Nghiên cứu thiết kế điều khiển đầu in bột cho máy in 3d khung hỗ trợ trong ứng dụng công nghệ mô sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu thiết kế, điều khiển đầu in bột
cho máy in 3D khung hỗ trợ trong ứng dụng
công nghệ mô sinh học
BÙI HUY HOÀNG


Ngành Kỹ thuật cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Kiên Trung

Trường:

Cơ khí

Chữ ký của GVHD


HÀ NỘI, 10/2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC
SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Bùi Huy Hoàng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế, điều khiển đầu in bột cho máy in 3D
khung hỗ trợ trong ứng dụng công nghệ mô sinh học

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số SV: 20202738M

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng với
các nội dung sau:
• Biên soạn lại lỗi soạn thảo, lỗi chính tả trong luận văn
• Chỉnh sửa kết luận chương 1 trang 12, kết luận chương 3 trang 44 và
kết luận chung trang 45
• Bổ sung các trích dẫn trang 46
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Biểu mẫu của Đề tài/Luận văn tốt nghiệp theo qui định của Viện, tuy nhiên
cần đảm bảo giáo viên giao đề tài ký và ghi rõ họ và tên.
Trường hợp có 2 giáo viên hướng dẫn thì sẽ cùng ký tên.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn
Để có thể hồn thành bài luận văn thạc sĩ của mình, bên cạnh sự cố gắng
của bản thân, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cơ viện
Cơ khí, bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử nói riêng trường đại học Bách Khoa Hà
Nội nói chung Và đặc biệt là TS. Nguyễn Kiên Trung.
Cảm ơn thầy đã luôn chỉ dạy và hướng dẫn tơi vơ cùng tận tình, giúp tơi có thể
hồn thành bài luận văn của mình một cách hồn thiện nhất! Tiếp theo, tôi xin
cảm ơn TS Phùng Xuân Lan cùng tập thể IMS Lab đã đồng hành và hỗ trợ tơi rất
nhiều trong q trình thực hiện đề tài.
Tơi cũng cám ơn ban lãnh đạo công ty FPT Software đã tạo điều kiện tốt nhất để
tơi hồn thành luận văn của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF) đã tài
trợ cho dự án VINIF.2020.DA13 có kinh phí để thực hiện các nghiên cứu trong
khn khổ của luận văn.
Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến
thức, trong bài tiểu luận chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy/Cơ để
bài tiểu luận được hồn thiện hơn.
Lời cuối cùng, em xin kính chúc Thầy/Cô nhiều sức khỏe, thành công và
hạnh phúc


Tóm tắt nội dung luận văn
Cơng nghệ in 3D hiện nay được phát triển và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực trong công nghiệp, đời sống sản xuất, xây dựng và y tế không chỉ như một sản
phẩm mẫu mà như một sản phẩm sử dụng cuối cùng. Trong hơn hai thập niên trở
lại đây, công nghệ in 3D đã được áp dụng nhiều trong công nghệ mô để tạo ra các
mô kỹ thuật như mô xương, da, sụn thay thế những bộ phận bị hư hỏng hay khiếm
khuyết của con người. Để tạo ra các mô kỹ thuật thì khung hỗ trợ là một thành

phần quan trọng để tạo ra hình dạng của mơ, định hướng cho tế bào phát triển và
hình thành mơ. Chất lượng của các khung hỗ trợ có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát
triển của tế bào. Phương pháp FDM sử dụng dây nhựa được sử dụng rộng rãi với
vật liệu in nhiệt dẻo nhưng có hạn chế về sự kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau.
Do vậy, phương pháp in dây không phù hợp với việc tạo khung in hỗ trợ. Phương
pháp in FDM trên cơ sở vật liệu dang bột được đề xuất cho phép trực tiếp tạo mẫu
in từ hỗn hợp vật liệu dạng bột, từ đó mở rộng phạm vi sử dụng nhiều loại vật liệu
khác nhau.
Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển một đầu in bột cho máy in 3D
để có thể in ra các khung hỗ trợ với các chỉ tiêu yêu cầu trong công việc nuôi cấy
mô. Thông qua khảo sát các yếu tố đặc trưng cho khung hỗ trợ, nghiên cứu đánh
giá ảnh hưởng của một số tham số điều khiển đến khả năng hoạt đông của hệ thống.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .............. 1
1.1

Công nghệ mô kỹ thuật ......................................................................... 1

1.2

Khung hỗ trợ trong cơng nghệ mơ sinh học .......................................... 2
1.2.1

Vai trị của khung hỗ trợ ............................................................. 2

1.2.2

Đặc tính của khung hỗ trợ ........................................................... 3

Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ bằng in 3D .............................. 4

1.3

1.3.1

Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA ............................................. 4

1.3.2

Phương pháp tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling) ....... 5

1.3.3
Phương pháp in 3D đùn bột trực tiếp (Direct powder extrusion
3D printing) .................................................................................................... 6
1.3.4
Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser
Sintering) ..................................................................................................... 7
1.3.5

Tổng quan đầu in 3D từ vật liệu dạng bột/hạt ....................................... 9

1.4

a.

Phương pháp đùn mực trực tiếp DIW (Direct Ink Writing) ....... 8

1.4.1

Kết cấu cụm đầu in...................................................................... 9

1.4.2

Kết cấu trục đùn ........................................................................ 10

1.4.3

Vật liệu PCL.............................................................................. 11

Kết luận chương 1 .................................................................................. 12

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU IN
BỘT
............................................................................................. 13
Thiết kế đầu in bột ............................................................................... 13

2.1

2.1.1

Thiết kế kết cấu trục đùn ........................................................... 13

a)

Thông số kỹ thuật của trục đùn........................................................ 13

b)

Số đầu mối ren: ................................................................................ 13

c)

Bề dày cánh vít: ............................................................................... 14

d)

Chiều dài các vùng trên trục vít: ...................................................... 14

e)

Chiều sâu rãnh vít và khe hở trục vít: .............................................. 14

2.1.2

Đầu phun. .................................................................................. 15

2.1.3

Giá đỡ. ....................................................................................... 16

2.1.4

Vỏ trục đùn................................................................................ 16


2.2

2.3

2.4

2.1.5

Phễu cấp liệu ............................................................................. 16

2.1.6

Động cơ. .................................................................................... 17

2.1.7

Bản vẽ lắp 3D ............................................................................ 18

Mô phỏng nhiệt cho đầu in bột bằng FEM ......................................... 19
2.2.1

Mô tả chung .............................................................................. 19

2.2.2

Thông số mô phỏng................................................................... 19

2.2.3

Tính tốn q trình đùn vật liệu ................................................ 20

2.2.4

Kết quả mô phỏng ..................................................................... 22

Chế tạo đầu in bột và điều khiển trục đùn bột .................................... 28
2.3.1

Cụm đầu bột .............................................................................. 28

2.3.2

Điều khiển đầu đùn bột ............................................................. 29

Giao diện điều khiển ........................................................................... 31
2.4.1

Giới thiệu ngơn ngữ lập trình Python và QT-Designer ............ 31

2.4.2

Xây dựng giao diện điều khiển phần mềm ............................... 33

CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ IN TỚI
CHẤT LƯỢNG MẪU IN .................................................................................. 36
3.1

Các chỉ tiêu đánh giá của khung in ..................................................... 36

3.2

Đánh giá ảnh hưởng truyền nhiệt của đầu in bột thiết kế ................... 36

3.3

Đánh giá ảnh hưởng kích thước in bột PCL ....................................... 37

3.4

Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu PCL ................. 38

3.5

Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu bột trộn PCL .... 40

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ......................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 46


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Quy trình áp dụng cơng nghệ mơ vào cấy ghép tạng

1

Hình 1.2- Các thành phần của cơng nghệ mơ

2

Hình 1.3- Khung hỗ trợ và các thành phần

3

Hình 1.4 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA [4]

4

Hình 1.5 Phương pháp tạo mẫu FDM [4]

5

Hình 1.6 Phương pháp đùn bột trực tiếp

6

Hình 1.7 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS [4]

7

Hình 1.8 Phương pháp đùn trực tiếp DIW

9

Hình 1.9 Một số kết cấu đầu in bột/hạt được thiết kế bởi các tác giả (a) Annoni,
(b) Canessa; (c) Liu; (d) Khondoker và Sameoto [5]
10
Hình 1.10 Cấu tạo trực đùn nhựa

10

Hình 1.11 Bột nhựa PCL

11

Hình 2.1 Thơng số kĩ thuật trục đùn nhựa

13

Hình 2.2 Thiết kế trục đùn nhựa

15

Hình 2.3 Đầu phun máy in 3D

15

Hình 2.4 Thiết kế gá đỡ

16

Hình 2.5 Thiết kế vỏ trục đùn

16

Hình 2.6 Thiết kế phễu cấp liệu

17

Hình 2.7 Động cơ bước 42HS L48

17

Hình 2.8 Cụm đùn nhựa được lắp ráp

18

Hình 2.9 Sơ đồ lắp cụm đùn bột

18

Hình 2.10 Mơ hình mơ phỏng nhiệt

20

Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng nhiệt

23

Hình 2.12 Cấu hình nhiệt độ của sáu điểm theo chiều dài trục vít với hai mơ
hình vật liệu
24
Hình 2.13 Các cấu hình nhiệt độ tại điểm P1 và P2 của a) Mơ hình Teflon và
b) Mơ hình nhơm với cài đặt nhiệt độ cảm biến ở 95 ℃ -105 ℃
25
Hình 2.14 Các cấu hình nhiệt độ tại các điểm P1 và P2 của a) Mơ hình Teflon
và b) Mơ hình nhơm với cài đặt nhiệt độ cảm biến ở 115 ℃ ÷ 125 ℃
27
Hình 2.15 Cấu hình nhiệt độ tại điểm P3 có và khơng có vịng chữ O

28

Hình 2.16 Kết cấu của cụm đầu đùn

28

Hình 2.17 Kết cấu cụm trục đùn

29

Hình 2.18 Cụm đầu in bột thực tế chế tạo

29

Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển

31


Hình 2.20 Giao diện điều khiển máy

33

Hình 2.21 Giao diện chuyển đổi G-code

34

Hình 3.1 Thơng số hình học cơ bản của khung in

36

Hình 3.2 Các vùng vật liệu trên trục vít

37

Hình 3.3 Các vùng phân tích trên mẫu in

38

Hình 3.4 Kích thước đường in và lỗ ở các điều kiện in khác nhau

38

Hình 3.5 Ảnh hưởng của vận tốc bàn in đến độ chính xác của mẫu in

39

Hình 3.6 Phân bố kích thước đường in và lỗ ở các tốc độ khác nhau

39

Hình 3.7 Mẫu in PCL (a) và mẫu in trộn PCL-TCP (b) dùng đầu in 0.4mm 40
Hình 3.8 Hình ảnh chụp kính hiển vi của mẫu in bột trộn PCL-TCP ở tốc độ
in 11mm/s và 15mm/s
41
Hình 3.9 Ảnh hưởng của tốc độ in tới kích thước đường in bột PCL-TCP 41


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp in 3D phổ biến

9

Bảng 2.1 Đặc tính của vật liệu

20

Bảng 2.2 Kích thước hình học chính của máy đùn

21

Bảng 2.3 Thời gian di chuyển của bột PCL với ba tốc độ in.

22

Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng nhiệt ở các vị trí

23

Bảng 2.5 Thời gian khởi động t và nhiệt độ của cảm biến với ba tốc độ in. 25
Bảng 2.6 Nhiệt độ của điểm P3 tại thời điểm P1 đạt 90°C

27

Bảng 3.1 Thống kê một số thông số đánh giá cơ bản khung in

36

Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm ở các chế độ in khác nhau

40

Bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm ở các vận tốc in khác nhau bột trộn PCL-TCP
41

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1 Cơng nghệ mô kỹ thuật
Công nghệ mô kỹ thuật là một lĩnh vực gần đây nhằm phát triển hoặc tái tạo
các mô và cơ quan nhân tạo. Ý tưởng thay thế một bộ phận cơ thể bị hư hỏng bằng
vật liệu có nguồn gốc tự nhiên đã được đề xuất và thậm chí đã được áp dụng từ rất
nhiều năm trước. Tuy nhiên, phải đến gần đây, các mô sống mới được chế tạo, tạo
ra lĩnh vực công nghệ mô. Công nghệ mô là một lĩnh vực mới nổi hứa hẹn cung
cấp sự thay thế cho các mô bị tổn thương bằng cách kết hợp ba yếu tố chính, đó là
tế bào, khung hỗ trợ và hoạt chất sinh cơ hoặc sinh hóa. Nghiên cứu hiện tại trong
lĩnh vực này tập trung vào sự phát triển của ba yếu tố này để trả lời các câu hỏi cơ
bản và tạo ra các mơ sống có chức năng. Cơng nghệ mơ đã cho thấy những thành
công đáng kể trong việc tạo ra các mơ và cơ quan vơ mạch (ví dụ: da, sụn, bàng
quang, v.v.) và có nhiều hứa hẹn về việc sản xuất các mơ và cơ quan phức tạp hơn
có chứa cấu trúc mạch ba chiều có tổ chức cao. Trong tương lai, công nghệ mô dự
kiến sẽ tạo ra các mô và cơ quan phức tạp hơn sẽ hữu ích trong việc khắc phục nhu
cầu hiến tặng nội tạng, giảm số lượng động vật được sử dụng trong nghiên cứu
phát hiện thuốc và độc tính của thuốc, và tạo điều kiện phát triển các chẩn đốn
thơng minh và y học cá nhân hóa [1]. Bên cạnh cơng nghệ mơ ứng dụng, nhu cầu
hiểu biết đầy đủ về các ngành khoa học cơ bản điều khiển tế bào, môi trường vi
mơ của chúng và các tín hiệu điều khiển hành vi của chúng là rất quan trọng.

Hình 1.1 Quy trình áp dụng công nghệ mô vào cấy ghép tạng

Ba thành phần cơ bản của công nghệ mô: (1) các tế bào bám dính và sinh
trưởng để tạo thành các mơ chức năng; (2) Khung đỡ thích hợp để cấy ghép và
nâng đỡ; và (3) các phân tử hoạt tính sinh học và các yếu tố tăng trưởng sẽ hỗ trợ
và điều chỉnh sự hình thành mơ mong muốn [2]. Ba thành phần này có thể được
sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp để tái tạo các cơ quan hoặc mô.
1

Hình 1.2- Các thành phần của cơng nghệ mơ

Trong ba thành phần kể trên, khung sinh học hay khung hỗ trợ 3D đóng vai
trị rất quan trọng trong việc định hình cấu trúc, tạo cấu trúc nền cho tế bào bám
dính và phát triển. Tuỳ theo từng loại mơ sinh học có tính chất khác nhau mà các
khung hỗ trợ này ngồi hình dáng bên ngồi khác nhau tương ứng với mơ cần tạo
thì kết cấu khung bên trong, đặc tính cơ lý và vật liệu cũng khác nhau.
1.2 Khung hỗ trợ trong cơng nghệ mơ sinh học
1.2.1 Vai trị của khung hỗ trợ
Khung hỗ trợ làm bằng vật liệu sinh học có thơng thường khả năng tự phân
huỷ sinh học đóng vai trị là nhà, nền hoặc cấu trúc để gắn kết tế bào, tăng sinh và
cuối cùng dẫn đến hình thành mơ mới. Các khung hỗ trợ với tỷ lệ diện tích bề mặt
trên thể tích cao tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng trưởng, di chuyển và biệt hóa
của tế bào, tất cả đều là những đặc tính rất được mong muốn cho các ứng dụng
cơng nghệ mơ. Do đó, nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này được hướng tới việc
chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô.

2


Hình 1.3- Khung hỗ trợ và các thành phần

1.2.2 Đặc tính của khung hỗ trợ
Khung hỗ trợ được sản xuất từ nhiều loại vật liệu sinh học khác nhau và được
sản xuất bằng nhiều kỹ thuật chế tạo đã được sử dụng trong lĩnh vực này với nỗ
lực tái tạo các mô và cơ quan khác nhau trong cơ thể. Bất kể loại mơ là gì, khung
hỗ trợ cần có một số đặc tính về hình học và sinh học cơ bản như sau:
a) Tương thích sinh học

Tiêu chí đầu tiên của bất kỳ khung hỗ trợ nào cho công nghệ mơ là nó phải
tương thích sinh học; các tế bào phải bám dính, hoạt động bình thường và di chuyển
lên bề mặt và cuối cùng đi qua khung hỗ trợ và bắt đầu tăng sinh trước khi tạo ra
chất nền mới. Sau khi cấy ghép, cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô được thiết kế phải
tạo ra một phản ứng miễn dịch khơng đáng kể để ngăn chặn nó gây ra phản ứng
viêm nghiêm trọng đến mức có thể làm giảm sự chữa lành hoặc gây ra sự đào thải
của cơ thể.
b) Khả năng phân hủy sinh học
Mục tiêu của công nghệ mô là cho phép các tế bào của chính cơ thể, theo thời
gian, cuối cùng sẽ thay thế khung hỗ trợ được cấy ghép hoặc cấu trúc mơ đã được
thiết kế. Do đó, khung hỗ trợ phải có khả năng phân hủy sinh học để cho phép các
tế bào sản xuất chất nền ngoại bào của chính chúng. Các sản phẩm phụ của q
trình thối hóa này cũng khơng độc hại và có thể thốt ra khỏi cơ thể mà không
ảnh hưởng đến các cơ quan khác. Hiện nay, có một số loại polyme có khả năng
phân huỷ sinh học phổ biến là PCL, PLA, PLGA tuy nhiên thời gian phân huỷ sinh
học của những loại này khác nhau. Do vậy, cần lựa chọn và có chế độ kết hợp phù
hợp để khống chế thời gian phân huỷ sinh học với thời gian sinh trưởng của tế bào
và hình thành mơ.
c) Tính chất cơ học
Tốt nhất, khung hỗ trợ phải có các đặc tính cơ học phù hợp với vị trí giải phẫu
mà nó sẽ được cấy ghép và từ góc độ thực tế, nó phải đủ mạnh để cho phép xử lý
phẫu thuật trong quá trình cấy ghép. Việc chế tạo ra các khung hỗ trợ với các đặc
tính cơ học thích hợp là một trong những thách thức lớn trong việc cố gắng tạo ra
xương hoặc sụn. Đối với những mô này, khung hỗ trợ cấy ghép phải có đủ tính
tồn vẹn cơ học để hoạt động từ khi cấy ghép đến khi hoàn thành q trình hình
thành mơ. Nhiều vật liệu đã được sản xuất với các tính chất cơ học tốt nhưng khơng
có lợi cho việc giữ được độ xốp cao và nhiều vật liệu đã được chứng minh là có
tiềm năng in vitro đã thất bại khi cấy in vivo do không đủ khả năng tạo mạch. Rõ
ràng là sự cân bằng giữa các đặc tính cơ học và cấu trúc xốp đủ để cho phép xâm
nhập tế bào và mạch máu là chìa khóa thành cơng của bất kỳ khung hỗ trợ nào.

d) Kiến trúc khung hỗ trợ
3


Kiến trúc của khung hỗ trợ được sử dụng cho cơng nghệ mơ là rất quan trọng.
Các khung phải có cấu trúc lỗ xốp liên kết với nhau và độ xốp cao để đảm bảo sự
xâm nhập của tế bào và sự khuếch tán đầy đủ các chất dinh dưỡng đến các tế bào
trong cấu trúc và đến chất nền ngồi tế bào do các tế bào này hình thành. Hơn nữa,
cần phải có một cấu trúc liên kết xốp để cho phép khuếch tán các chất thải ra khỏi
khung, và các sản phẩm thối hóa của khung phải có thể thốt ra khỏi cơ thể mà
khơng ảnh hưởng đến các cơ quan khác và các mô xung quanh. Một thành phần
quan trọng khác là kích thước lỗ trung bình của khung hỗ trợ. Mật độ lỗ bị ảnh
hưởng bởi diện tích bề mặt cụ thể, tức là bề mặt có sẵn trong lỗ mà tế bào có thể
bám vào. Điều này phụ thuộc vào kích thước lỗ trung bình trong khung hỗ trợ. Do
đó, các lỗ cần phải đủ lớn để cho phép các tế bào di chuyển vào cấu trúc, nơi cuối
cùng chúng bám.
e) Công nghệ sản xuất
Để một cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô cụ thể trở nên khả thi về mặt lâm sàng
và thương mại, nó phải hiệu quả về mặt chi phí và có thể mở rộng quy mô từ việc
sản xuất từng cái một trong phịng thí nghiệm nghiên cứu sang sản xuất hàng loạt
nhỏ. Một yếu tố quan trọng khác là xác định cách một sản phẩm sẽ được phân phối
và cung cấp cho bác sĩ lâm sàng. Điều này sẽ xác định cách thức lưu trữ khung hỗ
trợ hoặc cấu trúc được thiết kế theo mơ hình.
1.3 Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ bằng in 3D
Trước đây khung hỗ trợ được chế tạo bằng các phương pháp đúc trong khuôn
truyền thống với một số kỹ thuật tạo lỗ như bay hơi (gas foaming) hay làm chảy
muối (salt leaching). Tuy nhiên các phương pháp này khơng tạo được hình dáng
phức tạp mong muốn, khơng khống chế được đặc tính hình học của lỗ. Hiện nay
phương pháp phổ biến để tạo khung hỗ trợ là bằng in 3D với nhiều công nghệ khác
nhau và đa dạng về vật liệu cũng như cấu trúc khung [3]. Với công nghệ in 3D,

các khung hỗ trợ được tạo ra dễ dàng kiểm soát được các đặc tính hình học từ đó
điều chỉnh được các đặc tính kỹ thuật và đặc tính sinh học
1.3.1 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA

Hình 1.4 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA [4]

4


a. Giới thiệu
Đây là công nghệ sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang tạo thành mẫu
vững chắc theo từng lớp.Quá trình tương đối đơn giản nhưng hiệu quả, cho chính
xác cao. Đến nay kĩ thuật SLA vẫn là phương pháp in chính xác nhất, mỗi lớp có
thể mỏng tới 0,06mm. Chi tiết in cần phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ
cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng
khơng bị nổi lên hoặc khơng bị trôi nổi tự do ở trong thùng.
a) Vật liệu sử dụng
Loại nhựa lỏng có khả năng đơng đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như:
tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, như expoxy,
actylates, …
b) Ưu điểm
Hệ thống cứng vững và hồn tồn tự động, độ chính xác kích thước
cao (0.1mm).
• Độ bóng bề mặt cao, độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức
tạp.
c) Nhược điểm
•

•
•

Sản phẩm bị rổ khí, lớp sản phẩm in cuối cùng dễ bị lỗi.
Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành và bảo trì cao.

1.3.2 Phương pháp tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling)

Hình 1.5 Phương pháp tạo mẫu FDM [4]

a) Giới thiệu
Là công nghệ xây dựng bằng cách kéo dài nhựa nóng chảy rồi hố rắn từng
lớp tạo nên cấu trúc chi tiết đặc. Vật liệu xây dựng trong cấu trúc của một sợi đặc
mảnh, được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ. Khi

5


sợi này tới đầu dị nó được nung chảy bởi nhiệt độ sau đó nó được đẩy ra qua vịi
phun lên mặt phẳng chi tiết.
Khi vật liệu nóng chảy được đẩy ra, nó được san bằng nhờ vịi phun. Độ rộng
của đường trải có thể thay đổi trong khoảng từ 0,0076 đến 0,038 inch (từ 0,193mm
đến 0,965 mm) và được xác định bằng kích thước của miệng phun.Miệng phun
khơng thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế việc phân tích mơ hình phải
được chọn lựa trước.Khi kim loại nóng chảy được san đều nó nguội nhanh khoảng
1/10(s) và đơng cứng lại. Khi một lớp được phủ hồn thành mặt phẳng giá đỡ di
chuyển xuống phía dưới một lớp mỏng thơng thường từ 0,178mm đến 0,356mm
và q trình được lặp lại.
b) Vật liệu sử dụng
Vật liệu cho công nghệ in FDM thường là nhựa ABS, PLA, PCL
c) Ưu điểm
Là công nghệ in 3D giá rẻ, thường sử dụng trong các sản phẩm chịu

lực.
• Tốc độ tạo hình 3D nhanh.
d) Nhược điểm
•

•
•

Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác khơng cao.
Chỉ có thể dùng cho các vật liệu có dạng sợi mà thường khơng phổ biến
với vật liệu sinh học

1.3.3 Phương pháp in 3D đùn bột trực tiếp (Direct powder extrusion 3D
printing)

Hình 1.6 Phương pháp đùn bột trực tiếp

a) Giới thiệu
Phát triển từ phương pháp phổ biến FDM, cải tiến thêm để sử dụng cho các
vật liệu dạng bột dùng trong in 3D sinh học.
b) Vật liệu
Nhựa sinh học dạng bột hay hạt
c) Ưu điểm
● Kết hợp được các vật liệu in sinh học.

6


● Trực tiếp tạo ra các khung hỗ trợ từ vật liệu thô, không phải qua bước
tạo dây nhựa sinh học.

d) Nhược điểm
Độ phân giải hạn chế, cần kiểm soát nhiệt độ nóng chảy nghiêm ngặt.
1.3.4 Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering)

Hình 1.7 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS [4]

a) Giới thiệu
SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột. Sử dụng tia laser, công
nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra mẫu
dạng rắn.
Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt
cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để
cho lớp mới được xây dựng. Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết
khi dùng phương pháp này, …
Những chi tiết được chế tạo tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề
mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh).
b) Vật liệu sử dụng
Các vật liệu phổ biến dùng cho phương pháp này là Polycacbonate (PC),
nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass
filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer).
c) Ưu điểm
•
•
•

Số lượng vật liệu đưa vào q trình cao (Higt Through-put) giúp cho
q trình tạo mẫu nhanh chóng
Vât liệu an tồn, đa dạng, chi phí rẻ
Khơng cần cơ cấu hỗ trợ (Non – Support)
7

• Giảm sự bóp méo do ứng suất
• Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý (như chỉ cần phun cát, …)
• Khơng cần xử lý tinh (Post-curing).
• Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết
d) Nhược điểm
•
•
•
•

Độ bóng bề mặt thơ.
Lớp đầu tiên có thể địi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như
uốn quăn, …)
Mật độ chi tiết không đồng nhất
Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng

1.3.5 Phương pháp đùn mực trực tiếp DIW (Direct Ink Writing)
a) Giới thiệu
DIW là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng dung dịch lỏng hay gel.
Công nghệ này sẽ đùn trực tiếp vật liệu theo từng lớp để hình thành mơ hình
3D. Với cơng nghệ này, cần có bước làm đơng đặc (crosslinking) để giữ được
hình dáng của đường in.
b) Vật liệu sử dụng
Các vật liệu phổ biến là các nhựa nhiệt dẻo trộn với dung môi hoặc trực
tiếp là các mực in sinh học như alginate đông đặc nhờ CaCl2, gelatin, hoặc phối
hợp các loại trên v.v. Mực in sinh học còn có thể được kết hợp với tế bào hoặc
các dưỡng chất
c) Ưu điểm

Đa dạng vật liệu đặc biệt là vật liệu sinh học nên được dùng nhiều trong
công nghệ mô
d) Nhược điểm
•

•
•

Độ chính xác khơng ổn định,
Hình dáng kết cấu khó khống chế

8


Hình 1.8 Phương pháp đùn trực tiếp DIW
Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp in 3D phổ biến
Công nghệ
FDM
DPE
SLA
SLS
DIW

Cách thức hoạt động

Vật liệu

Vật liệu được đùn qua đầu
phun gia nhiệt
Vật liệu dạng bột được ép đùn

trực tiếp
Sử dụng tia động đặc polyme
nhựa quang
Sử dụng tia laser để thêu kết
vật liệu
Đùn trực tiếp

Nhựa ABS, PLA, PCL
Nhựa PLGA, PCL kết hợp HA, TCP
Polyme nhựa quang
Bột kim loại, bột nhựa
Vật liệu dung dịch nhựa hịa tan trong
dung mơi hoặc các loại gel sinh học

Do đặc tính của đầu bột này có thể in trực tiếp từ vật liệu sinh học nhiệt dẻo
có dạng bột hoặc hạt sẵn có trên thị trường nên phương pháp in 3D từ vật liệu dạng
bột thể hiện ưu điểm lớn về tính thương mại của vật liệu. Đồng thời có thể phối
hợp trực tiếp với nhiều loại vật liệu khác để thay đổi đặc tính sinh học của vật liệu
mặc dù công nghệ in phức tạp do phải khống chế nhiệt tốt. Máy in 3D từ vật liệu
dạng bột được nghiên cứu.
1.4 Tổng quan đầu in 3D từ vật liệu dạng bột/hạt
1.4.1 Kết cấu cụm đầu in
Tác giả Netto và cộng sự đã có một nghiên cứu tổng hợp các phương pháp đùn
từ vật liệu dạng hạt kim loại qua đó mơ tả nhiều kết cấu trục đùn của các nghiên
cứu trước đây [5]. Tác giả Annoni và cộng sự đã phát triển phương pháp in trực
tiếp từ hạt kim loại và gốm từ nguyên liệu ép phun [6]. Mặc dù các thử nghiệm về
khả năng đùn được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất kết dính và hình
dạng của vịi phun, nhưng khơng có mơ hình 3D nào được in. Tác giả Canessa và
cộng sự không cung cấp nhiều thông tin về thiết kế của vít khoan, vì họ tập trung
vào thiết kế của bơm để đạt được khả năng kiểm soát thể tích tốt hơn đối với tốc

độ dịng đùn [7]. Khái niệm này sẽ loại bỏ nhu cầu về các hành trình rút lại. Đầu
in được tích hợp vào một máy in 3D RepRap và được sử dụng với các vật liệu khác
nhau. Đầu in được phát triển bởi nhóm tác giả Liu là kết cấu đa cơng nghệ trình
bày hai khối phân phối dẫn động bằng piston, một máy đùn trợ lực bằng trục vít,
và một khối phun plasma [8]. Khơng có thơng tin về thiết kế vít được cung cấp.
Mỗi sự thống nhất đùn được lập chỉ mục bằng chuyển động quay. Trái ngược với
các đầu in có trục vít hỗ trợ trước đây tích hợp vào cùng một tổ hợp để xử lý và
tích lũy hợp nhất, thiết kế thay thế do tác giả Khondoker và cộng sự đề xuất [9].
Nhóm tác giả đã loại bỏ những hạn chế cố hữu do trọng lượng và quán tính của

9


máy đùn trục vít tốc độ và yêu cầu phân giải của đầu đùn bằng thiết kế nằm ngang
nhưng sẽ có hạn chế khi sử dụng với nhiều đầu đùn khác nhau.

Hình 1.9 Một số kết cấu đầu in bột/hạt được thiết kế bởi các tác giả (a) Annoni, (b)
Canessa; (c) Liu; (d) Khondoker và Sameoto [5]

1.4.2 Kết cấu trục đùn
Trục đùn nhựa có kết cấu giống một cái trục vít. Chức năng của trục đùn là
vận chuyển nhựa nguyên liệu nhựa suốt chiều dài của buồng gia nhiệt. Theo đó,
nhựa dần dần được nung chảy bởi các lõi gia nhiệt. Trục đùn đẩy nhựa, đông thời
trộn các hạt nhựa lúc này đã được nung chảy. Trục đùn là thành phần quan trọng
nhất của cơ cấu đùn nhựa.

Hình 1.10 Cấu tạo trực đùn nhựa

Trục đùn được chia thành 3 vùng cơ bản: vùng cấp liệu (vùng truyền đạt), vùng
nén (vùng chuyển tiếp), vùng định lượng (vùng bơm).

● Vùng cấp liệu: Mục đích vùng cấp liệu là vận chuyển nguyên liệu từ
phễu (khoang chứa) vào các vùng sau của vít. Cần tránh gia nhiệt mạnh
vùng này để nguyên liệu không bị dính vào các rãnh vít, khi bị dính
nhiều thì nhựa không thể đi vào buồng gia nhiệt được nữa. Tại vùng này
răng có độ sâu nhất.
● Vùng nén: Nguyên liệu bị nén mạnh và nóng chảy, đồng thời chất khí
sẽ bị đẩy ngược lại và thoát ra khỏi máy qua phễu hoặc lỗ xylanh có lỗ
thốt khí thì khí sẽ thoát ra đường này, tại vùng này độ sâu răng giảm
nhanh.
● Vùng định lượng: là nơi sự tan chảy của nhựa được hoàn thành và
sẵn sàng đi ra khỏi buồng gia nhiệt. Độ sâu rãnh vít là khơng đổi trong
tồn bộ vùng này Vùng này cũng được gọi là vùng bơm.
10


Tuy nhiên, chức năng của từng vùng không chỉ giới hạn riêng tại vùng đó. Các
q trình của một vùng có thể tiếp tục xảy ra trong khu vực liền kề.
1.4.3 Vật liệu PCL
Polycaprolacton (PCL) là một polyester có khả năng phân hủy sinh học với
nhiệt độ nóng chảy khoảng 60℃. Người ta chú ý tới khả năng ứng dụng của PLC
làm vật liệu sinh học vì trong mơi trường sinh lý (trong cơ thể) PLC có thể phân
hủy bằng quá trình thủy phân liên kết este. So với polylatic (PLA), PCL phân hủy
chậm hơn nên có thể làm các bộ phận/thiết bị đưa vào trong cơ thể sống. Cục Quản
lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) chứng nhận PCL có thể làm vật liệu
dẫn thuốc hay chỉ khâu y tế cho con người. Vì các đặc điểm phù hợp với yêu cầu
của máy in 3D sinh học nên ta chọn sử dụng vật liệu PCL ở dạng bột và trộn kết
hợp với một số hạt hoặc bột nguyên liệu khác để làm vật liệu in cho máy in 3D
sinh học.

Hình 1.11 Bột nhựa PCL

11


a.

Kết luận chương 1

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ mô sinh học cho thấy tiềm năng phát triển
của lĩnh vực này trong chăm sóc sức khỏe. Trong cơng nghệ mơ, khung hỗ trợ
đóng vai trị quan trọng và được chế tạo bằng nhiều phương pháp in công nghệ in
3D là chủ yếu.
Các nghiên cứu cho thấy phương pháp đùn nhựa trực tiếp nhờ trục vít có tính
linh hoạt cao về vật liệu hơn các dạng khác và là phương pháp mà học viên cao
học đề xuất nghiên cứu và chế tạo trong nghiên cứu này của luận văn

12


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU IN BỘT
2.1 Thiết kế đầu in bột
2.1.1

Thiết kế kết cấu trục đùn

a) Thơng số kỹ thuật của trục đùn

Hình 2.1 Thông số kĩ thuật trục đùn nhựa

Các thông số đặc trưng của trục vít (trục đùn) cần chú ý là:

● L: Chiều dài trục vít.
● D: Đường kính trục vít.
● H: Chiều sâu rãnh vít.
● E: Bề dày của cánh vít.
● P: Bước vít.
● φ: Góc nghiêng của cánh vít.
Để có thể thiết kế được trục vít chúng ta phải tính tốn rât nhiều thơng số. Ví
dụ như phải tính đến loại nhựa sử dụng, nhiệt độ chuyển tiếp và nhiệt độ nóng chảy
của chúng. Mỗi ứng dụng lại cần một loại trục đùn với đường kính và chiều dài
khác khau. Một thơng số cũng rất quan trọng đó là khe hở giữa các ren của trục vít
với bề mặt trong của buồng gia nhiệt. Khi khe hở lớn, vật liệu được trộn tốt hơn
tuy nhiên năng suất lại giảm đi bởi dòng vật liệu bị đẩy ngược lại.
Trục đùn nhựa trong các loại máy ép đùn nhựa là các loại trục tiêu chuẩn đã
được tính tốn sẵn các thông số để đảm bảo lực ép, lưu lượng nhựa ổn định nhất.
Để tính tốn thiết kế trục đùn nhựa trước hết cần lựa chọn các thông số cơ bản
sau để phù hợp với kết cấu của máy cỡ nhỏ: Đường kính trục vít: D= 8mm, chiều
dài trục vít: L= 80mm. Các thơng số khác có thể tính tốn dựa vào các giá trị đã
xác định này.
b) Số đầu mối ren:
Bước đầu tiên trong q trình thiết kế trục vít là xác định số đầu mối ren. Trong
các ứng dụng u cầu dịng chảy lớn, số đầu mối ren có thể là hai hoặc hơn hoặc
sử dụng kết hợp hai, ba trục vít, nhưng trong trường hợp với cơng suất nhỏ thì
chúng ta chỉ lựa chọn trục vít với một mối ren.
13


Vậy số đầu mối ren m= 1.
- Góc xoắn:
Một thơng số nữa cũng cần xác định là góc xoắn của ren. Trong các trục đùn
thông thường lấy khoảng cách giữa 2 ren gần nhất, hay bước ren (t) bằng với đường

kính trục vít. Vì vậy t= D= 8 mm.
Khi đó góc xoắn có giá trị là:
𝜑𝜑 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1

c) Bề dày cánh vít:

𝑡𝑡
8
= 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1
= 17,65𝑜𝑜
𝜋𝜋. 𝐷𝐷
𝜋𝜋. 8

Bề dày cánh vít phụ thuộc vào đường kính trục vít qua mối liên hệ toán học.
Chọn e= 1 mm

𝑒𝑒 = 0.12𝑥𝑥 𝐷𝐷 = 0.12𝑥𝑥 8 = 0,96 𝑚𝑚𝑚𝑚

d) Chiều dài các vùng trên trục vít:

Chúng ta quyết định chiều dài các vùng trên trục vít dựa vào phần trăm trên
tổng chiều dài trục vít đã xác định. Vùng cấp liệu chiếm 25% đến 30% tổng chiều
dài, vùng nén chiếm 35% đến 40% và vùng định lượng chiếm 40 đến 45%. Chiều
dài cụ thể từng vùng như sau:
Vùng cấp liệu: L1= 0.25x 80 = 20mm
Vùng nén: L2= 0.35x 80= 28 mm
Vùng định lượng: L3= 0.4x 80= 32mm
e) Chiều sâu rãnh vít và khe hở trục vít:
Chiều sâu rãnh vít ở vùng cấp liệu ( đầu trục vít ) là khoảng cách giữa bề mặt
ngồi của trục vít tới rãnh vít. Nó có mối liên hệ với đường kính trục vít theo cơng

thức:
h1= 0.2x D= 0.2x 8= 1,6 mm
Chiều sâu rãnh vít ở vùng định lượng (cuối trục vít) được xác định bởi tỉ lệ
nén ( Z). Tỉ lệ nén giữa chiều sâu của rãnh vít ở đầu và cuối trục vít. Thơng thường
giá trị này nằm trong khoảng 2-4mm. Chọn Z= 3mm ta có.
𝑍𝑍 =

ℎ1 1,6
ℎ1
→ ℎ2 =
=
= 0,53 𝑚𝑚𝑚𝑚
ℎ2
𝑍𝑍
3

Từ các thông số này chúng ta có thể xác định được đường kính chân ren.
● Đường kính chân ren tại vùng cấp liệu là:
d1 = D - 2h1 = 8 - 2x1,6= 4,8 mm

● Đường kính chân ren tại vùng định lượng là:
d2 = D - 2h2 = 8 - 2x0,53= 6,9 mm

14


Thơng số về khe hở trục vít là khoảng cách giữa bề mặt trong của buồng gia
nhiệt tới bề mặt ngồi của trục vít. Nó phải đủ nhỏ để nhựa khơng chảy ngược lại.
Cơng thức tính như sau:
𝛿𝛿 =0,002 xD=0,002x 8 = 0,016 mm

Từ các thơng số tính tốn được ở trên, trục vít có hình dạng như sau:

Hình 2.2 Thiết kế trục đùn nhựa

2.1.2 Đầu phun.
Đầu phun là chi tiết quyết định tới đường kính và hình dạng của sợi nhựa. Đầu
phun được thiết kế để dễ dàng tháo ra nhằm mục đích lau chùi và chuyển đổi các
đầu phun có đường kính lỗ đùn lớn hơn. Đầu phun được làm từ đồng 360. Vật liệu
này được lựa chọn để chế tạo vì rất nhiều lý do. Trước hết, nhiệt độ trên đầu phun
phải chính xác và đảm bảo nhựa không được nguội và cứng lại trong đầu phun,
nhưng cũng khơng thể q nóng và mất nhiều thời gian để làm nguội khi đi ra khỏi
đầu phun. Đồng có nhiệt độ nóng chảy là 930oC, điều này có nghĩa là chúng ta
không cần phải lo đến sự biến dạng của đầu phun. Khả năng truyền nhiệt cao bởi
vậy nên nhiệt lượng được phân bố đều. Đầu phun là chi tiết có thể mua sẵn trên thị
trường. Đối với máy in 3D sinh học đầu phun được sử dụng là các đầu phun có
kích thước lỗ là 0,2; 0,3 và 0.4 mm

Hình 2.3 Đầu phun máy in 3D

15