ĐỀ tài NCKH thiết kế và chế tạo máy in 3d khớp cổ chân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH
PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN

MÃ SỐ: SV2020-95

SKC007401

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN

Mã số đề tài : SV2020-95

Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đình Tun

TP Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN
Mã số đề tài : SV2020-95
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật và y tế

SV thực hiện: Phạm Đình Tuyên

Nam, Nữ: Nam

Nguyễn Đỗ Minh Tuấn

Nam, Nữ: Nam

Trịnh Công Vinh

Nam, Nữ: Nam

Đặng Quang Thăng

Nam, Nữ: Nam

Đặng Thành Vịnh

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 16143CL1 – Khoa CLC Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy
Người hướng dẫn: Th.S Phan Thế Nhân

TP Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020

ii


LỜI NÓI ĐẦU
Đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN không phải là
đề tài mới lạ, thậm chí hình thức cơng nghiệp này đã được chế tạo, sản xuất và phát
triển trên nhiều thị trường thế giới cũng như Việt Nam. Nhóm chúng em quyết định
chọn đề tài này để làm đồ án tốt nghiệp vì có tính thực tiễn cao và áp dụng vào đời
sống. Trong quá trình thực hiện đồ án này đã giúp chúng em biết thiết kế và chế tạo
ra một sản phẩm, hồn thiện các kỹ năng làm việc nhóm cũng như kỹ năng sử dụng
các phần mềm cơ khí chuyên dùng như Autocad, Solidwork, Cura,... Bên cạnh đó
chúng em rút kinh nghiệm và biết lựa chọn các phương án gia công hợp lý, phù hợp
với khả năng và điều kiện kinh tế.

Trong thời gian thực hiện đề tài này, nhóm đã gặp nhiều khó khăn nhưng với sự
giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn Phan Thế Nhân đã giúp nhóm em hồn thành
đề tài này. Do thời gian và trình độ có giới hạn nên đồ án này vẫn cịn nhiều sai sót, rất
mong được các Thầy (Cơ) nhận xét để nhóm có thể sửa chữa và rút kinh nghiệm.

TP.HCM, ngày

tháng

năm 20

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

i


LỜI CẢM ƠN
Chúng em khơng thể theo đuổi và hồn thành đề tài này nếu khơng có sự tạo
điều kiện và giúp đỡ của những người thân, bạn bè và Thầy (Cơ). Vì vậy, chúng em
vơ cùng biết ơn và trân trọng những giúp đỡ dành cho chúng em trong thời gian qua.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè xung
quanh đã hết lịng quan tâm, giúp đỡ để chúng em có được điều kiện tốt nhất hoàn
thành đồ án.
Chúng em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô Khoa Cơ khí Chế tạo
máy, Bộ mơn Cơ khí chế tạo máy và quý thầy cô các khoa thuộc trường Ðại học Sư
phạm Kỹ thuật TP.HCM đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, những kinh
nghiệm thực tiễn và những kiến thức chuyên môn cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn
giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài.

Chúng em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Phan Thế Nhân,
người đã tận tình giúp đỡ, chỉ dẫn việc thực hiện đồ án này và giúp chúng em hoàn
thành bài báo cáo để đạt được kết quả tốt nhất.

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô)!

Tp Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

ii


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN
In 3D trong công nghiệp được gọi là TMN (tạo mẫu nhanh), là một trong
những ngành công nghệ mới đang phát triển mạnh mẽ. Công nghệ in 3D tạo ra sản
phẩm thật, vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay, sờ mó, quan sát một cách chính xác
giúp ta có thể cảm nhận chúng dễ dàng hơn mà chúng ta không cần phải suy nghĩ
mơ hồ, tưởng tượng ra nó. Trên thế giới, tầm ảnh hưởng của In 3D trên thị trường
công nghệ ngày càng tăng, với việc các ứng dụng của in 3D xuất hiện ngày càng
nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như : y học, sản xuất, chế tạo công cụ … Hiện
tại ở Việt Nam, in 3D cũng đang dần được phổ biến trong giới nghiên cứu về TMN,
và vì thế việc tự nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D cũng ngày càng được quan
tâm hơn bởi các nhóm nghiên cứu. … Trên thế giới, các ứng dụng này đã xuất hiện
và bắt đầu được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường, cùng lúc với sự xuất hiện của
những công ty chuyên ngành, đã và đang phát triển không ngừng.
Đề tài này được thực hiện trong bối cảnh ngành công nghệ in 3D trong nước
và trên thế giới đang phát triển mạnh mẽ, nhiều trường đại học và các công ty lớn đã
tự chế tạo, sản xuất đưa ra thị trường sử dụng ngày càng rộng rãi, và được ứng dụng
nhiều trong các ngành thiết kế. Ở đề tài này, nhóm đặt ra mục tiêu thiết kế và chế tạo
một máy in 3D hoàn chỉnh in được vật thật với yêu cầu là phải thiết kế được phần
cứng cơ khí với độ chính xác cao. Thiết kế và chế tạo máy in với cấu trúc 3 trục là
vít me - thanh trượt vng.

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

iii


PROJECT ABSTRACT
3D printing in the industry, called TMN (rapid prototyping), is one of the
burgeoning new technology industries. 3D printing technology creates real products,
real objects that we can hold in our hands, touch and observe accurately so that we
can feel them more easily without having to think vaguely…, imagine it. In the
world, the influence of 3D printing in the technology market is increasing, with the
application of 3D printing appearing more and more in different fields such as
medicine, manufacturing, and tool making. ... Currently in Vietnam, 3D printing is
also gaining popularity among TMN researchers, and therefore the self-study of 3D
printer design and manufacturing is also getting more and more attention by research
groups. ... In the world, these applications have appeared and started to be widely
consumed in the market, at the same time with the appearance of specialized
companies, which have been growing constantly.
This project is implemented in the context of the 3D printing industry in the
country and the world is growing strongly, many universities and large companies
have self-produced, produced and brought to use in the market. extensively, and
applied extensively in design industries. In this project, the team set a goal of
designing and manufacturing a complete 3D printer that can print real objects with
the requirement that mechanical hardware must be designed with high precision.
with 3-axis structure is square slider me-screw.

Group of students implementing project

iv

LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ..............................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................................
THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ..................................................
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI ................................................................................
1.1Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................
1.2Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ..................................................................

1.2.1Trong nước ....................................................................

1.2.2Ngồi nước ....................................................................
1.3Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của máy in 3D khớp cổ chân
1.4Mục tiêu của đề tài .......................................................................................................
1.5Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................

1.5.1Phương pháp thu thập và tổng hơp tài liệu ....................

1.5.2Phương pháp phân tích thực nghiệm ..............................
1.6Kết cấu của đồ án tốt nghiệp ........................................................................................
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ..........................................................
2.1Giới thiệu về công nghệ TMN (Tạo mẫu nhanh-in 3D) ...............................................

2.1.1Nguyên lý chung ...........................................................

2.1.2Đặc điểm .......................................................................
2.2Sự ra đời và phát triển của phương pháp TMN ............................................................

2.2.1Thời kỳ đầu: Tạo mẫu bằng tay .....................................

2.2.2Thời kỳ thứ hai: Phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo .....
2.3Một số công nghệ tạo mẫu nhanh .................................................................................
2.3.1 Công nghệ SLA ......................................................................................................

2.3.2 Công nghệ LOM (Laminated Object M
2.4Ứng dụng của TMN ....................................................................................................

v


2.4.1

Phát triển sản phẩm mới ......................

2.4.2

Kiểm tra chức năng làm việc của sản p

2.4.3

Tạo khuôn nhanh .................................

2.4.4

Ứng dụng trong y học .........................

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................
3.1

Giới thiệu một số mẫu máy in 3D ....................................................

3.1.1

Máy in 3D prusa i3 ..............................

3.1.2

Máy in 3D delta Kossel .......................

3.1.3 Máy Ember ...........................................................................................................
3.2

Khái quát chung về máy in 3D ........................................................

3.3

Động cơ bước ...................................................................................

3.3.1

Cấu tạo của động cơ bước ...................

3.3.2

Cách hoạt động ....................................

3.3.3

Phân loại động cơ bước: ......................

3.3.3.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu .....................................

3.3.3.2 Động cơ biến từ trở .............................................................

3.3.3.3 Động cơ bước 2 pha .............................................................
3.3.4
3.4

Các phương pháp điều khiển động cơ b

Cơ cấu truyền động vít me-đai ốc ....................................................

3.4.1

Cơ cấu vitme-đai ốc trượt ...................

3.4.2

Cơ cấu vitme đai ốc bi.........................

3.5

Ray trượt dẫn hướng ........................................................................

3.6

Truyền động đai ...............................................................................

CHƯƠNG 4. PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ ...............................
4.1

Thông số máy in ...............................................................................

4.2

Các phương án thiết kế kế kết cấu máy in .......................................

4.2.1

Phương án 1: Truyền động Cartesian X

4.2.2

Phương án 2: Truyền động Delta, bộ tr

vi


4.3

Lựa chọn phương án ........................................................................

4.4

Trình tự thực hiện. ............................................................................

CHƯƠNG 5. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ..........................................................
5.1

Thiết kế khung máy .........................................................................

5.2

Thiết kế cụm cơ khí trục Z ...............................................................

5.2.1

Tính tốn truyền động vít me - đai ốc t

5.2.2

Tính tốn truyền đơng vitme - đai ốc tr

5.2.3

Tính tốn truyền động vitme - đai ốc tr

5.2.4

Tính tốn cơng suất động cơ và chọn s

5.3

Khớp nối ..........................................................................................

5.4

Ổ lăn .................................................................................................

5.5

Bộ phận đùn nhựa ............................................................................

5.5.1

Bộ tời nhựa ..........................................

5.5.2

Bộ đầu phun gia nhiệt nhựa ................

5.5.3

Chất lượng sợi nhựa ............................

5.6

Tính tốn thiết kế phần điện .............................................................

5.6.1

Nguồn điện ..........................................

5.6.2

Phần điều khiển ...................................

5.7

Thiết lập thông số phần cứng ...........................................................

5.8 Phần mềm CAM .........................................................................................................
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ ..................................................................................
6.1

Kết luận.............................................................................................

6.2

Quy trình lắp ráp máy in ..................................................................

6.3

Quy trình vận hành máy ...................................................................

6.4

Các lỗi và cách khắc phục khi in .....................................................

6.5

Hướng phát triển ..............................................................................

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Quy trình chế tạo giá thể Polycaprolacton…………………………………1
Hình 1.2 Trái tế bào…………………………………………………………………..2
Hình 1.3 Mơ hình khớp cổ tay giả……………………………………………………3

Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý của cơng nghệ SLA………………………………………7
Hình 2.2 Sơ đồ cơng nghệ LOM……………………………………………………..8
Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý cơng nghệ FDM…………………………………………..9
Hình 2.4 Siêu xe được in 3D đầu tiên trên thế giới (Divergent Blade 2015)…………10
Hình 2.5 Một động cơ máy bay được in 3D để kiểm tra lỗi…………………………11
Hình 2.6 Tạo khn bằng cơng nghê in 3D…………………………………………11
Hình 2.7 Các khớp xương được tạo từ máy in 3D…………………………………..12

Hình 3.1 Máy in 3D prusa i3.......................................................................................................... 13
Hình 3.2 Máy in 3D delta Kossel……………………………………………………14

Hình 3.3 Máy in Ember.................................................................................................................... 15
Hình 3.4 Cấu trúc máy in 3D.......................................................................................................... 16
Hình 3.5 Động cơ bước.................................................................................................................... 18
Hình 3.6 Cấu tạo động cơ bước..................................................................................................... 19
Hình 3.7 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu……………………………….19
Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu......................... 20
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của động cơ biến từ trở…………………………….21
Hình 3.10 Động cơ bước 2 pha lưỡng cực và đơn cực………………………………22
Hình 3.11 Vitme đai ốc……………………………………………………………...23
Hình 3.12 Cơ cấu vit me đai ốc bi…………………………………………………...25
Hình 3.13 Kết cấu vitme đai ốc bi………………………………………………......25

Hình 3.14 Cơ cấu điều chỉnh khe hở vitme-đai ốc bi………………………………26
Hình 3.15 Ray trượt dẫn hướng…………………………………………………......27

Hình 3.16 Truyền động đai…………………………………………………………28

viii


Hình 4.1 Máy in theo truyền động Cartesian XZ………………………………......29
Hình 4.2 Máy in delta………………………………………………………………30
Hình 5.1 Kích thước nhơm định hình………………………………………………31
Hình 5.2 Bản vẽ khung máy……………………………………………………......31
Hình 5.3 Bu lơng, ke góc, con trượt, chữ T………………………………………...32
Hình 5.4 Chân đế cao su……………………………………………………………33
Hình 5.5 Kiểu lắp vít me fixed – fixed…………………………………………......34
Hình 5.6 Kiểu lắp vít me fixed – support………………………………………......34
Hình 5.7 Kiểu lắp vít me fixed – free………………………………………………34
Hình 5.8 Sơ đồ trục Z………………………………………………………………35
Hình 5.9 Thơng số vít me – đai ốc………………………………………………....36
Hình 5.10 Bản vẽ vít me – đai ốc………………………………………………......36
Hình 5.11 Sơ đồ trục X…………………………………………………………......37
Hình 5.12 Sơ đồ trục Y…………………………………………………………......39
Hình 5.13 Động cơ bước 42HD6201-03…………………………………………...40
Hình 5.14 Một số loại khớp nối……………………………………………….........41
Hình 5.15 Thơng số kích thước khớp nối………………………………………......42
Hình 5.16 Một số loại ổ lăn………………………………………………………...43
Hình 5.17 Thơng số ổ lăn………………………………………………………......44
Hình 5.18 Bộ tời nhựa……………………………………………………………...44
Hình 5.19 Kết cấu đầu phun gia nhiệt nhựa……………………………………......46
Hình 5.20 Sơ đối khối hệ thống điên………………………………………….........47
Hình 5.21 Nguồn điện Liteon………………………………………………………47
Hình 5.22 Nguồn điện tổ ong………………………………………………………47

Hình 5.23 Sơ đồ khối của các linh kiện điện tử………………………………........49
Hình 5.24 Board MKS GEN VL1.0……………………………………………......49
Hình 5.25 Giao diện phần mềm Arduino IDE……………………………………...50
Hình 5.26 Sơ đồ kết nối tổng quát của board MKS Gen VL1.0……………………51

ix


Hình 5.27 Sơ đồ nguyên lý board MKS GEN VL1.0………………………………51
Hình 5.28 Driver A4988……………………………………………………………52
Hình 5.29 Driver LV8729………………………………………………………….52
Hình 5.30 Sơ đồ nguyên lý Driver LV8729……………………………………......53
Hình 5.31 Thiết lập các chế độ điều khiển…………………………………………53
Hình 5.32 Vị trí kết nối Driver…………………………………………………......54
Hình 5.33 Vị trí cắm cơng tắc hành trình………………………………………......55
Hình 5.34 Màn hình LCD………………………………………………………......55
Hình 5.35 Vị trí kết nối LCD……………………………………………………….55
Hình 5.36 Vi trí kết nối cảm biến nhiệt và điện trở gia nhiệt………………………56
Hình 5.37 Giao diện phần mềm Cura………………………………………………60
Hình 5.38 Thơng số in basic……………………………………………………......61
Hình 5.39 Thơng số retraction……………………………………………………...62
Hình 5.40 Thơng số Support……………………………………………………......63
Hình 5.41 Thơng số kiểu chạy nhựa……………………………………………......63
Hình 5.42 Thơng số in Advanced………………………………………………......64
Hình 5.43 Thơng số machine……………………………………………………….65
Hình 6.1 Khung máy……………………………………………………………......67
Hình 6.2 Lắp khung máy vs trục Y…………………………………………………67
Hình 6.3 Lắp trục Z…………………………………………………………………68
Hình 6.4 Lắp trục X và đầu phun…………………………………………………...68
Hình 6.5 Mơ hình bản vẽ…...……………………………………………………....69

Hình 6.6 Mơ hinh máy thực tê……………………………………………………...69
Hình 6.7 Sản phẩm khớp cổ chân in được………………………………………….70
Hình 6.8 Sơ đồ khơi q trình in……………………………………………………70
Hình 6.9 Các thơng số in……………………………………………………………71

Hình 6.10 Điều khiển di chuyển các trục…………………………………………...71
Hình 6.11 Gia nhiệt đầu phun………………………………………………………72

x


Hình 6.12 Điều khiển các trục vê home…………………………………………….72
Hình 6.13 Gia nhiệt thủ cơng……………………………………………………….72
Hình 6.14 Thiết lập tơc độ in……………………………………………………….73
Hình 6.15 Sơ đồ thư mục Module LCD…………………………………………….73
Hình 6.16 Đầu đùn bị tắc…………………………………………………………...75
Hình 6.17 Nhưa khơng dính vào bàn in…………………………………………….76
Hình 6.18 Sợi nhựa bị phản phất.………………………………………………......76
Hình 6.19 Sản phẩm bị cong vênh………………………………………………….77

xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số máy in 3D delta Kossel………………………………………...14
Bảng 3.2 Thông số máy in 3D Ember………………………………………………15

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 2 pha………………………………22
Bảng 5.1 Thông số động cơ………………………………………………………...41
Bảng 5.2 Hệ số làm việc của một số máy………………………………………......42

Bảng 5.3 Một số linh kiện………………………………………………………......48
Bảng 5.4 So sánh Driver A4988 với Driver LV8729………………………………52
Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật của máy in…………………………………………….66

Bảng 6.2 Thông số chi tiết in……………………………………………………….66

xii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
-

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân

- Chủ nhiệm đề tài: Phạm Đình Tuyên

- Lớp: 16143CL1B
-

Mã số SV: 16143164

Khoa: Chất lượng cao

Thành viên đề tài:
Stt
1

2
3
4
5

- Người hướng dẫn: Th.S Phan Thế Nhân
2.

Mục tiêu đề tài:

_Thiết kế bản vẽ và chế tạo phần cứng của máy.
_ Mơ hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Solidwork và sử dụng phần mềm để mơ
phỏng chuyển động, tính tốn và hồn chỉnh thiết kế cho máy in 3D khớp cổ chân.
_ Gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm cac hệ thống của máy và hồn chỉnh máy, đưa
vào chạy thực nghiệm.
_Tạo thành cơng mơ hình khớp cổ chân
3. Tính mới và sáng tạo:
_Nhóm đã quyết định sử dụng bộ truyền động vít me – đai ốc để truyền động
chuẩn xác

xiii


4. Kết quả nghiên cứu:
_Nhóm đã thiết kế và chế tạo thành cơng máy in 3D và mơ hình khớp cổ chân
5.
Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh,
quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày

tháng

năm

SV chịu trách nhiệm chính thực
hiện
đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện
đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày

tháng

năm

Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

xiv


xv

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong cở thể của chúng ta khớp cổ chân là một trong những khớp quan trọng
nhất, có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ phận trên cơ thể và tham gia vào hoạt động di
chuyển. Hiện nay, trong cuộc song chúng ta có nhiều bệnh nhân bị ảnh hưởng từ
khớp cổ chân làm cho họ phải chịu nhiều đau đớn. Do đó, việc nghiên cứu ra mơ
hình giá đỡ khớp cổ chân cần phải cấp thiết.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Trong nước
Hiện nay, cơng nghiệp in 3D đang ngày càng phát triển. Con người đã sáng chế
nhiều loại máy in 3D với nhiều loại mực, để in ra rất nhiều vật dụng khác nhau, từ
cốc, chén bộ bàn ghế… Trong gia đình cho đến các phương tiện di chuyển như ô tô,
máy bay… Nhưng việc ứng dụng máy in 3d để tạo công nghệ sinh học thi ở Việt
Nam vẫn còn hạn chế.
Xuất phát từ nhu cầu đó, nhóm nghiên cứu của 2 đơn vị đã phối hợp để chế tạo
ra được giá thể 3D có đặc tính phù hợp cho mục đích ni cấy tế bào. Bằng 100%
nguồn nhân lực trong nước, viện Cơ học và Tin học ứng dụng và viện tế bào gốc đã
cho ra đời được sản phẩm giá thể 3D Polycaprolacton (PCL) đầu tiên tại Việt Nam.

Hình 1.1 Quy trình chế tạo giá thể Polycaprolacton (Sản phẩm của Viện Cơ học và
Tin học ứng dụng)

1


Hình 1.2 Trái tế bào (màu xanh) bám trải và tang sinh trên giá thể PCL, phải cấu trúc
mô học của giá thể - tế bào gốc sau khi được ghép trên thỏ (giá thể, tế bào tự thân, tế
bào gốc, tế bào hồng cầu chung sống ơn hịa trong cơ thể thỏ trong thời gian dài)

1.2.2 Ngoài nước

Máy in sinh học 3D, các nhà khoa học có thể tạo các mơ hình, mẫu cấu trúc
dựa vào hình ảnh từ CT scan và MRI dùng trong giảng dạy, giúp các bác sĩ chọn ra
được phương pháp tối ưu cho các ca phẫu thuật, giảm đáng kể thời gian và các tai
biến phẫu thuật.
Với máy in sinh học 3D, các nhà nghiên cứu nhà nghiên cứu Trung Quốc và
Hoa Kỳ đã in các mơ hình khối u ung thư giúp con người hiểu rõ hơn về cách các
khối u phát triển, di căn cũng như phát triển các loại thuốc chống ung thư mới.
Hiện nay, nhiều phịng thí nghiệm đã dùng máy in 3D để in tay chân giả cho các
nước nghèo.
Năm 2011, Giáo sư Susmita Bose, Đại học Washington, dùng máy in 3D
ProMET với mực in là các hóa chất pha trộn bột gốm in ra được các cấu trúc xương.
Với những bệnh nhi đang lớn các nhà khoa học đã in xương đàn hồi để có kết
quả ghép tốt hơn. Các kỹ sư công nghệ Đại học Tây Bắc, Chicago, đã in 3D xương
hyperelastic nhân tạo. Vật liệu in xương chủ yếu là hydroxyapatite, khoáng chất như
xương người, với một ít polymer phân hủy sinh học giúp xương tái tạo và phát triển
nhanh chóng trong cơ thể. Xương hyperelastic có thể điều chỉnh đa hình dạng theo
u cầu và đã được cấy ghép thành cơng trên nhiều mơ hình động vật.

2


Hình 1.3 Mơ hình khớp cổ tay giả
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của máy in 3D khớp cổ chân
Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực in 3D nhóm đã chọn đề tài “Thiết
Kế và Chế Tạo máy in 3D khớp cổ chân” với các mục tiêu:

_ Tham gia nghiên cứu ,chế tạo máy in 3D với cấu trục 3 trục là vít me-thanh
trượt vng.
_ Tạo hình khớp cổ chân.
_ Ứng dụng in 3D trong thực tế.

1.4 Mục tiêu của đề tài
_ Thiết kế bản vẽ và chế tạo phần cứng của máy.
_ Mơ hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Solidwork và sử dụng phần mềm để mơ
phỏng chuyển động, tính tốn và hoàn chỉnh thiết kế cho máy in 3D khớp cổ chân.

_ Gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm cac hệ thống của máy và hoàn chỉnh máy,
đưa vào chạy thực nghiệm.
_ Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo máy in 3D FDM và tạo hình khớp cổ
chân.
_ Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D.
Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy.
Nghiên cứu tính tốn phần điện.
Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D.
Nghiên cứu, tính tốn đường chạy nhựa tối ưu.

3


1.5 Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Phương pháp thu thập và tổng hơp tài liệu
_ Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật máy in 3D: đảm
bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới
nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài.
_ Nguyên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu hoạt động, cơ cấu in, bàn in.
Từ đó có sự bao qt đúng đắn trong việc tính tốn, thiết kế và chế tạo máy in cho
sản phẩm khớp cổ chân.
_ Khảo sát các loại máy đã có mặt trên thị trường, hình thành ý tưởng và thiết kế

ra hình dáng máy phù hợp với nhu cần in .
_ Tham khảo các nguồn tài liệu như sách, giáo trình học, tài liệu tham khảo, các
bài báo khoa học, cơng trình nghiên cứu, các trang web độc quyền của những nhà
phân phối máy in,… nhằm xác định được các cơ cấu hoạt động, các phương án
truyền động, gia công tối ưu cho máy.
1.5.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Dựa trên các kết quả in và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được cấu hình
thiết bị phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Chương 1: Giới thiệu đề tài.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
Chương 4: Phương hướng và giải pháp thiết kế.
Chương 5: Tính tốn thiết kế ,chế tạo máy in 3D.
Chương 6: Kết quả.

4


CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1 Giới thiệu về công nghệ TMN (Tạo mẫu nhanh-in 3D)
TMN (Rapid prototyping) là một phương pháp chế tạo ra mơ hình sản phẩm
nhanh chóng từ dữ liệu 3D bằng cách xây dựng theo từng lớp dưới sự kiểm sốt
máy tính. TMN cịn được biết với tên gọi khác nhau như sản xuất theo lớp (Layered
Manuafacturing), hoặc in 3D (3D Printing).
Công nghệ TMN cịn có thể hiểu là một loại cơng nghệ có thể trực tiếp tạo ra
một vật thể ba chiều với thời gian rất ngắn, thường chỉ qua 1 nguyên công với sự hỗ
trợ của các gói phần mềm CAD tạo ra các mơ hình vật thể làm cơ sở dữ liệu cho
máy TMN. Vật thể mơ hình đó được tạo ra bằng một loại vật liệu thích hợp tùy vào
phương phương pháp của máy TMN.

In 3D là một trong số những phương pháp TMN tạo nên một vật thể 3D bằng
cách xếp chồng từng lớp vật chất lên nhau cho đến khi tạo hình hồn chỉnh vật thể
đó. Mỗi lớp là một lát vật chất mỏng và nằm ngang.
2.1.1 Nguyên lý chung
Vật liệu được thêm vào (bồi đắp) và liên kết với nhau để tạo thành mẫu không
phải là cắt gọt vật liệu như các phương pháp gia công truyền thống mà mẫu được tạo
ra theo mẫu theo lớp, lớp sau được tạo ra trên nền của lớp trước.
2.1.2 Đặc điểm
_ Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp mà không thể gia công
bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường.
_ Giảm đáng kể thời gian gia cơng.
_ Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu SOLIDWORK.
_ Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp.
2.2 Sự ra đời và phát triển của phương pháp TMN
Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ. Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời
trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự như q trình tạo mẫu trên máy vi tính,
tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba.
2.2.1 Thời kỳ đầu: Tạo mẫu bằng tay
Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình
khơng có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 1 tháng. Phương
pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng
5


nhọc. Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ cơng này vẫn cịn sử dụng khá
phổ biến, trong các trường ĐH về mỹ thuật có ngành Tạo Dáng, thì vẫn sử dụng
phương pháp này.
2.2.2 Thời kỳ thứ hai: Phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo
Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời
kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM

đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy tính những ý tưởng
mới. Các mẫu này như là một mơ hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo
ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Ví dụ như
phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đốn chính xác được bởi
vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu.
Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ
đầu (khoảng trên hai lần). Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh
hướng tăng lên khoảng gần 4 tháng, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào
các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước. Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia cơng
chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu.
*Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực TMN trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp
rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn cịn tranh cãi về những giới
hạn của cơng nghệ TMN như: Sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao
hoặc cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).
2.2.3 Thời kỳ thứ ba: Q trình TMN
Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình TMN cũng được biết đến.
Q trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản
xuất lớp. Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc
phát minh ra các thiết bị TMN là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã
đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất,
độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí. Ở thời điểm này người tiêu dùng yêu cầu các
sản phẩm cả về chất lượng lẫn mẫu mã, nên mức độ phức tạp của chi tiết cũng tăng lên,
gấp ba lần mức độ phức tạp mà các chi tiết đã được làm vào những năm của thập niên
70. Nhưng nhờ vào công nghệ TMN nên thời gian trung bình để tạo thành một chi tiết
chỉ còn lại 3 tuần so với 16 tuần (gần 4 tháng) ở thời kỳ thứ hai. Năm 1988, hơn 20
công nghệ TMN đã được nghiên cứu. Ta thấy rằng nhu cầu tạo nên mẫu sản phẩm ban
đầu là một nhu cầu thiết yếu trong quá trình sản xuất, trước khi sản xuất hàng loạt một
sản phẩm nào cũng phải cần tạo mẫu sản phẩm trước để kiểm tra tính hiện thực và khả
thi. Nếu mẫu sản phẩm càng chính xác bao nhiêu, càng nhanh bao nhiêu thì sẽ càng
tránh được những lỗi mắc phải trong quá trình sản

6


xuất sau này và càng tiết kiệm được chi phí sản xuất. Nên “cơng nghệ TMN” mang
tồn bộ ý nghĩa của nó, “cơng nghệ”: đảm bảo độ chính xác, “TMN” đảm bảo thời
gian nhanh chóng.
2.3 Một số cơng nghệ tạo mẫu nhanh
2.3.1 Công nghệ SLA
Là kỹ thuật dùng tia laser làm đông cứng nguyên liệu lỏng để tạo các lớp nối tiếp
cho đến khi sản phẩm hoàn tất, độ dày mỗi lớp nhỏ nhất có thể đạt đến 0,06 mm nên
rất chính xác. Có thể hình dung kỹ thuật này như sau: đặt một bệ đỡ trong thùng
chứa nguyên liệu lỏng, chùm tia laser di chuyển (theo thiết kế) lên mặt trên cùng của
nguyên liệu lỏng theo hình mặt cắt ngang của sản phẩm làm lớp nguyên liệu này
cứng lại. Bệ đỡ chứa lớp nguyên liệu đã cứng được hạ xuống để tạo một lớp mới,
các lớp khác được thực hiện tiếp tục đến khi sản phẩm hồn tất.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của công nghệ SLA
Ưu điểm:
_ Hệ thống cứng vững và hồn tồn tự động.
_ Độ chính xác kích thước cao. Dung sai kích thước điển hình khoảng 0,0125mm.
_ Độ bóng bề mặt tốt.
_ Độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp.
_ Với sự hỗ trợ của phần mềm QuickCastTM cho phép tạo mẫu cho q trình đúc
khn kim loại nhanh chóng và chính xác.
Nhược điểm:

7