Nghiên cứu ,thiết kế và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực y tế

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO
MẪU NHANH TRONG LĨNH VỰC Y TẾ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S PHẠM BÁ KHIỂN


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này cũng là lúc nhóm gần kết thúc thời gian học tập
tại trường Đại học Cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh. Khoảng thời gian học tập và nghiên
cứu tại Trường đã giúp cho nhóm hiểu và yêu quý nơi đây nhiều hơn. Nhà trường và
Thầy Cô không những truyền đạt cho nhóm những kiến thức chun mơn mà con giáo
dục cho em về lý tưởng, đạo đức trong cuộc sống. Đây là những hành trang không thể
thiếu cho cuộc sống và sự nghiệp của nhóm sau này. Nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc đến tất cả các Quý Thầy Cơ đã tận tình chỉ bảo, dẫn dắt nhóm đến ngày hơm nay

để có thể vững bước trên con đường học tập và làm việc sau này.
Đồ án tốt nghiệp đã đánh dấu việc hoàn thành những năm tháng miệt mài học tập
của nhóm. Và đồ án này cũng đánh dấu sự trưởng thành trên con đường học tập của
nhóm. Qua đây nhóm xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ln động viên và
tạo mọi điều kiện để nhóm hồn thành khóa học.
Cuối cùng, nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy Phạm Bá Khiển với sự
nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và sự định hướng đúng đắn và kịp thời của
Thầy đã giúp nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án.
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ
như vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu
về tự động hóa sản xuất.
Khẳng định vai trị quan trọng của cơng nghệ tự động trong chiến lược cơng nghiệp
hóa và hiện đại hóa nền kinh tế nước ta là một việc hết sức có ý nghĩa, tạo ra khả năng
phát triển nền kinh tế với tốc độ cao, vững chắc và lâu dài.
Ở các nước có nền cơng nghiệp tiên tiến việc tự động hóa các nghành kinh tế, kỹ
thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỉ. Máy in 3d được đưa vào
sản xuất trong các quy trình gia cơng tạo mẫu nhanh, tạo ra các chi tiết có biên dạng
phức tạp,.. Ở Việt Nam, nhiều công ty tư nhân cũng đang bắt đầu ứng dụng đưa vào
công việc sản xuất.
Hiện nay, nhu cầu gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc độ và độ chính

xác cao hơn. Với những chi tiết dạng này các phương pháp truyền thống khó có thể gia
cơng hoặc nếu gia cơng thì cũng mất nhiều thời gian và cơng sức. Chính vì vậy mà
cơng nghệ in 3d đang ngày càng phổ biến không chỉ ở lĩnh vực cơng nghiệp máy móc
mà cịn hiện hữu đa dạng trong các lĩnh vực khác như y tế, giáo dục,… Công nghệ in
3d đã đánh dấu bước mở đầu cho cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 tạo ra ảnh
hưởng to lớn trên nhiều lĩnh vực. Ở Việt Nam hiện nay công nghệ in 3d đang dần được
đưa vào ứng dụng trong quá trình sản xuất với các loại máy in 3d đa chủng loại và
nguồn gốc như máy in của Nga, Tây Ban Nha, Ba Lan,..
Với những lý do trên, nhóm sinh viên Ngành kỹ thuật cơ khí K17 Đại Học Công
Nghệ Tp.HCM chúng em được giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp như sau: “Nghiên cứu,
chế tạo và điều khiển máy in 3d y tế” bao gồm những nhiệm vụ sau đây:
+ Nghiên cứu, tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy in 3d.
+ Nghiên cứu, thiết kế tổng thể máy in 3d về kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển
và lập trình điều khiển máy.
+ Chế tạo được một mơ hình máy in 3d thu nhỏ dựa theo những điều kiện có sẵn.
Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo, chúng em đã gặp nhiều khó khăn, do đề tài mới mẻ, thời gian và kiến Sau một thời
gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, chúng em đã hồn thành được thức cịn hạn chế. Tuy nhiên nhờ sự cố gắng của bản thân
và đặc biệt là sự chỉ dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn là Thầy Phạm Bá Khiển cùng bộ


môn Công Nghệ Chế Tạo Máy đến nay chúng em đã hoàn thành được các nhiệm vụ
của đồ án tốt nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bá Khiển cùng Bộ môn công nghệ chế
tạo máy đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian vừa qua.
Một lần nữa chúng em xin cảm ơn!


CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU

1.1. Tính cấp thiết đề tài
Hiện nay, trên thế giới các ngành công nghiệp sản xuất đã và đang rất phát triển với
trình độ ngày càng tiên tiến. Lượng hàng hóa sản xuất ngày một tăng cao theo nhu cầu
thị trường, các sản phẩm không ngừng thay đổi mẫu mã và được suất hàng loạt. Điều
này kéo theo một yêu tố quan trọng không kém trong sản xuất hàng hóa cơng nghiệp
hàng loạt hiện đại chính là tạo mẫu nhanh. Việc tạo mẫu nhanh để nhanh chóng
chuyển từ ý tưởng thiết kế ra vật thể thật là rất quan trọng. Ứng dụng tạo mẫu nhanh
đã nhanh chóng mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác, đã tác động sâu, rộng đến nhiều
ngành công nghiệp khác nhau, từ kỹ thuật, y tế đến hàng khơng, vũ trụ,…Có thể thấy,
cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã, đang và sẽ mang lại những cú đột phá mới trong sản
xuất, tác động đến nền sản xuất một cách sâu rộng hơn. 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.

Hình 1. 1 Tạo mẫu nhanh trong y tế


Mục đích của các phương pháp tạo mẫu nhanh là tạo ra các mẫu ý tưởng, các mơ
hình đánh giá thử nghiệm thiết kế nhằm mô phỏng hoạt động. Cũng có thể hiểu sản
phẩm tạo mẫu nhanh giống như là một bản vẽ phác thảo 3 chiều của sản phẩm. Nó sẽ
là rất cần thiết để nhà sản xuất đánh giá tính thẩm mỹ, phát hiện các lỡi thiết kế... trước
khi đi vào sản xuất hàng loạt để tung ra thị trường. Máy in 3D ra đời để giải quyết
những khó khăn của người thợ tạo mẫu, nhà thiết kế để làm tiền đề cho sản xuất cơng
nghiệp. Q trình tạo một mẫu công nghiệp với máy in 3D không hao tốn quá nhiều
nguyên vật liệu, máy không qua cồng kềnh to lớn và đặc biêt có thể tạo những chi tiết
nội suy bên trong phức tạp, hơn hẳn những máy gia cơng cơ khí khổng lồ tạo mẫu.

Hình 1. 2 Máy in 3D sinh học
In 3D sinh học là phương pháp sử dụng in 3D và kỹ thuật giống như in 3D kết hợp
các tế bào, yếu tố sinh trưởng, và vật liệu sinh học để chế tạo các bộ phận y sinh mà

mô phỏng tối đa các đặc điểm mơ tự nhiên. Nói chung, in 3D sinh học sử dụng phương
pháp tạo từng lớp để chuyển vật liệu được gọi là mực sinh học để tạo ra các cấu trúc
giống như mơ mà sau đó được sử dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật y tế và mô. In sinh
học bao gồm một sử dụng một loạt các vật liệu sinh học.


Hiện nay, in sinh học có thể được sử dụng để in các mô và các cơ quan để giúp
nghiên cứu thuốc và thuốc. Tuy nhiên, những đổi mới đang nổi lên kéo dài từ quá trình
tái tạo tế bào của các tế bào hoặc ma trận ngoại bào được đưa vào lớp gel 3D theo từng
lớp để tạo ra mô hoặc cơ quan mong muốn. Sự bùng nổ gần đây về tính phổ biến của
in 3D là một minh chứng cho tiềm năng hứa hẹn của công nghệ này và những lợi ích
tiềm tàng của nó trong nghiên cứu và y học tái sinh. Ngoài ra, in 3D sinh học đã bắt
đầu kết hợp việc in ấn của giàn giáo. Những giàn giáo này có thể được sử dụng để tái
tạo khớp và dây chằng.
Cũng giống với các hệ thống tạo mẫu nhanh khác, đầu vào cho mơ hình là tập tin
định dạng STL, phần mềm sẽ chia mô hình thành các lớp. Máy 3D sẽ in các lớp bằng
các nhựa kết dính lại với nhau. Để in, đầu phun nhựa rải một lớp vật liệu theo hình ảnh
cắt ngang (lát cắt) của chi tiết. Sau mỡi lớp hồn tất, piston sẽ dịch xuống hành trình
bằng chiều dày lớp vật liệu trước đó để q trình lặp lại cho các lớp tiếp theo. Thực
chất đây là công nghệ tạo lớp tuỳ theo các đặc điểm của vật liệu và dạng hình học của
vật thể. Sai số tạo hình khơng những phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, mức
di chuyển tạo độ dày từng lớp, mà quan trọng hơn là phần mềm xử lý khi được cập
nhật thơng tin về độ dày thực tế. Vì vậy việc nâng cao độ chính xác tạo hình vẫn được
quan tâm nhiều nhất.

1.2. Lý do chọn đề tài
Việc chế tạo thành công máy in 3D trong lĩnh vực Y tế rất thuận lợi cho quá trình học
tập, nghiên cứu cho sinh viên, học sinh, doanh nghiệp sản xuất. Bên cạnh những ưu
việt đặc biệt của máy in 3D cũng có những khuyết điểm như: sản phẩm in ra chưa
được sắc nét, kích thước vật thể in ra cịn nhỏ, hiệu suất không cao, thời gian tạo mẫu

lâu.
Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã phát triển phương pháp tiếp cận để sản
xuất các cơ quan sống được xây dựng với các tính chất sinh học và cơ học thích hợp.
In sinh học 3D dựa trên ba phương pháp tiếp cận chính: Biomimicry, tự lắp ráp và khối
mơ nhỏ.
Cách tiếp cận đầu tiên của in sinh học được gọi là biomimicry (tạm dịch: bắt chước
sinh học). Mục tiêu chính của phương pháp này là tạo ra các cấu trúc được chế tạo
giống hệt với cấu trúc tự nhiên được tìm thấy trong các mô và cơ quan trong cơ thể


con người. Biomimicry địi hỏi phải sao chép hình dạng, khuôn khổ và vi môi trường
của các cơ quan và mô. Ứng dụng của biomimicry trong in sinh học liên quan đến việc
tạo ra cả hai tế bào giống hệt nhau và các bộ phận ngoại bào của các cơ quan. Đối với
phương pháp này để thành công, các mô phải được nhân rộng trên một quy mơ nhỏ.
Do đó, cần hiểu môi trường vi mô, bản chất của các lực sinh học trong môi trường vi
mô này, sự tổ chức chính xác của các loại tế bào chức năng và hỡ trợ, các yếu tố hịa
tan và thành phần của ma trận ngoại bào.
Những ý tưởng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một chiếc máy in 3D trong lĩnh vực Y
sinh là rất khả thi và hồn tồn có thể thực hiện được. Trong tương lai, dự đoán máy
nếu được đầu tư nghiên cứu có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu học tập
của sinh viên hiện nay, thực hiện gia cơng các chi tiết có kích thước nhỏ, đòi hỏi yêu
cầu thẩm mỹ, kỹ thuật cao, hạ chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm mang lại nhiều
giá trị cho xã hội là điều quan trọng nhất trong giai đoạn cơng nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước hiện nay. Do đó nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu ,thiết kế và ứng
dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực Y tế.”


CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 Tổng quan đề tài
Thách thức đặt ra là công nghệ in 3 chiều trong lĩnh vực Y sinh vẫn là một phát kiến
khá mới mẻ và phức tạp. Làm sao để tạo mẫu nhanh một cách hiệu quả, thân thiện với
người dùng, phù hợp với thị hiếu, nhu cầu và giá thành hợp lý. Từ những thực tiễn
cơng nghiệp khả quan đó, việc thiết kếm tính tốn và chế tạo máy in 3D vừa có chức
năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính. Ch̉n bị là q trình tạo ra một
mơ hình mà sau này máy in sẽ tạo và chọn các vật liệu sẽ được sử dụng. Một trong
những bước đầu tiên là thu thập sinh thiết của cơ quan. Các công nghệ phổ biến được
sử dụng cho in sinh học là chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp cộng hưởng từ (MRI). Để
in theo từng lớp, việc tái tạo cấu trúc chụp cắt lớp được thực hiện trên hình ảnh. Các
hình ảnh 2D hiện tại sau đó được gửi đến máy in sẽ được thực hiện. Khi hình ảnh được
tạo, các ô nhất định sẽ được tách biệt và nhân lên. Những tế bào này sau đó được trộn
với một vật liệu hóa lỏng đặc biệt cung cấp oxy và các chất dinh dưỡng khác để giữ
cho chúng sống. Trong một số quá trình, các tế bào được bọc trong thể hình cầu di
động đường kính 500μm. Sự kết hợp của các tế bào này khơng địi hỏi cấu trúc đỡ, và
được yêu cầu để đặt trong phản ứng tổng hợp mơ hình dạng ống cho các q trình như
đùn.
2.2 Tình hình trong nước:
Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp có sản xuất chế tạo và kinh doanh mặt hàng công
nghệ tạo mẫu nhanh, máy gia công CNC và máy khắc laser nhưng với giá thành tương
đối cao. Bên cạnh đây là một khía cạnh khoa học mới chưa được nghiên cứu và phát
triển phổ biến hay gần như là hoàn toàn mới lạ.
Thực tế cho thấy tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực Y sinh vẫn chưa phát triển trong nước
và đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về
phát triển công nghệ phục vụ Y tế. Đa phần tạo mẫu từ các máy gia công cơ hoặc chi
là bản mẫu 3D trên máy tính thơng qua các phần mềm vẽ 3D. Do vậy cần thúc đẩy
thương mại và nội địa hóa sản xuất sao cho các doanh nghiệp Việt Nam biết và ứng


dụng một cách hiệu quả hơn bên cạnh các máy gia công mạch in và máy khắc laser

hiện tại đã ứng dụng nhiều ở doanh nghiệp trong nước.

Hình 2. 1 Các mô được tạo mẫu bằng máy In 3D
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
được 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 20 cm


thay thế cho đầu trên xương đùi của hai nam bệnh nhân đã bị biến dạng bởi u xương.

Hình 2. 2 Xương đùi bằng vật liệu PEEK in 3D
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, đảm 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 đôi chân của mình mà
khơng cần có dụng cụ hỡ trợ.
2.3 Tình hình trên thế giới:
Công nghệ in 3D trong y học tạo ra một bước ngoặt mới đối với ngành y. Công nghệ
in 3D giúp các bác sĩ phẫu thuật, nhân viên phục hình, cũng như có thể in các trang
thiết bị y tế giúp cải thiện tình trạng của bệnh nhân.


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.

Hình 2. 3 Bộ phận tai con người được in 3D
Trong 10 năm tới, cơng nghệ in 3D trong y học này có thể cấy ghép cho các bệnh
nhân gặp khuyết tật về tai. Các bác sĩ sẽ tiến hành cấy ghép tai nhân tạo cho họ. Hai
công nghệ hiện đại là máy in 3D cao cấp và iPS được các nhà khoa học sử dụng đồng
thời. Việc áp dụng 2 công nghệ này cùng lúc sẽ giúp các bệnh nhân giảm được chi phí
điều trị.
Theo nghiên cứu lâm sàng, 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.

Làm chân tay 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 1 mm. Chúng có thể giúp cho con người hoạt
động bình thường như một 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. Với yêu
cầu phải chế tạo các sản phẩm có độ bền tốt, mà vẫn cần có trọng lượng nhẹ, các lựa
chọn vật liệu đa dạng của Markforged là hướng đi rất đúng đắn khi phải lựa chọn để
làm chân tay giả.

Hình 2. 4 Bàn tay phải được in 3D

Cấy ghép nội tạng cho 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. Cơng 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 quan thay thế đã được rộng mở. 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, nhờ vậy mà hạn chế được tối đa những rủi ro không mong muốn.

Phát minh vật liệu giống mô sống bằng công nghệ in 3D trong y học
Các nhà khoa học Anh đã tạo ra các vật liệu giống với mô sống bằng máy in 3D. Việc
này sẽ giúp ích cho họ có thể nghiên cứu, ứng dụng thành công các dự án y học trong
tương lai.
Trên đây là một số ứng dụng tiêu biểu của công nghệ in 3D trong y học. Ngồi ra,
vẫn cịn rất nhiều những ứng dụng khác nữa của in 3D có thể hỡ trợ hệ thống y tế như
làm các công cụ chuyên biệt trong hỗ trợ phẫu thuật, hay các ứng dụng trong nha khoa.
Chế tạo dụng cụ:
Akin cho các máy in mực thông thường, các máy in sinh học có ba bộ phận chính.
Đây là phần cứng được sử dụng, loại mực in sinh học và vật liệu được in trên (vật liệu
sinh học). "mực sinh học là một vật liệu được làm từ các tế bào sống hoạt động giống
như một chất lỏng, cho phép mọi người "in" nó để tạo ra một hình dạng mong muốn.
Để tạo ra mực in sinh học, các nhà khoa học tạo ra một loạt các tế bào có thể được nạp
vào một hộp mực và được đưa vào một máy in được thiết kế đặc biệt, cùng với một
hộp mực khác có chứa một loại gel gọi là giấy sinh học." Tiềm năng sử dụng cho mực
in sinh học bao gồm việc tạo ra các tấm da cho ghép da và mô mạch máu để thay thế
tĩnh mạch và động mạch.
Trong in sinh học, có ba loại máy in chính đã được sử dụng. Đó là máy in phun, có
laser hỡ trợ và đùn. Máy in phun chủ yếu được sử dụng để in sinh học cho các sản

phẩm có quy mơ lớn và in nhanh. Một loại máy in phun, được gọi là máy in phun theo
yêu cầu, in tài liệu với số lượng chính xác, giảm thiểu chi phí và chất thải. Máy in sử
dụng laser cung cấp độ phân giải cao; tuy nhiên, các máy in này thường đắt tiền. Máy


in phun in các tế bào theo từng lớp, giống như in 3D để tạo các cấu trúc 3D. Ngoài các
tế bào, máy in phun cũng có thể sử dụng hydrogel truyền với tế bào.
2.4 Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết vấn đề
Vấn đề tồn tại lớn nhất ở các máy cơ khí là độ chính xác cao thì giá thành cũng cao,
khơng thể kết hợp nhiều chức năng trên một máy trong khi chức năng gần như tương
tự.
Các mô cần được In trong môi trường vô trùng và nhiệt độ phù hợp với gel tạo mẫu.

Hướng giải quyết
Máy chế tạo nên có khả năng tạo mẫu có độ chuẩn xác cao.
Thiết kế cơ khí đảm bảo thực hiện ba chức năng và kết cấu đầu điều khiển linh hoạt,
có thể tháo lắp đễ dàng. Tạo khung để bảo vệ môi trường In đạt yêu cầu trong Y tế.
Kết cấu máy dạng robot Scara được ứng dụng trong cơng nghiệp có ưu điểm thực
hiện nội suy tốt và có khả năng nội suy đường thẳng, đường cong và đạt độ chính xác
cao.
Giá thành chế tạo phù hợp, chi phí đầu tư thấp nhưng làm được nhiều chức năng là ưu tiên hàng đầu.


CHƯƠNG 3 :

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1. Mục tiêu của đề tài
Từ những vấn đề tồn tại, đề tài nghiên cứu phải có các mục tiêu cơ bản sau:
- Khả năng gia cơng tạo hình in 3D các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong
khoảng rất nhỏ.

- Thiết kế và thi cơng phần cơ khí để hồn thiện mơ hình máy đảm bảo các chức
năng in, khắc cắt các vật liệu nhẹ. Tiến hành chế tạo và lắp ráp hồn thiện mơ hình
máy in 3D với độ chính xác cao.
- Thiết kế, ứng dụng mạch điện và hệ thống mã nguồn mở Ardiuno cơ sở để thực
hiện q trình điều khiển các động cơ các trục cơng tác X,Y, Z và đầu đùn nhựa E
để tạo hình vật thể theo thuật toán của robot song song.
- Thiết kế thi công hệ thống điện điều khiển, lắp đặt các cử hành trình an tồn khi
vận hành, hệ thống kiểm soát nhiệt độ cho đầu phun và đế nhiệt, hệ thống quạt làm
mát đầu phun..v..v…

Hình 3. 1 Máy In 3D có mơi trường vơ trùng

3.2. Phương pháp nghiên cứu
Cơng nghệ in phun sinh học Bioprinting sử dụng một kỹ thuật tương tự như các
máy in phun, trong đó một vịi phun định vị chính xác đặt một chấm nhỏ mực in để


tạo thành hình dạng. Trong in phun sinh học, vật liệu được sử dụng là các tế bào của
con người chứ không phải là mực. Đối tượng in được tạo ra bằng cách phun một
hỗn hợp “vật liệu giàn giáo” (như hydrogel có chứa đường) và các tế bào sống được
nuôi cấy từ các mô của bệnh nhân. Sau khi in, mô được đặt trong một buồng với
nhiệt độ và điều kiện ơxy thích hợp để tạo điều kiện cho tế bào tăng trưởng. Khi các
tế bào đã được kết hợp, “vật liệu giàn giáo” được lấy ra và mô đã sẵn sàng để được
cấy ghép.

Hình 3. 2 Cơng nghiệp phun sinh học
Ưu đểm: của máy in sinh học 3D là mơ hoặc cơ quan có thể được tạo ra theo từng
lớp một để đạt được hình học giải phẫu chính xác. In sinh học 3D có thể thu được
bằng in bằng laser hỗ trợ sinh học (LaBP) hoặc in phun (IBP).

3.3. Yêu cầu kỹ thuật đối với máy in 3D y tế
Máy phải hoạt động ổn định, chạy êm, khơng xảy ra lỡi trong qua trình gia


cơng.

Máy lắp ráp phải có tính cơng nghệ cao nghĩa là dễ tháo lắp, thay thế, bảo


dưỡng.


Máy sử dụng những chi tiết tiêu ch̉n hóa như bulơng, vịng bi, vítme bi
nên dễ dàng thay thế và giá thành của máy cũng thấp đi.



Sản phẩm được làm ra với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp
so với sản phẩm cùng loại của nước ngồi, do đó phù hợp với túi tiền của người


dùng. Sản phẩm có các phần mềm hỡ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có
thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, do đó có khả năng đưa ra sử
dụng rộng rãi, phổ biến.


Tính thuận tiện của máy: máy khá dễ điều khiển và hiểu chỉnh.



Tính thẩm mỹ: máy có thiết kế khá dễ nhìn.



Đặc biết phải giữ máy ở điều kiện vơ trùng vì được sử dụng trong ngành y tế.


CHƯƠNG 4:
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Chọn kết cấu mơ hình
Ngun lí hoạt động của máy in 3D:
Về cơ bản, mơ hình máy in 3d của chúng em thể hiện nguyên lí hoạt động của một
máy in 3D được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng được dùng trong thực tế.
Gồm 3 trục X, Y và Z. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh tế, mơ hình máy
của chúng em vẫn còn một số điều bị hạn chế.


Hình 4. 1. Mơ hình máy in 3D
Ngun lí hoạt động:
Động cơ ở các trục X, Y và Z được kết nối với mạch điều khiển, phần mạch điều
khiển này được kết nối với máy tính. Phần mềm điều khiển thơng tính tốn điều
khiển và cấp xung cho động cơ, làm động cơ quay. Máy sử dụng truyền động vít
me, Truyền mômen từ động cơ tới các trục làm cụm dẫn động ba trục chuyển động
tịnh tiến trên các trục dẫn hướng. Chuyển động của các cụm điều khiển ba trục phụ
thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in. Ta chỉ cần thiết kế
mô hình chi tiết, và xuất file từ máy tính nạp vào phần mềm điều khiển.



Hình 4. 2 Sơ đồ ngun lí hoạt động của má 4.2. Tính tốn, thiết kế, lựa chọn

các chi tiết trên mơ hình
4.2.1 Các loại cơ cấu truyền động
u cầu của cơ cấu truyền động trong máy in 3D là phải biến chuyển động quay
của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu Laser. Việc lựa chọn cơ cấu truyền
động dựa vào điều kiện làm việc của máy và yêu cầu điều khiển, trên thực tế có
nhiều cơ cấu truyền động để biến chuyển động quay thành tịnh tiến như bánh răngthanh răng, vít me- đai ốc, và truyền động đai ( chi tiết gắn trên đai)….. vì các yêu
cầu kỹ thuật như gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và cần độ chính xác
cao nên nhóm cho chuyền động vít me -đai ốc làm cơ cấu truyền động cho các trục
+ Truyền động vít me: trục X, Y
+ Truyền động xylanh: trục Z
Truyền động Vít me
Vít me là một hệ thống truyền động ,được gia cơng chính xác để biến đổi chuyển
động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít - bulon (đai vít , hay đai
ốc). Để chuyền động một cách trơn tru và chính xác , hoạt động liên tục bền bỉ trong
thời gian dài ta phải có biện pháp bơi trơn hợp lý.
Khi trục vít xoay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến, trục vít quay được một
vịng thì đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến được một đoạn bằng bước vít.

Hình 4. 3 Truyền động vít me đai ốc