BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ VÀ CHẾ TẠO MẪU NHANH KẾT CẤU HỆ THỐNG ĐẦU IN BIOPRINTER NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S PHẠM BÁ KHIỂN Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Phùng Quang Thắng 1611040406 16DCKA3 Nguyễn Diêu Minh Quý 1611040296 16DCKA3 Tp Hồ Chi Minh, tháng 9 năm 2021 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC 3 1 1 Công nghệ in 3D 3 1 2 Giới thiệu về công nghệ in 3D sinh học 3 1 3 Ứng d.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ VÀ CHẾ TẠO MẪU NHANH KẾT CẤU HỆ THỐNG ĐẦU IN BIOPRINTER NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S PHẠM BÁ KHIỂN Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Phùng Quang Thắng 1611040406 16DCKA3 Nguyễn Diêu Minh Quý 1611040296 16DCKA3 Tp Hồ Chi Minh, tháng năm 2021 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC 1.1 Công nghệ in 3D: 1.2 Giới thiệu công nghệ in 3D sinh học: 1.3 Ứng dụng in 3D y học sống: CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Phương pháp in 3D đùn: 3.2 Phương pháp in 3D dựa kết hợp hạt: 10 3.3 Phương pháp in 3D hỗ trợ ánh sáng: 11 3.4 Phương pháp in phun: 12 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MƠ HÌNH VÀ THÍ NGHIỆM 15 4.1 Nguyên lý hoạt động đầu kim in 3D bioprinter: 15 4.2 Các loại đầu in: 17 18 4.3 Thiết kế mơ hình hệ thống đầu in 3D bioprinter: 21 4.4 Tính tốn, thiết kế phần kiện: 27 CHƯƠNG 5: THI CÔNG SẢN PHẨM 32 CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 33 6.1 Kết đạt được: 33 6.2 Kết luận: 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 PHỤ LỤC BẢN VẼ 36 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Thay khớp, ghép xương nhân tạo Hình Ghép tai nhân tạo Hình Làm tay chân giả Hình Các vật liệu sinh học để in 3D 14 Hình Cơ cấu di chuyển đầu in 15 Hình Quy trình in 3D lớp in 16 Hình giai đoạn phổ biến quy trình in 3D Bio để phát triển thiết bị mô 17 Hình 4 Van đầu kim in V110-S Error! Bookmark not defined Hình Van đầu kim in SV401 19 Hình Bộ chuyển đổi kết nối van đầu in 20 Hình Hình ảnh mơ sau kết nối adapter van đầu in Error! Bookmark not defined Hình ống dẫn vật liệu sinh học Error! Bookmark not defined Hình Bộ phận truyền dẫn dòng chảy 21 Hình 10 Giá đỡ 22 Hình 11 Núm điều chỉnh dòng chảy 22 Hình 12 Đai khóa 23 Hình 13 Tụ ghép nối 23 Hình 14 Cổng cung cấp vật liệu sinh học 24 Hình 15 Cổng cung cấp vật liệu sinh học 24 Hình 16 Xi lanh 25 Hình 17 Lị xo 25 Hình 18 Bản vẽ lắp chi tiết 26 Hình 19 Board Arduino Mega 2560 27 Hình 20 Thông số board Arduino Mega 2560 28 Hình 21 Giao diện phần mềm Arduino IDE 29 Hình 22 Board RAMPS 30 Hình 23 Sơ đồ nguyên lý board RAMPS 31 Hình 6.1 Bản vẽ đầu in hoàn thiện 33 LỜI MỞ ĐẦU In 3D kỹ thuật sản xuất phụ gia cho phép chế tạo thiết bị cũ theo mô-đun dành riêng cho bệnh nhân với độ phức tạp cao cấu trúc khả thiết kế Công nghệ cho phép thiết kế chế tạo cấu trúc dựa hình ảnh mơ chụp kỹ thuật hình ảnh y tế thường sử dụng chụp cắt lớp vi tính (CT) chụp cộng hưởng từ (MRI) Điều với kỹ thuật chế tạo thông thường Gần đây, in 3D tìm thấy loạt ứng dụng y học, bao gồm cấy ghép sọ mặt, khuôn nha khoa, mão cấy ghép, phận giả, thiết bị y tế theo u cầu, mơ hình phẫu thuật, lần qt cũ cho tái tạo mô chẳng hạn da xương, quan, mơ hình mơ để khám phá thuốc Khả chế tạo thiết bị dành riêng cho bệnh nhân, kiểm soát định hướng độ xốp, đồng thời kết hợp nhiều vật liệu, tổng hợp sinh học , thu hút ý nhiều óc tị mị Kết là, phát triển vượt bậc công nghệ dẫn đến việc tạo nhiều phương pháp điều trị thiết bị đột phá Ví dụ, nghiên cứu gần cho thấy tiềm công nghệ việc tạo cấu trúc mơ có hình dạng giải phẫu tỷ lệ với tính tồn vẹn cấu trúc Tất điều nhờ vào tiến gần công nghệ in 3D thiết kế vật liệu sinh học Mặc dù in 3D công nghệ có tiềm to lớn, cịn nhiều vấn đề cần khắc phục trước công nhận kỹ thuật chế tạo sinh học phổ biến y học Một vấn đề khả hạn chế máy in 3D Tốc độ xử lý, tốc độ in độ phân giải máy in tăng lên nhiều năm qua tụt hậu so với mức tối ưu nhiều trường hợp Chuyên ngành thứ hai vấn đề thiếu đa dạng vật liệu sinh học in 3D Nhiều vật liệu in có đặc tính tuyệt vời Trang cho ứng dụng bên ngồi, vật liệu sinh học cấy ghép đòi hỏi đặc điểm cụ thể dựa điều kiện sinh lý tương tác với thể khiến phát triển trở nên khó khăn nhiều Nói chung, vật liệu sinh học in phải: in được, tương thích sinh học, có đặc tính học thích hợp, có động học phân hủy tốt, tạo thành sản phẩm phụ phân hủy an toàn thể phản ứng sinh học mô Cách đáp ứng yêu cầu khác tùy thuộc vào phương pháp in sử dụng ứng dụng cuối dự kiến thiết bị Hơn nữa, nhiều đặc điểm hoạt động chống lại Ví dụ, mơ xương, người ta mong muốn có vật liệu đặc biệt để phát triển nguyên bào xương chịu tải, nhiên, điều dẫn đến thối hóa chậm không tồn Phần lớn cấu trúc in 3D sử dụng ứng dụng xương sụn đặc tính cố hữu hầu hết vật liệu sinh học in bắt chước đặc điểm tự nhiên mơ này, bên ngồi số hệ thống hydrogel Cuối cùng, cân tất thông số phải thực để tạo vật liệu sinh học in phù hợp Cuối cùng, lo ngại khả tái tạo, vấn đề kiểm soát chất lượng rào cản quy định cần giải trước thiết bị thiết bị quét cũ in 3D tiếp cận thị trường y tế Trong đánh giá này, mục tiêu đưa tóm tắt chi tiết vật liệu sinh học in 3D có sẵn, bao gồm ưu điểm hạn chế ứng dụng kỹ thuật mơ tiêu chí thiết kế cho khả in Tổng quan ngắn gọn kỹ thuật in 3D bao gồm khả in vật liệu sinh học xác định chặt chẽ kỹ thuật in Chúng hy vọng đánh giá truyền cảm hứng cho cộng đồng khoa học phát triển vật liệu sinh học in 3D mới, mà tin cuối đảm bảo thành công in 3D ứng dụng kỹ thuật mô y học tái tạo Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN 3D SINH HỌC 1.1 Công nghệ in 3D: Hay cịn gọi Cơng nghệ bồi đắp vật liệu, chuỗi kết hợp công đoạn khác để tạo vật thể ba chiều Trong In 3D, lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm soát máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng bất kỳ, tạo từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Máy In 3D thật loại robot cơng nghiệp Nó có nhiều cơng nghệ khác nhau, in li-tô lập thể (STL) hay mô hình hố lắng đọng nóng chảy (FDM) Do đó, khơng giống quy trình gia cơng loại bỏ vật liệu thông thường, In 3D sản xuất đắp dần đối tượng ba chiều từ mơ hình thiết kế có hỗ trợ phần mềm máy tính (AutoCAD) tập tin AMF, thường cách thêm vật liệu theo lớp Thuật ngữ "In 3D" có ý nghĩa liên quan đến q trình tích lũy cách vật liệu kết dính bàn in đầu máy in phun Gần đây, ý nghĩa thuật ngữ mở rộng để bao gồm đa dạng kỹ thuật quy trình dựa hoạt động phun thiêu kết Tiêu chuẩn kỹ thuật thường sử dụng hạn sản xuất đắp dần cho nghĩa rộng 1.2 Giới thiệu công nghệ in 3D sinh học: In 3D sinh học phương pháp sử dụng in 3D kỹ thuật giống in 3D kết hợp tế bào, yếu tố sinh trưởng, vật liệu sinh học để chế tạo phận y sinh mà mô tối đa đặc điểm mơ tự nhiên Nói chung, in 3D sinh học sử dụng phương pháp tạo lớp để chuyển vật liệu gọi mực sinh học để tạo cấu trúc giống mơ mà sau sử dụng Trang lĩnh vực kỹ thuật y tế mô In sinh học bao gồm sử dụng loạt vật liệu sinh học Hiện nay, in sinh học sử dụng để in mô quan để giúp nghiên cứu thuốc thuốc Tuy nhiên, đổi lên kéo dài từ trình tái tạo tế bào tế bào ma trận ngoại bào đưa vào lớp gel 3D theo lớp để tạo mô quan mong muốn Sự bùng nổ gần tính phổ biến in 3D minh chứng cho tiềm hứa hẹn cơng nghệ lợi ích tiềm tàng nghiên cứu y học tái sinh Ngoài ra, in 3D sinh học bắt đầu kết hợp việc in ấn giàn giáo Những giàn giáo sử dụng để tái tạo khớp dây chằng 1.3 Ứng dụng in 3D y học sống: Công nghệ in 3D y học tạo bước ngoặt ngành y Công nghệ in 3D giúp bác sĩ phẫu thuật, nhân viên phục hình, in trang thiết bị y tế giúp cải thiện tình trạng bệnh nhân Đây số hình ảnh công nghệ in 3D ứng dụng y học: Trang Hình 1.1 Thay khớp, ghép xương nhân tạo Trong năm gần đây, nhờ phát triển ứng dụng công nghệ in 3D thành tựu ngành công nghệ vật liệu thay y sinh học; đặc biệt đời cơng nghệ sử dụng vật liệu PEEK tạo hình xương nhân tạo, hướng mở để điều trị triệt để bệnh nhân có bệnh lý u xương phức tạp Tháng 11/2019, lần Việt Nam, bác sĩ Bệnh viện đa khoa Xanh Pôn, Hà Nội thực thành công hai ca ghép xương đùi vật liệu PEEK in 3D dài gần 20 cm thay cho đầu xương đùi hai nam bệnh nhân bị biến dạng u xương Trang Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý board RAMPS Một số đặc tính board RAMPS: Tương thích với máy in 3D theo tọa độ Dercartes, robot delta mosfet cho quạt tản nhiệt gia nhiệt, mạch điều khiển nhiệt độ Hỗ trợ điều khiển tối đa trục Z máy Prusa Các chân I2C SPI để thuận lợi cho việc mở rộng board mạch Trang 31 CHƯƠNG 5: THI CÔNG SẢN PHẨM Trang 32 CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt được: Sau q trình nghiên cứu, tính tốn thiết kế, nhóm chế tạo mơ hình đầu in 3D y tế Nhưng tình hình dịch bệnh TP.HCM nhóm khơng thể lắp ráp hoàn thiện sản phẩm in sản phẩm thử nghiệm Một số hình ảnh đầu in 3D: Hình 6.1 Bản vẽ đầu in hoàn thiện Trước sử dụng đầu in dùng lĩnh vực y tế nên khử trùng sát khuẩn trước sử dụng Hướng phát triển: Khắc phục lỗi máy - Xây dựng máy in in nhiều màu sắc - Cải thiện tốc độ in cao - Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao Ưu điểm: - Có thể lắp ráp nhiều loại máy in 3D - Nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp - Trang 33 - Giá thành rẻ Nhược điểm: - Độ xác chưa đạt mục tiêu đặt 0,1 mm - Còn nhiều lỗi trình vận hành đầu in tình hình dịch nên nhóm chưa thể khắc phục 6.2 Kết luận: Qua trình nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu in nhóm đồ án vận dụng lại kiến thức học suốt năm qua Từ khâu phân tích, nghiên cứu đến việc thiết kế, lựa chọn nguyên vật liệu Và với yêu cầu đề tài, nhóm đồ án hồn thành đa số mục tiêu đặt Góp phần giúp nhóm tụi em có tảng kiến thức vững trước vào công việc thực tế sau trường Và qua trình nghiên cứu nhóm em cảm ơn lời góp ý, đóng góp khơng nhỏ vào q trình nghiên cứu nhóm tụi em Cuối nhóm em xin cảm ơn thầy Phạm Bá Khiển nhóm nghiên cứu từ đại học Quốc tế đồng hành với nhóm suốt q trình nghiên cứu Trang 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, tập 2, NXB giáo dục Việt Nam, 2010 [2] Công nghệ chế tạo máy, GS.TS Trần Văn Địch - Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2003 [3] www.reprap.org [4] https://www.unicontrols-asia.com/ [5] HIWIN Linear guideway catalouge, www.hiwin.com/downloads.html Trang 35 PHỤ LỤC BẢN VẼ Trang 36 Trang 37 Trang 38 Trang 39 Trang 40 Trang 41 Trang 42 Trang 43 Trang 44 Trang 45 ... nên nhóm em định chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy tạo mẫu nhanh kết cấu hệ thống đầu in BioPrinter? ?? Trang CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP Hãy tưởng tượng in thận gan người Từ khoa học... hướng thiết kế Nhóm tham khảo đầu kim in V110-S để thiết kế nghiên cứu Và nhóm cần đưa thêm vài vật liệu để lắp đặt đầu in sau: Hình 4.6 Bộ chuyển đổi kết nối van đầu in Hình 4.7 Hình ảnh mơ sau kết. .. trục XY di chuyển đầu in theo thiết kế Hết lớp in, hệ thống trục Z di chuyển bàn in để máy in tiếp tục thực in lớp in tiếp theo, đè lên lớp in ban đầu Hình 4.1 Cơ cấu di chuyển đầu in Ngoài vật liệu