tìm hiều CÔNG NGHỆ IN 3d đại học

CÔNG NGHỆ IN 3D - ỨNG DỤNG HƯỚNG ĐẾN
Y HỌC TƯƠNG LAI
1. Tổng quan cơng nghệ in 3D
• Lịch sử hình thành
 1980: Dr Kodama là cha đẻ của ý tưởng 3D – phát minh ra công nghệ
tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping).
 1986: Bằng sang chế đầu tiên cho thiết bị tạo khối Stereolithography
được trao cho Charles (Chuck) Hull – người sau này đã thành lập ra





công ty 3D Systems.
1988: Chiếc máy in 3D đầu tiên trên thế giới: SLA-1 được sản xuất
1992: Bản quyền công nghệ in FDM thuộc về Stratasys
1999: Bắt đầu thử nghiệm in 3D nội tạng
2009: FDM đã hết hạn bảo hộ bản quyền và được nhiều cơng ty ứng
dụng rộng rãi.

Có thể thấy rằng, cơng nghệ in 3D đầu tiên và lâu đời nhất là SLA. Tuy nhiên, công
nghệ FDM lại dễ dàng phổ cập và sử dụng nhất nên vẫn nhiều người lầm tưởng đây là
công nghệ sơ khai ban đầu, hoặc FDM là kỹ thuật in 3D duy nhất.
Ngay tại thời điểm in 3D FDM ra đời, nó cũng chưa được phổ biến rộng rãi vì được
bảo hộ bản quyền. Vậy nên phải tới 2009, khi bản quyền FDM hết hiệu lực, in 3D mới
được nhân rộng ra nhanh chóng, và phổ cập trên hàng loạt các phương tiện truyền thông.
Cho tới nay, kỹ thuật in 3D khơng cịn q xa lạ trên thị trường, và càng ngày càng phát
triển mạnh mẽ.
• Cơng nghệ in 3D là gì?
Theo Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing Materials –
ASTM), Công nghệ in 3D là một quá trình sử dụng các ngun liệu để chế tạo nên mơ

hình 3D bằng phương pháp chồng từng lớp nguyên liệu lên nhau, để hình thành dần chi
tiết, với độ chính xác của từng lớp in là mm. Và quá trình này trái ngược với bất kì sản
xuất truyền thống dùng trong quá trình chế tạo trước đây.
• Xây dựng quy trình chế tạo sản phẩm


Tùy vào từng công ty – cơ sở sản xuất, họ đều có một quy trình chế tạo riêng, sau
khi nghiên cứu nhóm đã xây dựng một quy trình chế tạo sản phẩm của Công nghệ in 3D
một cách cơ bản và dễ hiểu nhất như hình ảnh dưới đây. Quy trình bao gồm 8 bước cơ bản
từ khi lên ý tưởng thiết kế cho đến gian đoạn hoàn thành đưa vào sử dụng trong đời sống.
Bước 1: Thiết kế mơ hình 3D trên máy tính. Các sản phẩm được thiết kế trên máy
tính bằng bất kỳ phần mềm nào. Có thể sử dụng phương pháp thiết kế ngược để tạo ra mơ
hình 3D. Tất cả dữ liệu 3D đều được tạo ra ở dạng mơ hình khối rắn (Solids).
Bước 2: Chuyển dữ liệu sang định dạng STL Mơ hình 3D dạng khối rắn được
chuyển sang định dạng STL. Đây là định dạng dùng chung cho tất cả các hệ thống thuộc
Công nghệ in 3D hiện nay. Mô đun chuyển đổi dữ liệu này đang được tích hợp sẵn trong
tất cả các phần mềm CAD có trên thị trường.
Bước 3: Chuyển sang phần mềm dành cho thiết bị in 3D Dữ liệu STL được chuyển
sang phần mềm sử dụng cho thiết bị in 3D. Trên phần mềm này, sẽ được điều chỉnh kích
thước, lựa chọn vị trí và hướng chế tạo, tạo hệ thống đỡ.
Bước 4: Thiết lập các thông số q trình Cài đặt các thơng số liên quan đến quá trình
chế tạo sản phẩm trên thiết bị in 3D như: nhiệt độ, bề dày lớp, kiểu điền đầy.... và tiến
hành cắt lớp.
Bước 5: Chế tạo sản phẩm Quá trình chế tạo được diễn ra hồn tồn tự động mà
khơng cần có q trình giám sát.
Bước 6: Lấy sản phẩm ra sau khi hoàn thành Tháo sản phẩm ra sau khi q trình
chế tạo hồn tất. Cần lưu ý các điều kiện an toàn như nhiệt độ... \
Bước 7: Hậu xử lý Trong hầu hết các Công nghệ in 3D, sản phẩm sau khi chế tạo
đều trải qua quá trình hậu xử lý như: tháo dỡ hệ thống đỡ, lưu hố, xử lý bề mặt...bước
này địi hỏi thời gian, tính cẩn thận và kỹ năng.

Bước 8: Sử dụng Sản phẩm được sử dụng theo các tính năng yêu cầu khi thiết kế.
Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã cho sản xuất rất nhiều
mẫu vật (mỹ thuật), để cho ra sản phẩm hoàn chỉnh cần qua các bước sau:


– Thiết kế - dựng hình ảnh 3D: Các sản phẩm được thiết kế trên máy tính bằng bất
kỳ phần mềm nào. Có thể sử dụng phương pháp thiết kế ngược để tạo ra mơ hình 3D. Tất
cả dữ liệu 3D đều được tạo ra ở dạng mơ hình khối rắn (Solids). Mơ hình 3D dạng khối
rắn được chuyển sang định dạng STL. Đây là định dạng dùng chung cho tất cả các hệ
thống AM hiện nay. Mô đun chuyển đổi dữ liệu này đang được tích hợp sẵn trong tất cả
các phần mềm CAD có trên thị trường

Tạo file mơ hình 3D bằng phần mềm 3Ds max

Vẽ khối 3D bằng phần mềm solidworks


Sử dụng file trên trang web Thingiverse.com
– Xử lý file 3D thơng qua phần mềm cắt lớp: Hiện nay, có rất nhiều phần mềm cho
phép ta mở file STL, cắt lớp và xuất file Gcode để nạp vào máy in 3D. Một số phần mềm
có thể kể đến như: Repetier Host, Slic3R, Cura, Simplify3D, …. Nhóm nghiên cứu đang
sử dụng phần mềm Simplify3D để xuất file Gcode và Repetier Host để điều khiển máy.
Trong Simplify3D, Sau khi import file STL vào ta nhấp đúp vào vật thể và chú ý các hiệu
chỉnh ban đầu:
+ Xoay vật thể quanh các trục X, Y, Z: Cần chú ý hướng đứng của vật thể sao cho
khi in thì hạn chế thấp nhất support, gây ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.
+ Scale: Tùy vào yêu cầu của sản phẩm và khổ in của máu, ta chọn tỉ lệ scale sao
cho phù hợp nhất.
+ Đọc các số đo kích thước bao của vật thể để chọn máy hợp lý. Việc hiệu chỉnh các
thông số trong phần mềm là một bước quan trọng quyết định đến chất lượng của sản

phẩm, nếu biết và có kinh nghiệm xử lý ta sẽ thu được kết quả mong đợi, ngược lại thì coi
như bỏ sản phẩm hoặc phải trải qua nhiều bước xử lý bề mặt sau mới hồn chỉnh được.
2. Đặc điểm
Cơng nghệ in 3D áp dụng nguyên lý đắp chồng lớp để tạo sản phẩm. Nó cho phép
các nhà thiết kế có thể tạo ra các mẫu thí nghiệm vật lý chính xác từ mơ hình 3D CAD chỉ
trong vài giờ đồng hồ. Bên cạnh đó, Công nghệ in 3D cho phép các nhà thiết kế tự do
sáng tạo các chi tiết có độ phức tạp cao với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương
khác.


Theo ATKearney, Cơng nghệ in 3D có những ưu điểm vượt trội so với công nghệ
chế tạo cắt gọt truyền thống như sau:
Cách sản
xuất

Số lượng

Chi phí/sản phẩm

Chi phí cho sản
phẩm phức tạp

Thời gian ra thị
trường

In 3D

Nhỏ, thay
đổi linh
hoạt

Không cố định,
thay đổi linh hoạt

Không cao hơn so
với sản phẩm đơn
giảm

Rất nhanh ( 1
ngày)

Truyền
thống

Lớn, khó
thay đổi

Cố định, khó thay
đổi

Cao hơn nhiều so
với sản phẩm đơn
giản

Chậm

Theo ATKearney, 3D Printing: A Manufacturing Revolution

3. Ứng dụng của công nghệ in 3D trong y học
Ngành y tế được xem như là một trong những ngành đón nhận kỹ thuật in 3D đầu

tiên và cũng là một ngành có tiềm năng ứng dụng cơng nghệ rất lớn. Do đặc thù của
ngành có yêu cầu cao về khả năng tùy biến và cá nhân hóa sản phẩm, cơng nghệ in 3D sẽ
giúp cải thiện cuộc sống của con người khi quá trình và vật liệu được phát triển đạt tiêu
chuẩn cấp y tế
Công nghệ in 3D đã được ứng dụng để sản xuất các mô sinh học, mô hình giải phẫu
bộ phận cơ thể con người (xương, răng, tai giả,…). Công nghệ này cũng được sử dụng để
hỗ trợ các thử nghiệm về phương pháp và công nghệ y tế mới, tăng cường nghiên cứu y
khoa, giảng dạy và đào tạo đội ngũ y bác sĩ. Đặc biệt, với Bioprinting (in 3D các mơ sinh
học), người ta cịn kỳ vọng là có thể sản xuất ra các bộ phận cơ thể người phục vụ cho
việc thay thế và cấy ghép các cơ quan bị hỏng (như ghép da, ghép thận, ghép tim,…).


Một số ứng dụng đã được đưa vào thực tế như các nguyên mẫu để hỗ trợ phát triển
sản phẩm cho ngành y tế cụ thể là nha khoa, làm khuôn mẫu cho đúc kim loại của mão và
cầu răng hoặc trong việc sản xuất các dụng cụ nhựa để hình thành các bộ khung để tạo các
bộ chỉnh răng.

Tương lai thế giới: công nghệ in 3D trong y học
 Thay khớp, ghéo xương nhân tạo
Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển và ứng dụng của công nghệ in 3D và
thành tựu của ngành công nghệ vật liệu thay thế y sinh học; đặc biệt cùng sự ra đời của
công nghệ sử dụng vật liệu PEEK trong tạo hình xương nhân tạo, một hướng đi mới đã
mở ra để điều trị triệt để những bệnh nhân có bệnh lý u xương phức tạp. Tháng 11/2019,
lần đầu tiên tại Việt Nam, bác sĩ tại 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 20cm thay thế cho
đầu trên xương đùi của hai nam bệnh nhân đã bị biến dạng bởi u xương.
Gần đây, các bác sĩ tại Việt Nam tiếp tục thực hiện thành công việc ứng dụng công
nghệ in 3D để chế tạo phần xương nhân tạo bằng vật liệu Titan. Nhờ có in 3D, xương

nhân tạo có tạo hình chính xác tuyệt đối với cấu trúc của đoạn xương bị khuyết, phần
xương được cấy ghép liên kết chặt chẽ, đãm bảo kỹ thuật phẫu thuật, khả năng chịu lực.
Sau cuộc phẫu thuật thay toàn bộ khớp gối và một phần xương đùi bằng kim loại titan,
bệnh nhân có thể mau chóng lành bệnh, và tự đi lại trên đơi chân của mình mà khơng cần
có dụng cụ hỗ trợ.

 Ghép tai nhân tạo
Tại Nhật Bản, trung tâm nghiên cứu tế bào gốc đa năng của Đại học Tokyo và Đại
học Kyoto đã nghiên cứu tái sinh bộ phận tai con người vào tháng 7. Trong quá trình
nghiên cứu này các nhà khoa học cho biết họ sẽ dùng máy in 3D để đổ khuôn lớp sụn tai.
Đây là bộ phận có cấu trúc khá phức tạp.
Trong 10 năm tới, công nghệ in 3D trong y học này có thể cấy ghép cho các bệnh
nhân gặp khuyết tật về tai. Hai công nghệ hiện đại là máy in 3D cao cấp và iPS được các
nhà khoa học sử dụng đồng thời. Theo nghiên cứu lâm sang, bệnh nhân sẽ được các bác sĩ
chụp ảnh cắt lớp tai bình thường, sau đó dữ liệu cấu tạo xương sụn sẽ được đưa vào máy
in 3D. Bằng vật liệu tổng hợp máy sẽ tạo hình xương sụn. Khi đã hồn thành bộ khung, tế


bào iPS tạo tế bào sụn sẽ được đưa vào bộ khung này. Từ đó có thể cấy ghép vào tai
khuyết tật và giúp giảm chi phí điều trị.

 Làm tay chân giả
Các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ in 3D nhằm tạo ra những thiết bị tương
thích sinh học với con người như tay, chân giả. Những thiết bị này chính là hệ thống vi cơ
điện tử nhỏ với kích thước chưa được 1mm. Chúng có thể giúp con người hoạt động bình
thường như bộ phận thật.
Sinh viên tại Đại học Auburn nghiên cứu và chế tạo chi giả in 3D nhằm cải thiện
cuộc sống cho những người khuyết tật. Công nghệ in 3D và vật liệu composite, đặc biệt là
sợi carbon, đều có vai trị quan trọng trong lĩnh vực sản xuất chi giả.

 Cấy ghép nội tạng của con người
Công nghệ in 3D trong y học được ứng dụng thành công tiếp theo đó chính là cấy
ghép nội tạng cho con người. Công nghệ này đã cấy ghép thành công bàng quang mới cho
một bệnh nhân trẻ từ chính tế bào của mình. Máy in 3D đã tạo ra bàng quang, đây là công
nghệ được các nhà khoa học của viện Y học Wake Forest Institute for Regenerative
Medicine phát triển.
Cũng chính từ đây công nghệ chế tạo cơ quant hay thế đã được mở rộng. Tính ưu
việt của cơng nghệ này đó chính là sử dụng trực tiếp tế bào của bệnh nhân để tạo ra bộ
phận nội tạng mới.