microsoft Visual Studio 2019 tích hợp dịch vụ cộng tác mã nguồn Microsoft Visual Live Share, giúp người dùng tăng tốc quá trình lập trình Phiên bản mới giới thiệu cửa sổ khởi động cải tiến, nâng cao khả năng tìm kiếm và hiệu suất tổng thể Nó cũng hỗ trợ tính năng Visual Studio IntelliCode AI cho việc viết mã thông minh, hỗ trợ ngôn ngữ Python và các dự án NET Core 3.0, bao gồm WinForms và WPF, cùng nhiều tính năng khác.
C# is a modern programming language developed by Microsoft, approved by the European Computer Manufacturers Association (ECMA) and the International Standards Organization (ISO) Created by Anders Hejlsberg and his team as part of the NET Framework, C# is designed for the Common Language Infrastructure (CLI), enabling the execution of high-level languages across various computer platforms and architectures Notably, C# features ADO.NET, which facilitates quick and easy access to databases.
2.4.3 Quy trình thiết kế phần mềm quản lý
Hình 2.31 Giao diện hiển thị các nút chức năng
Phần mềm quản lý sử dụng giao diện đồ họa để tương tác với người dùng và xử lý sự kiện Người thiết kế có thể kéo thả các điều khiển lên cửa sổ Form, trong khi Visual Studio tự động sinh mã chương trình để tạo và hiển thị các thành phần trên cửa sổ.
2.4.3.4 Kết nối cơ sở dữ liệu
Hình 2.32 Cơ sở dữ liệu Microsoft Access
Cơ sở dữ liệu là công cụ quan trọng để thu thập và sắp xếp thông tin về con người, sản phẩm, đơn hàng và nhiều lĩnh vực khác Ban đầu, nhiều cơ sở dữ liệu chỉ là danh sách đơn giản trong chương trình xử lý văn bản hoặc bảng tính, nhưng khi kích thước danh sách tăng lên, sự dư thừa và không nhất quán trong dữ liệu bắt đầu xuất hiện, làm cho việc quản lý và tìm kiếm thông tin trở nên khó khăn Cơ sở dữ liệu trên máy tính được tổ chức thành các đối tượng, với khả năng chứa nhiều bảng trong một tệp duy nhất Ví dụ, một hệ thống theo dõi hàng tồn kho có thể sử dụng ba bảng khác nhau nhưng vẫn nằm trong cùng một cơ sở dữ liệu Đặc biệt, cơ sở dữ liệu Access lưu trữ các bảng cùng với các đối tượng khác như biểu mẫu, báo cáo, macro và mô-đun trong một tệp đơn.
Cơ sở dữ liệu của đề tài được thiết lập trong Access 2016, lưu dưới định dạng tệp accdb hoặc mdb Bảng dữ liệu chứa các thông tin quan trọng như số thứ tự, mã vật liệu (ID), vận tốc in (velocity), gia tốc (acceleration), thời gian (time), ảnh chi tiết (image) và các kích thước thu thập trong quá trình thử nghiệm.
Lắp ráp và vận hành
2.5.1 Chế tạo và lắp ráp
Sau khi hoàn tất tính toán và thiết kế, quá trình gia công các chi tiết được tiến hành Trước khi lắp đặt, cụm khung máy cần được kiểm tra kỹ lưỡng, đặc biệt chú ý đến các mối hàn và độ vuông góc, song song giữa các trục Bất kỳ sai số nào cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mẫu in Hình 2.33 và 2.34 minh họa kết quả sau khi lắp ráp hoàn thiện phần cơ khí và tủ điện.
Hình 2.33 Lắp ráp hoàn thiện phần cơ khí
Hình 2.34 Lắp ráp hoàn thiện tủ điện
2.5.2 Quy trình vận hành hệ thống
Chúng ta có thể sử dụng các phần mềm thiết kế 3D như Solidworks, Google Sketchup, Autocad 3D, 3D Studio Max, và Rhinoceros để tạo ra các mô hình và lưu dưới định dạng STL hoặc OBJ Ngoài ra, có thể tìm kiếm các thiết kế có sẵn từ người dùng trên các diễn đàn và website như www.thingiverse.com và grabcab.com Để đảm bảo mẫu in 3D đạt chất lượng tốt, đúng kích thước, tiết kiệm vật liệu, thời gian in và chi phí, cần lưu ý một số vấn đề quan trọng.
• Thiết kế mô hình theo kiểu “kim tự tháp” tức là dưới to trên nhỏ
• Nên có một mặt đế phẳng bên dưới mô hình
• Hạn chế các vị trí mỏng hơn 1,2 mm
• Các phần quá bé trên mô hình 3D (0,1-1mm): mắt, mũi, tai, gờ, nút bấm,…rất khó hoặc không thể in 3D
Các phần nhô ra cần được thiết kế với góc nghiêng lớn hơn 45 độ so với mặt phẳng ngang Nên hạn chế việc tạo ra các phần nhô ra nằm ngang hoặc có khoảng trống phía dưới, chẳng hạn như ở các cây cầu.
• Nên khống chế mô hình nằm vừa khổ in của máy in 3D, cũng không nên quá bé (không in được hoặc in ra xấu)
• Các chi tiết có lắp ghép thì khoảng cách giữa 2 bề mặt nên để: Lắp lỏng
• Chú ý tới độ phân giải của mô hình khi xuất ra file STL
• Chắc chắn về kích thước file STL là theo hệ inch hay mm
• Mở lên xem lại file STL/OBJ vừa xuất ra Hoặc dùng công cụ kiểm tra lỗi file 3D
2.5.2.2 Thiết lập thông số điều khiển
Để máy in 3D hoạt động hiệu quả, cần thiết lập firmware phù hợp cho vi điều khiển, giúp điều khiển chính xác các thiết bị phần cứng Firmware Marlin là lựa chọn phổ biến, cho phép tùy biến các thông số tương thích với nhiều cấu hình máy in 3D khác nhau Các thông số cần thiết lập bao gồm: thông số board mạch, cảm biến nhiệt, thông số cho động cơ bước, bộ đùn nhựa, đầu dò (nếu có), và thông số bộ PID điều khiển tốc độ động cơ.
Khai báo số bước của động cơ trên mỗi đơn vị chiều dài (mm) Xác định các bước của mỗi đơn vị theo trục theo công thức:
Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng động cơ bước 200 step với bước góc α 1.8 Các thông số bước ren của các trục được xác định như sau: trục X và Y có bước ren = 5 mm, trục Z có bước ren 2 mm, và trục đùn bột có bước ren 8 mm Cuối cùng, m là vi bước của module điều khiển động cơ.
Công thức tính cho trục X, Y và Z, với vi bước m=1/32
Hình 2.35 Khai báo số bước/mm trong firmware
Để biến một file thiết kế 3D thành vật thể thực, cần sử dụng phần mềm in 3D, giúp chuyển đổi file thiết kế sang định dạng Gcode mà máy in 3D có thể hiểu Việc chọn phần mềm phù hợp sẽ phụ thuộc vào loại máy in 3D, sở thích và khả năng của người sử dụng.
Phần mềm in 3D đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra mẫu in chất lượng cao, thậm chí ảnh hưởng lớn hơn cả máy in 3D Việc lựa chọn phần mềm phù hợp và tối ưu hóa cấu hình sẽ mang lại kết quả ấn tượng Sử dụng những phần mềm in 3D phổ biến giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm in.
Cura là phần mềm in 3D miễn phí, dễ sử dụng, lý tưởng cho người mới bắt đầu với công nghệ in 3D Với mã nguồn mở, người dùng có thể dễ dàng tải về và cập nhật phiên bản tối ưu cho công việc in ấn Tác giả chọn Cura cho đề tài này nhờ vào những ưu điểm nổi bật mà phần mềm mang lại.
- Tối ưu hóa cấu hình cho các vật liệu của Ultimaker
- Giao diện người dùng trực quan, dễ sử dụng
- In nhiều đối tượng cùng lúc với các thiết lập khác nhau cho từng đối tượng
- Cura hỗ trợ định dạng tệp STL, 3MF và OBJ
- Mã nguồn mở và hoàn toàn miễn phí
- Tối ưu cho việc in đùn kép
Hình 2.36 Giao diện phần mềm Cura 2.5.2.3 Hiệu chỉnh và tiến hành in
Để đảm bảo chất lượng và khả năng bám dính của chi tiết, việc điều chỉnh khoảng cách giữa đầu in và bàn máy là rất quan trọng Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị, máy sẽ tiến hành in chi tiết theo chương trình G-code đã được nạp vào thẻ nhớ SD Thời gian in sẽ phụ thuộc vào kích thước chi tiết cùng với các thông số về vận tốc và gia tốc mà người sử dụng mong muốn.
Đánh giá khả năng vận hành
Hình 2.38 Kiểm tra độ chính xác của máy
Sau khi hoàn tất quá trình chế tạo, tác giả đã tiến hành thử nghiệm không tải nhằm đánh giá khả năng hoạt động của động cơ và cụm gia nhiệt Kết quả của các thử nghiệm này được tổng hợp trong bảng 2.5 dưới đây.
Bảng 2.5 Đánh giá khả năng vận hành
Yêu cầu thiết kế Thử nghiệm Đánh giá
Vận tốc đạt 50 mm/s 60 mm/s Đạt
Chế tạo khung hỗ trợ kích thước 15x15 mm, sợi 0.3 mm
Vật liệu PCL, nhiệt độ nóng chảy 80-140 o C Đạt
Hoạt động ổn định Đạt
Phần mềm lưu trữ Không giới hạn Đạt
Kết luận chương 2
Từ kết quả đã đạt được có thể rút ra một số kết luận sau:
Máy in 3D được thiết kế với mục đích hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, với các yêu cầu về kích thước, không gian làm việc và tốc độ Thiết kế sử dụng công nghệ đùn nhựa FDM, kết cấu Cartesian và truyền động vít me bi Hệ thống điện-điều khiển tích hợp các bộ vi xử lý phổ biến, giúp giảm chi phí và dễ dàng vận hành Phần mềm quản lý cho phép lưu trữ và kiểm tra nhanh chóng các thông số chi tiết của sản phẩm.
Máy in 3D với khung hỗ trợ đã được chế tạo thành công, cho thấy độ ổn định và chính xác cao trong quá trình kiểm tra khả năng hoạt động, đáp ứng tốt cho các nghiên cứu tiếp theo.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm
Dựa trên kết quả tính toán thiết kế, tác giả đã thành công trong việc chế tạo mô hình máy in 3D để sản xuất khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học và tiếp tục thực hiện các thí nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm này nhằm mục đích
Khảo sát tổng hợp các thông số đặc trưng của khung hỗ trợ bao gồm độ rỗng, kích thước sợi và kích thước lỗ trống Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hệ số đùn và nhiệt độ làm nóng vật liệu đến kích thước sợi trong khung hỗ trợ Bên cạnh đó, cũng xem xét tác động của vận tốc và gia tốc đến các yếu tố đặc trưng của khung hỗ trợ.
Nghiên cứu thử nghiệm tại phòng thí nghiệm C8 - trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã sử dụng máy in 3D công nghệ FDM với vật liệu nhựa y sinh PCL và đầu in phun 300 μm Tác giả phân tích các mẫu khung hỗ trợ 3 lớp xoay 0/90 độ, mỗi lớp có độ dày 300 μm Các tham số điều khiển được xem xét bao gồm vận tốc, gia tốc, nhiệt độ làm nóng và hệ số đùn nhựa Sau khi chế tạo, mẫu khung hỗ trợ được chụp hình bằng kính hiển vi và kiểm tra kích thước trên máy tính.
Dữ liệu thực nghiệm
Polycaprolactone (PCL) là một loại polyester phân hủy sinh học, được tổng hợp từ dầu thô hoặc qua phản ứng trùng hợp mở vòng ε-caprolacton với xúc tác octan PCL nổi bật với độ dẻo dai cao và khả năng tương thích sinh học, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp.
Nhiệt độ hóa thủy tinh khoảng -60 °C Độ giãn dài 30~50%
Khối lượng riêng 1.11g/ml Độ nhớt cố hữu 1.0-1.3 dl/g Độ bền kéo 3000-5000 dsi
Polycaprolacton bền trong nước, dầu, dung môi và clo
Những đặc tính nổi bật khác của PCL:
Phân hủy chậm hơn so với các polyeste phân hủy sinh học khác trong điều kiện sinh lý bình thường
Không độc hại, khả năng tương thích tốt với nhiều polyme nên có thể pha trộn với những polyme khác
Khi kết hợp với nhóm calcium phosphate, PCL có độ bám dính tốt, giúp tăng sinh tế bào diễn ra thuận lợi
Một số ứng dụng nổi bật của PCL:
Thay thế xương là một quy trình quan trọng, vì xương chịu lực cho cơ thể trong sinh hoạt và vận động Những vết nứt hay gãy xương thường mất nhiều thời gian để lành và trong quá trình phục hồi, xương rất dễ bị tổn thương Việc sử dụng đinh ốc hay nẹp thép để cố định xương có thể dẫn đến tình trạng xương yếu hơn và tăng nguy cơ gãy lại Tuy nhiên, việc áp dụng PCL giúp vật liệu gắn kết tốt hơn với xương, kéo dài thời gian phục hồi và thủy phân dần, từ đó củng cố độ chịu lực của xương trong quá trình lành.
Phân phối thuốc trong cơ thể người: PCL được sử dụng như một thiết bị thiết bị điều khiển quá trình phân phối thuốc trong cơ thể người
Chỉ khâu tự tiêu làm từ PCL mang lại lợi ích vượt trội so với chỉ khâu truyền thống, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho cả bác sĩ lẫn bệnh nhân Thay vì phải quay lại để lấy chỉ khâu sau 7-10 ngày, bệnh nhân có thể yên tâm vì chỉ khâu PCL sẽ tự phân hủy theo thời gian, giảm thiểu sự phiền phức và chi phí điều trị.
Trong đề tài nghiên cứu, tác giả sử dụng nguyên liệu nhựa PCL dạng dây màu trắng, đường kính 1.75 mm
3.2.2 Cấu trúc khung hỗ trợ
Hình 3.1 Cấu trúc khung hỗ trợ
Nghiên cứu khảo sát các khung hỗ trợ in 3D với ba lớp đặt chồng lên nhau, mô hình xếp lớp xoay 0/90 o các kích thước bao gồm:
Kích thước sợi 300m, kích thước lỗ 300m và độ dày mỗi lớp 300m
3.2.3 Các chế độ chạy thực nghiệm
Chế độ thực nghiệm được thiết lập để đánh giá ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đến các thông số mẫu in, bao gồm kích thước sợi và kích thước lỗ trống theo phương ngang và dọc Tác giả đã chọn các mức vận tốc 10 và 20 mm/s, cùng với gia tốc 2000 và 3000 mm/s², nhằm đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và tính ổn định cao hơn so với các dòng máy in 3D thông thường, vốn có dải vận tốc từ 50-70 mm/s.
Thử nghiệm ở các dải nhiệt độ 100, 120 và 140 o C với dải nhiệt độ nóng chảy vật liệu nhựa PCL khuyến cáo từ nhà sản xuất 80-140 o C, mức nhiệt
Trong quá trình thử nghiệm, nhiệt độ 80 độ C không đạt yêu cầu, do đó tác giả đã loại trừ nó khỏi xem xét Hơn nữa, các hệ số đùn được điều chỉnh có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước của sợi.
Bảng 3.1 Các chế độ thực nghiệm
Hình 3.2 Vị trí đo kiểm
Trong mỗi chế độ thử nghiệm, việc chụp ảnh được thực hiện tại 5 khu vực trên mẫu in, với 3 vị trí đo ở mỗi khu vực nhằm đảm bảo tính khách quan của kết quả Các đặc điểm hình học như tính toàn vẹn của cấu trúc, kích thước sợi, lỗ trống và độ rỗng có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của tế bào trong khung sinh học Đặc biệt, độ rỗng là yếu tố quan trọng trong thiết kế, vì nó cho phép mạch máu lưu thông, khuếch tán chất dinh dưỡng, vận chuyển oxy và loại bỏ chất thải.
Hình 3.3 Các thông số thu thập
Các thông số thu thập bao gồm kích thước sợi theo phương x (Lx), kích thước sợi theo phương y (Ly), kích thước lỗ theo phương x (Hx) và phương y (Hy) Độ rỗng của scaffold PCL được tính toán theo công thức được nêu trên trang 3, [8].
Trong đó: scaffold - khối lượng riêng của mẫu in, g/cm 3
PCL - khối lượng riêng của nhựa PCL, PCL = 1,14 g/cm 3 scaffold m x.y.z
Trong đó: m – khối lượng mẫu in, g; x, y, z - kích thước dài, rộng, cao của mẫu in, cm
Kết quả thực nghiệm
3.3.1 Kết quả quá trình chế tạo
Kết quả chụp các mẫu khung sinh học in 3D cho thấy sản phẩm đạt được yêu cầu về cấu trúc thiết kế, độ đồng đều giữa các đường
Hình 3.4 Kết quả chế tạo khung hỗ trợ
Trước khi tiến hành thực nghiệm, tác giả đã đánh giá độ ổn định kích thước sợi của ba mẫu in với cùng chế độ vận hành 20 mm/s và gia tốc 2000 mm/s² Kết quả cho thấy sự chênh lệch không đáng kể về miền phân bố kích thước và các giá trị cực đại giữa các mẫu Đồ thị hình 3.5 minh họa sự ổn định của đường trung bình giữa các mẫu đo kiểm, tạo nền tảng cho quy trình kiểm nghiệm và đánh giá tiếp theo.
Hình 3.5 Đồ thị đánh giá kích thước các mẫu in cùng chế độ vận hành
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước sợi của khung hỗ trợ
Trong công nghệ in 3D FDM, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến kích thước sợi, yêu cầu vật liệu phải được làm nóng trước khi ép đùn Nhựa y sinh PCL có dải nhiệt độ nóng chảy từ 80-140 oC, và tác giả đã tiến hành thí nghiệm ở bốn mức nhiệt độ khác nhau: 80 oC, 100 oC, 120 oC và 140 oC.
Hình 3.6 Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ nóng chảy đến kích thước sợi
Nhiệt độ 80 oC không đủ để vật liệu đạt đến điểm nóng chảy cần thiết, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn trong quá trình in 3D và hỏng chi tiết Các mẫu in còn lại cho thấy cấu trúc hoàn thiện và kết quả đo kiểm được thể hiện rõ trong đồ thị hình 3.6 Kích thước sợi có xu hướng tăng khi nhiệt độ nóng chảy tăng, với độ ổn định tốt hơn ở mức nhiệt 120-140 oC Sự cải thiện này có thể được giải thích bởi việc tăng nhiệt độ giúp vật liệu chảy dẻo tốt hơn, từ đó nâng cao khả năng ép đùn sợi Ở nhiệt độ thấp, hiện tượng tắc nghẽn tại đầu in xảy ra, dẫn đến việc nhựa ra không đều Thông số trong bảng tổng hợp 3.2 cho thấy độ lệch chuẩn lớn nhất là 2.97% khi làm nóng vật liệu PCL ở nhiệt độ này.
Nhiệt độ ổn định cho quá trình là từ 120-140 o C, trong đó 120 o C là mức nhiệt lý tưởng nhất để tối ưu hóa kích thước sợi 300 m theo thiết kế.
Bảng 3.2 Mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước sợi
Kích thước sợi trung bình (m) Độ lệch chuẩn (%)
3.3.3 Ảnh hưởng của hệ số đùn đến kích thước sợi của khung hỗ trợ
Hệ số đùn nhựa là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng sản phẩm bên cạnh nhiệt độ nóng chảy Đối với máy in 3D thông thường, hệ số đùn ban đầu được tính toán dựa trên giá trị bước động cơ đùn của từng máy Bằng cách điều chỉnh hệ số đùn, người vận hành có thể thay đổi lượng nhựa được ép đùn, hay còn gọi là tốc độ dòng chảy vật liệu Thí nghiệm cho thấy, hệ số đùn phù hợp cho vật liệu PLA là 0.9, trong khi đối với ABS là khoảng 1.05.
Hình 3.7 Đồ thị ảnh hưởng hệ số đùn nhựa đến kích thước sợi
Trong đề tài này, tác giả thực nghiệm in vật liệu PCL với nhiệt độ nóng chảy
Khi nhiệt độ đạt 120°C, hệ số đùn nhựa thay đổi từ 0.9 đến 1.05, cho thấy kích thước sợi giảm khi hệ số đùn giảm từ 1.05 xuống 0.9 Độ lệch chuẩn lớn nhất ghi nhận là 6.37% và 8.23% tương ứng với E0.95 và E0.9, như thể hiện trong bảng 3.3 Trung bình, khi hệ số đùn giảm 5%, kích thước sợi giảm 7.45μm Hiện tượng này có thể được giải thích bởi việc giảm hệ số đùn đồng nghĩa với việc giảm tốc độ cấp dây nhựa cho bộ gia nhiệt.
49 giảm Bởi vậy, lượng vật liệu được đưa ra từ đầu đùn bị thiếu hụt dẫn tới sự co về kích thước sợi trên khung hỗ trợ
Bảng 3.3 Mức độ ảnh hưởng hệ số đùn đến kích thước sợi
Hệ số đùn Kích thước sợi trung bình (m) Độ lệch chuẩn (%)
3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đến các kích thước của khung hỗ trợ
3.3.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đến kích thước sợi và kích thước lỗ trống
Công nghệ in 3D cho phép các nhà nghiên cứu toàn cầu chế tạo khung hỗ trợ với hình dạng phức tạp Việc điều chỉnh hình dạng sản phẩm thông qua các thông số vận hành như vận tốc và gia tốc của đầu in là hoàn toàn khả thi Các yếu tố chất lượng của khung hỗ trợ được đánh giá dựa trên kích thước sợi và kích thước lỗ trống.
Hình 3.8 Hình ảnh minh họa các chế độ vận hành
Tác giả đã thực hiện khảo sát 4 mẫu khung hỗ trợ chế tạo ở nhiệt độ nóng chảy 120°C, với hệ số đùn E1 Các thông số thử nghiệm bao gồm vận tốc thay đổi 10 mm/s và 20 mm/s, cùng với gia tốc 2000 mm/s² và 3000 mm/s².
Hình 3.9 Đồ thị phân bố kích thước sợi và lỗ trống
Hình 3.9 thể hiện sự phân bố đồng đều của kích thước sợi và lỗ trống dọc theo đường mục tiêu, với kích thước sợi thường nằm phía trên và kích thước lỗ trống ngược lại Hiện tượng này được dự đoán là do sự giãn nở của các sợi trong quá trình chế tạo Sự thay đổi này sẽ được làm rõ hơn trong hình 3.10 thông qua các đồ thị phân tích.
Hình 3.10 Đồ thị đánh giá sai lệch chuẩn kích thước sợi và lỗ trống
Hình 3.10a và 3.10b minh họa sự phân bố kích thước sợi nhựa dưới các chế độ in khác nhau Đồ thị chỉ ra rằng việc điều chỉnh vận tốc và gia tốc có tác động đáng kể đến kích thước trung bình của sợi Cụ thể, khi tăng các giá trị này trên đường trung, kích thước sợi nhựa cũng thay đổi theo.
Việc nghiên cứu sự dịch chuyển của bình từ trên xuống dưới đường mục tiêu cho thấy rằng sự kéo dãn của sợi nhựa khi đầu in di chuyển với vận tốc và gia tốc lớn là nguyên nhân chính Phân tích độ lệch đường trung bình giữa các mẫu cho thấy thay đổi về vận tốc có ảnh hưởng lớn hơn so với thay đổi gia tốc, đặc biệt khi đầu in di chuyển đến các điểm đầu – cuối của hành trình Hơn nữa, kích thước lỗ trống có xu hướng tăng khi vận tốc và gia tốc tăng, điều này giúp cải thiện độ rỗng của khung hỗ trợ Tuy nhiên, trong thiết kế khung hỗ trợ, việc tối ưu hóa không gian trống cho tế bào phát triển vẫn cần đảm bảo sự cứng vững của cấu trúc cơ học.
Đồ thị Hình 3.11 tổng hợp ảnh hưởng của các thông số vận tốc gia tốc đến kích thước sợi và lỗ trống khung hỗ trợ Chế độ V2A2 và V2A3 có đường trung bình lệch ít nhất so với đường mục tiêu, trong đó V2A2 cho thấy độ phân tán tốt hơn với các cực trị sai lệch chỉ 10μm cho kích thước sợi và 15mV cho lỗ trống, theo bảng 3.4 Do đó, chế độ in V2A2 được đánh giá là tốt nhất để đảm bảo độ ổn định kích thước sợi, lỗ trống và các đặc tính cơ học cho khung hỗ trợ.
Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả khảo sát thông số vận tốc gia tốc
Chế độ in Thông số khảo sát (m)
Kích thước sợi Kích thước lỗ trống
3.3.4.2 Ảnh hưởng của vận tốc và gia tốc đến độ rỗng khung hỗ trợ
Bảng 3.5 Kết quả khảo sát độ rỗng
Chế độ in Khối lượng khung hỗ trợ (g) Độ rỗng
Bảng 3.5 chỉ ra rằng độ rỗng tối ưu đạt được khi tăng các thông số vận tốc và gia tốc Kích thước lỗ trống lớn giúp cải thiện quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng, từ đó thúc đẩy sự phát triển tế bào Mẫu khung V2A3 đạt độ rỗng tối đa 63%, cho thấy sự biến đổi kích thước sợi và lỗ trống có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị độ rỗng Tuy nhiên, cần xem xét độ ổn định và cứng vững của mẫu in để đảm bảo tính cấu trúc của khung hỗ trợ.
Kết luận chương 3
Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát mẫu khung hỗ trợ với các chế độ in khác nhau, tác giả đã đưa ra một số kết luận quan trọng.
Tác giả đã thành công trong việc thiết kế và điều khiển máy in 3D, tạo ra các mẫu khung hỗ trợ có cấu trúc hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật yêu cầu.
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng kích thước sợi tăng khi nhiệt độ nóng chảy và hệ số đùn tăng, ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy của vật liệu trong quá trình tạo mẫu Nhiệt độ nóng chảy tối ưu cho vật liệu nhựa y sinh PCL được xác định là 120 o C.
Việc điều chỉnh thông số vận tốc và gia tốc di chuyển đầu in ảnh hưởng đến kích thước sợi, kích thước lỗ trống và độ rỗng của khung hỗ trợ Mẫu thử nghiệm với vận tốc 20 mm/s và gia tốc 2000 mm/s² đạt độ sai lệch kích thước sợi trung bình là 298.0±10.0μm và độ rỗng 56% Phân tích độ rỗng khung hỗ trợ cho thấy cần tối ưu hóa các thông số để đạt được sự tương đồng với các nghiên cứu quốc tế, với độ rỗng dao động từ 49-77%, 64-70% và 65%.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Luận văn đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thiết kế, điều khiển máy in 3D cho khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học, đồng thời đạt được các kết quả cụ thể đáng chú ý.
Luận văn đã tiến hành khảo sát các đặc điểm và khả năng hoạt động của khung nuôi cấy mô sinh học, cùng với các công nghệ máy in 3D hiện có để sản xuất các khung này, cả ở Việt Nam và trên toàn thế giới.
Thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình của máy in 3D dùng để in các mẫu khung hỗ trợ
Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến khả năng hoạt động của máy và chất lượng mẫu in
Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống máy in đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình chế tạo khung hỗ trợ Các yếu tố như nhiệt độ, hệ số đùn và vận tốc gia tốc đã được phân tích và đánh giá để xác định ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm.
Kết quả của luận văn này cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu liên quan đến thiết kế và chế tạo máy in 3D, cũng như các phương pháp tạo khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn hiện chỉ dừng lại ở môi trường phòng thí nghiệm Để ứng dụng nghiên cứu này vào thực tiễn, cần tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu hơn trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong công nghệ mô sinh học.
