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 Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Trần Gia Huy 1711040523 17DCKA2 Hoàng Hiếu 1711040521 17DCKA2 Tp Hồ Chi Minh, tháng 9 năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công 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 công t.
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết đề tài
Hiện nay, ngành công nghiệp sản xuất đang phát triển mạnh mẽ với công nghệ tiên tiến, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao Sự gia tăng sản lượng hàng hóa và sự thay đổi liên tục về mẫu mã đòi hỏi một yếu tố quan trọng trong sản xuất hàng loạt hiện đại: tạo mẫu nhanh Việc chuyển đổi từ ý tưởng thiết kế thành sản phẩm thực tế một cách nhanh chóng là cực kỳ cần thiết Công nghệ tạo mẫu nhanh đã mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật, y tế, hàng không và vũ trụ, tạo ra những đột phá mới trong sản xuất Đặc biệt, sự phát triển của công nghệ in 3D và vật liệu thay thế y sinh học trong những năm gần đây đã góp phần làm thay đổi sâu rộng nền sản xuất.
Hình 1 1 Tạo mẫu nhanh trong y tế (Nguồn Internet)
Các phương pháp tạo mẫu nhanh nhằm tạo ra mẫu ý tưởng và mô hình đánh giá thiết kế để mô phỏng hoạt động sản phẩm Sản phẩm này giống như bản vẽ phác thảo 3 chiều, giúp nhà sản xuất đánh giá tính thẩm mỹ và phát hiện lỗi thiết kế trước khi sản xuất hàng loạt Máy in 3D ra đời để hỗ trợ người thợ tạo mẫu và nhà thiết kế, góp phần vào quy trình sản xuất công nghiệp Quá trình tạo mẫu công nghiệp bằng máy in 3D tiết kiệm nguyên vật liệu, không cồng kềnh và có khả năng tạo ra các chi tiết nội suy phức tạp, vượt trội hơn so với các máy gia công cơ khí truyền thống.
Hình 1 2 Máy in 3D sinh học (Nguồn Internet)
In 3D sinh học là một phương pháp tiên tiến kết hợp công nghệ in 3D với tế bào, yếu tố sinh trưởng và vật liệu sinh học để tạo ra các bộ phận y sinh Phương pháp này nhằm mục đích mô phỏng chính xác các đặc điểm của mô tự nhiên, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học và điều trị.
Hiện nay, in sinh học đang được ứng dụng để in các mô và cơ quan nhằm hỗ trợ nghiên cứu thuốc và dược phẩm Những đổi mới trong lĩnh vực này liên quan đến quá trình tái tạo 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 của công nghệ in 3D chứng tỏ tiềm năng hứa hẹn của nó trong nghiên cứu và y học tái sinh Bên cạnh đó, in 3D sinh học cũng đã bắt đầu kết hợp với việc in ấn giàn giáo, giúp tái tạo khớp và dây chằng hiệu quả.
Hệ thống in 3D sử dụng tệp định dạng STL để chia mô hình thành các lớp, sau đó in từng lớp bằng nhựa kết dính Đầu phun nhựa rải vật liệu theo hình ảnh cắt ngang của chi tiết, và sau mỗi lớp, piston sẽ dịch xuống để tiếp tục in lớp tiếp theo Công nghệ này tạo lớp dựa trên đặc điểm vật liệu và hình học của đối tượng Sai số trong quá trình tạo hình phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, và phần mềm xử lý thông tin về độ dày thực tế Do đó, việc nâng cao độ chính xác trong tạo hình luôn là một mối quan tâm hàng đầu.
Lý do chọn đề tài
Việc chế tạo máy in 3D trong lĩnh vực Y tế mang lại nhiều lợi ích cho sinh viên, học sinh và doanh nghiệp sản xuất trong quá trình học tập và nghiên cứu Tuy nhiên, máy in 3D cũng tồn tại một số khuyết điểm như sản phẩm in ra chưa sắc nét, kích thước vật thể in còn nhỏ, hiệu suất chưa cao và thời gian tạo mẫu lâu.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp sản xuất các cơ quan sống với các đặc tính sinh học và cơ học phù hợp Sinh học 3D dựa trên ba phương pháp chính: Biomimicry, tự lắp ráp và khối mô nhỏ.
Cách tiếp cận đầu tiên trong in sinh học, được gọi là biomimicry, nhằm mục đích tạo ra các cấu trúc tương tự như tự nhiên trong các mô và cơ quan của con người Phương pháp này tập trung vào việc nhân bản hai tế bào giống hệt nhau cùng với các bộ phận ngoại bào của các cơ quan Để đạt được thành công, các mô cần được nhân rộng ở quy mô nhỏ, do đó, việc hiểu rõ môi trường vi mô, các lực sinh học trong đó, sự tổ chức của các loại tế bào chức năng và hỗ trợ, cũng như các yếu tố hòa tan và thành phần của ma trận ngoại bào là rất quan trọng.
Các ý tưởng nghiên cứu và thiết kế máy in 3D trong lĩnh vực y sinh rất khả thi và có thể thực hiện được Trong tương lai, nếu được đầu tư nghiên cứu, máy in 3D có thể ứng dụng trong học tập của sinh viên, gia công các chi tiết nhỏ với yêu cầu thẩm mỹ và kỹ thuật cao Điều này không chỉ giúp hạ chi phí sản xuất mà còn mang lại giá trị xã hội lớn trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Do vậy, nên chúng em đã quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu ,thiết kế và ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực Y tế.”
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Tổng quan đề tài
Công nghệ in 3 chiều trong lĩnh vực Y sinh đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc tạo mẫu nhanh hiệu quả và thân thiện với người dùng, đồng thời đáp ứng nhu cầu và giá thành hợp lý Quá trình thiết kế và chế tạo máy in 3D không chỉ cho phép tạo mẫu các chi tiết thiết kế mà còn yêu cầu chuẩn bị mô hình và lựa chọn vật liệu Việc thu thập sinh thiết từ cơ quan thông qua các công nghệ như chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp cộng hưởng từ (MRI) là bước đầu tiên trong quá trình này Các hình ảnh 2D được tái tạo và gửi đến máy in, nơi các tế bào được tách biệt và nhân lên, sau đó được trộn với vật liệu hóa lỏng cung cấp oxy và dinh dưỡng Trong một số trường hợp, các tế bào được bao bọc trong thể hình cầu di động với đường kính 500μm, cho phép thực hiện các quy trình tổng hợp mô hình mà không cần cấu trúc đỡ.
Tình hình trong nước
Nhiều doanh nghiệp hiện nay đã tham gia vào lĩnh vực sản xuất và kinh doanh công nghệ tạo mẫu nhanh, máy gia công CNC và máy khắc laser, tuy nhiên giá thành của những sản phẩm này vẫn còn tương đối cao Bên cạnh đó, đây cũng là một lĩnh vực khoa học mới, chưa được nghiên cứu và phát triển rộng rãi, gần như hoàn toàn mới lạ.
Tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực Y sinh tại Việt Nam vẫn chưa phát triển mạnh mẽ, mặc dù đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nước Hiện tại, hầu hết việc tạo mẫu phụ thuộc vào các máy gia công cơ khí hoặc sử dụng bản mẫu 3D trên máy tính thông qua phần mềm vẽ 3D Do đó, cần thúc đẩy thương mại và nội địa hóa sản xuất, giúp các doanh nghiệp Việt Nam áp dụng hiệu quả hơn công nghệ này bên cạnh các máy gia công mạch in và máy khắc laser hiện có.
Hình 2 1 Các mô được tạo mẫu bằng máy In 3D (Nguồn Internet)
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ in 3D và vật liệu thay thế y sinh học, đặc biệt là vật liệu PEEK, đã mở ra hướng điều trị mới cho bệnh nhân u xương phức tạp Vào tháng 11/2019, bác sĩ tại Bệnh viện đa khoa Xanh Pôn, Hà Nội, đã thành công trong việc thực hiện hai ca ghép xương đùi bằng vật liệu PEEK in 3D, dài gần 20 cm, thay thế cho đầu trên xương đùi của hai bệnh nhân bị biến dạng do u xương.
Hình 2 2 Xương đùi bằng vật liệu PEEK in 3D (Nguồn Internet)
Gần đây, các bác sĩ tại Việt Nam đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ mới trong phẫu thuật Sau khi thực hiện ca phẫu thuật thay toàn bộ khớp gối và một phần xương đùi bằng kim loại titan, bệnh nhân đã hồi phục nhanh chóng và có thể tự đi lại mà không cần dụng cụ hỗ trợ.
Tình hình trên thế giới
Công nghệ in 3D đang tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong ngành y học, hỗ trợ bác sĩ phẫu thuật và nhân viên phục hình trong việc cải thiện tình trạng bệnh nhân Ngoài ra, công nghệ này còn cho phép in ấn các thiết bị y tế, mang lại nhiều lợi ích cho quá trình điều trị.
Vào tháng 7, các nhà nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu tế bào gốc đa năng của Đại học Tokyo và Đại học Kyoto đã tiến hành nghiên cứu về việc tái sinh bộ phận tai con người Họ dự định sử dụng công nghệ in 3D để tạo khuôn cho lớp sụn tai, một bộ phận có cấu trúc phức tạp.
Hình 2 3 Bộ phận tai con người được in 3D (Nguồn Internet)
Trong 10 năm tới, công nghệ in 3D trong y học này có thể cấy ghép cho các bệnh nhân gặp khuyết tật về tai 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
Theo nghiên cứu lâm sàng, bác sĩ sẽ chụp ảnh cắt lớp tai để thu thập dữ liệu cấu tạo xương sụn, sau đó dữ liệu này được sử dụng để in 3D khung xương sụn bằng vật liệu tổng hợp Khi khung hoàn thành, tế bào iPS sẽ được đưa vào để tạo tế bào sụn, từ đó có thể tiến hành cấy ghép vào tai khuyết tật.
Các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ in 3D để phát triển các thiết bị sinh học tương thích với con người, bao gồm tay và chân giả Những thiết bị này là hệ thống vi cơ điện tử nhỏ gọn, có kích thước dưới 1 mm, giúp người sử dụng hoạt động bình thường như các bộ phận thật.
Sinh viên tại Đại học Auburn đang nghiên cứu và chế tạo chi giả bằng công nghệ in 3D để cải thiện cuộc sống cho người khuyết tật Công nghệ in 3D và vật liệu composite, đặc biệt là sợi carbon, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất chi giả Để tạo ra sản phẩm bền và nhẹ, các lựa chọn vật liệu đa dạng của Markforged là giải pháp tối ưu cho việc chế tạo chân tay giả.
Hình 2 4 Bàn tay phải được in 3D (Nguồn Internet) Cấy ghép nội tạng cho con người
Công nghệ in 3D trong y học đã đạt được những thành tựu đáng kể, đặc biệt trong lĩnh vực cấy ghép nội tạng Một trong những ứng dụng nổi bật là việc cấy ghép bàng quang mới, được thực hiện thành công bởi các nhà khoa học tại Viện Y học Wake Forest.
Công nghệ chế tạo cơ quan thay thế đã mở ra nhiều cơ hội mới, với ưu điểm nổi bật là sử dụng tế bào của chính bệnh nhân để tạo ra các bộ phận nội tạng mới Điều này giúp giảm thiểu tối đa các rủi ro không mong muốn trong quá trình cấy ghép.
Phát minh vật liệu giống mô sống bằng công nghệ in 3D trong y học
Các nhà khoa học Anh đã phát triển vật liệu tương tự mô sống thông qua công nghệ in 3D, điều này hứa hẹn sẽ hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả trong các dự án y học tương lai.
Công nghệ in 3D đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong y học, không chỉ với những ví dụ tiêu biểu mà còn nhiều ứng dụng khác như sản xuất công cụ chuyên biệt hỗ trợ phẫu thuật và các giải pháp trong nha khoa.
Máy in sinh học, tương tự như máy in mực thông thường, bao gồm ba bộ phận chính: phần cứng, mực in sinh học và vật liệu in (vật liệu sinh học) Mực sinh học được làm từ các tế bào sống, cho phép "in" để tạo ra hình dạng mong muốn Các nhà khoa học phát triển các tế bào có thể nạp vào hộp mực và sử dụng trong máy in đặc biệt, kết hợp với một hộp mực chứa gel gọi là giấy sinh học Tiềm năng của mực in sinh học bao gồm việc sản xuất tấm da cho ghép da và mô mạch máu thay thế cho tĩnh mạch và động mạch.
Trong lĩnh vực sinh học, có ba loại máy in chính được sử dụng: máy in phun, máy in laser và máy in đùn Máy in phun thường được ưa chuộng cho việc in ấn quy mô lớn và nhanh chóng, với một phiên bản gọi là máy in phun theo yêu cầu, cho phép in ấn với số lượng chính xác, giúp giảm chi phí và lãng phí Máy in laser, mặc dù cung cấp độ phân giải cao, nhưng thường có giá thành cao Đặc biệt, máy in phun có khả năng in các tế bào theo từng lớp, tương tự như công nghệ in 3D, để tạo ra các cấu trúc 3D, và cũng có thể sử dụng hydrogel để truyền tế bào.
Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết vấn đề
Một trong những thách thức lớn nhất của các máy cơ khí là sự tương quan giữa độ chính xác cao và chi phí, dẫn đến khó khăn trong việc tích hợp nhiều chức năng trên một máy khi các chức năng đó gần như tương tự Để đảm bảo chất lượng, các mô cần được in trong môi trường vô trùng và nhiệt độ phù hợp với gel tạo mẫu.
Máy chế tạo nên có khả năng tạo mẫu có độ chuẩn xác cao
Thiết kế cơ khí cần đảm bảo ba chức năng chính và có cấu trúc đầu điều khiển linh hoạt, dễ dàng tháo lắp Khung thiết kế phải bảo vệ môi trường in trong ngành Y tế Robot Scara được ứng dụng trong công nghiệp với khả năng nội suy tốt, có thể thực hiện đường thẳng và đường cong với độ chính xác cao Giá thành chế tạo hợp lý và chi phí đầu tư thấp, trong khi vẫn đảm bảo nhiều chức năng, là ưu tiên hàng đầu.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
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 công tạo hình in 3D các chi tiết kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng rất nhỏ
Thiết kế và thi công cơ khí là bước quan trọng để hoàn thiện mô hình máy in 3D, đảm bảo các chức năng in, khắc và cắt các vật liệu nhẹ Quá trình chế tạo và lắp ráp mô hình máy cần được thực hiện với độ chính xác cao để đạt hiệu quả tối ưu trong sản xuất.
Thiết kế và ứng dụng mạch điện cùng hệ thống mã nguồn mở Arduino là cơ sở để điều khiển các động cơ cho các trục X, Y, Z và đầu đùn nhựa E, nhằm tạo hình vật thể theo thuật toán của robot song song.
Thiết kế và thi công hệ thống điện điều khiển bao gồm lắp đặt các cơ chế an toàn trong quá trình vận hành, hệ thống kiểm soát nhiệt độ cho đầu phun và đế nhiệt, cùng với hệ thống quạt làm mát đầu phun, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu và an toàn cho thiết bị.
Hình 3 1 Máy In 3D có môi trường vô trùng (Nguồn Internet)
Phương pháp nghiên cứu
Công nghệ in phun sinh học (Bioprinting) sử dụng kỹ thuật tương tự như máy in phun, với vòi phun định vị chính xác để tạo hình dạng từ các tế bào của con người thay vì mực Quy trình này bao gồm việc phun hỗn hợp "vật liệu giàn giáo" như hydrogel chứa đường cùng với các tế bào sống được nuôi cấy từ mô của bệnh nhân Sau khi in, mô được đặt trong buồng với nhiệt độ và điều kiện ôxy phù hợp để tế bào phát triển Khi các tế bào kết hợp, "vật liệu giàn giáo" sẽ được loại bỏ, và mô sẽ sẵn sàng để cấy ghép.
Công nghiệp in sinh học 3D cho phép tạo ra mô hoặc cơ quan theo từng lớp, đảm bảo độ chính xác về hình học giải phẫu Công nghệ in sinh học 3D có thể được thực hiện thông qua hai phương pháp chính: in bằng laser hỗ trợ sinh học (LaBP) và in phun (IBP).
Yêu cầu kỹ thuật đối với máy in 3D y tế
Máy phải hoạt động ổn định, chạy êm, không xảy ra lỗi trong qua trình gia công
Máy lắp ráp phải có tính công nghệ cao nghĩa là dễ tháo lắp, thay thế, bảo dưỡng
Máy sử dụng những chi tiết tiêu chuẩn hóa như bulông, vòng bi, vítme bi nên dễ dàng thay thế và giá thành của máy cũng thấp đi
Sản phẩm sở hữu thiết kế hấp dẫn và chi phí sản xuất cũng như bảo trì thấp hơn so với các sản phẩm ngoại nhập, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận Với phần mềm hỗ trợ trực quan và dễ hiểu, người dùng chỉ cần vài giờ tìm hiểu để sử dụng thành thạo, từ đó tạo điều kiện cho sản phẩm trở nên phổ biến và được áp dụng rộng rãi.
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 vô trùng vì được sử dụng trong ngành y tế.
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Chọn kết cấu mô hình
Nguyên lí hoạt động của máy in 3D:
Mô hình máy in 3D của chúng tôi minh họa nguyên lý hoạt động của máy in 3D sử dụng phần mềm chuyên dụng, bao gồm ba trục X, Y và Z Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và kinh phí, mô hình vẫn còn một số thiếu sót.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống bao gồm động cơ ở các trục X, Y và Z được kết nối với mạch điều khiển, mạch này kết nối với máy tính Phần mềm điều khiển thực hiện tính toán và cấp xung cho động cơ, khiến động cơ quay Hệ thống sử dụng truyền động vít me để truyền mômen từ động cơ đến các trục, giúp cụm dẫn động ba trục chuyển động tịnh tiến trên các trục dẫn hướng Chuyển động của cụm điều khiển ba trục phụ thuộc vào phần mềm điều khiển nội suy biên dạng chi tiết cần in Chúng ta chỉ cần thiết kế mô hình chi tiết và xuất file từ máy tính để nạp vào phần mềm điều khiển.
Hình 4 2 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của má
Tính toán, thiết kế, lựa chọn các chi tiết trên mô hình
4.2.1 Các loại cơ cấu truyền động
Cơ cấu truyền động trong máy in 3D cần chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của đầu Laser Việc chọn lựa cơ cấu truyền động phụ thuộc vào điều kiện làm việc và yêu cầu điều khiển của máy Có nhiều loại cơ cấu truyền động như bánh răng-thanh răng, vít me-đai ốc, và truyền động đai Tuy nhiên, do yêu cầu kỹ thuật về độ gọn nhẹ, giá thành hợp lý, dễ dàng lựa chọn và độ chính xác cao, nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu truyền động vít me-đai ốc cho các trục.
+ Truyền động vít me: trục X, Y
Vít me là hệ thống truyền động chính xác, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thông qua cơ chế con vít - bulon Để đảm bảo hoạt động trơn tru và chính xác trong thời gian dài, việc bôi trơn hợp lý là rất cần thiết.
Khi trục vít xoay, đai ốc sẽ di chuyển tịnh tiến Mỗi khi trục vít quay một vòng, đai ốc sẽ tiến lên một khoảng cách tương đương với bước vít.
Hình 4 3 Truyền động vít me đai ốc (Nguồn Internet) Ưu điểm:
+ Độ chính xác cao, cơ cấu gọn nhẹ Thường được dùng trong cac máy cnc có độ chính xác cao
+ Hiệu suất truyền lực thấp, giá thành cao
+ Vít me thường: là vitme và đai ốc tiếp xúc trực tiếp với nhau và trượt trên nhau qua các mặt ren
Loại cơ cấu này gặp nhược điểm về ma sát cao do tiếp xúc bề mặt, gây ra ma sát trượt Bên cạnh đó, còn tồn tại sai số do khe hở giữa vít me và đai ốc khi đảo chiều chuyển động Để khắc phục sai số này, người ta thường gắn một cơ cấu lò xo vào đai ốc, giúp giữ cho đai ốc luôn tiếp xúc với mặt ren của trục vít.
Hệ thống chuyền động này được chế tạo chính xác để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thông qua cơ chế con vít - bu lông, bao gồm đai vít và đai ốc.
Mà tiếp xúc giữa thanh vít và đai vít được trang bị một lớp bi thép nhằm giảm thiểu tối đa lực ma sát Điều này giúp quá trình truyền động diễn ra một cách trơn tru và chính xác, đảm bảo hoạt động liên tục và bền bỉ trong thời gian dài.
Hoạt động của vít me bi và đai ốc diễn ra thông qua việc tiếp xúc giữa vít me bi và rãnh me, nơi được lắp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, các viên bi lăn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc, giúp giảm ma sát Để ngăn chặn việc các viên bi rơi ra ngoài, đai ốc được thiết kế với đường ống dẫn hồi, giúp thu thập các viên bi và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi Nhờ vào chuyển động lăn của những viên bi, lực đẩy của đai ốc diễn ra nhẹ nhàng hơn so với chuyển động trượt.
- Những Thông số hoạt động:
Chiều dài thanh vít , chiều dài hành trình đạt được, đường kính thanh vít, hành trình bước ren khi thanh vit quay đúng 1 vòng
Hình 4 4 Cấu tạo vít me bi (Nguồn Internet)
Dựa trên những ưu nhược điểm của cơ cấu truyền động, điều kiện gia công và các bộ truyền có sẵn trên thị trường hiện nay, chúng tôi đã quyết định chọn truyền động bằng vít me cho trục X.
Hình 4 5 Bàn trượt xy vitme
4.2.2 Tính toán và chọn động cơ cho máy in
Có 3 loại động cơ điện được đưa ra để lựa chọn đó là: động cơ bước, động cơ servo, động cơ một chiều Động cơ bước
Hình 4 6 Động cơ bước (Nguồn Internet) Ưu điểm
Không chổi than giúp loại bỏ hiện tượng đánh lửa, từ đó giảm thiểu tổn hao năng lượng Điều này đặc biệt quan trọng trong những môi trường như hầm lò, nơi mà sự an toàn có thể bị đe dọa.
Động cơ bước là giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển ở tốc độ thấp trong khi vẫn duy trì mômen tải lớn Một thách thức trong điều khiển động cơ là khả năng giữ mômen trong các điều kiện vận hành này Với khả năng hoạt động tốt trong vùng tốc độ nhỏ, động cơ bước có thể duy trì mômen ngay cả khi chịu tác động hãm từ trường rotor.
Động cơ bước có ưu điểm nổi bật là khả năng điều khiển vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần phản hồi vị trí, giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào encoder hay máy phát tốc như ở các động cơ servo.
Động cơ bước có ưu điểm độc lập với tải, nghĩa là tốc độ quay của rotor không bị ảnh hưởng bởi tải miễn là nằm trong giới hạn momen cho phép Tuy nhiên, nếu momen tải quá lớn, hiện tượng trượt có thể xảy ra, dẫn đến mất kiểm soát góc quay Ngược lại, động cơ servo hoạt động dựa trên chu trình kín, trong đó hệ thống điều khiển số sử dụng tín hiệu hồi tiếp về vận tốc và vị trí để điều chỉnh hoạt động của động cơ.
Sensor đo vị trí hoặc tốc độ là bộ phận thiết yếu trong động cơ servo, ảnh hưởng lớn đến đặc tính vận hành của nó Đặc tính từ và phương pháp điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của động cơ servo Hiện nay, có ba loại động cơ servo phổ biến: động cơ servo AC dựa trên động cơ AC lồng sóc, động cơ servo DC dựa trên động cơ DC, và động cơ servo AC không chổi than dựa trên động cơ không đồng bộ.
Hình 4 7 Sơ đồ nguyên lý động cơ servo DC hồi tiếp (Nguồn Internet) Động cơ xoay chiều: Ưu điểm:
+ Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ
+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn
+ Mạch điểu khiển tốc độ phức tạp
Hình 4 8 Động cơ xoay chiều (Nguồn Internet)
Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành hiệu quả trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, cho phép thực hiện chính xác các lệnh số Thiết bị này hoạt động tốt ở vùng tốc độ nhỏ và có khả năng giữ mômen tại vị trí nhờ tác dụng hãm của từ trường rotor Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ bước là khả năng điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần phản hồi vị trí, khác với các loại động cơ khác như servo, không yêu cầu sử dụng encoder hay máy phát tốc.
Tính toán chọn động cơ:
Chọn động cơ cho trục XY:
- Hệ số ma sỏt trượt giữa thép và gang: ta chọn à = 0,12
- Khối lượng của phần dịch chuyển là m =Wy = 5 kg
- Tỉ số truyền giảm tốc i=1.( do chọn phương án động cơ truyền động tới Vít-me không qua hộp giảm tốc)
- Hiệu suất của động cơ: chọn ƞ= 0,9
- Lực cản do ma sát lớn nhất Fm = 0,7 N
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ:
*Tính momen phát sinh do truyền động không đồng trục:
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang, α=0 0 nên Mwz = o
Với đường kính trục vít được chọn là 12 mm, ta có : vmax= 𝜋×𝐷×𝑛
*Tính momen cản do ma sát tĩnh của phần dịch chuyển:
2×𝜋×1×0.9×1.25 = 0,06 N.m (do Fm=0) Momen cần thiết để mở máy:
Chọn động cơ cho trục Z
- Hệ số ma sỏt trượt giữa thép và gang: ta chọn à = 0,12
- Khối lượng của phần dịch chuyển là m =Wy = 7 kg
- Tỉ số truyền giảm tốc i=1.( do chọn phương án động cơ truyền động tới Vít-me không qua hộp giảm tốc)
- Hiệu suất của động cơ: chọn ƞ= 0,9
- Lực cản do ma sát lớn nhất Fm = 0,7 N
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ:
*Tính momen phát sinh do truyền động không đồng trục:
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang, α=0 0 nên Mwz = o
Với đường kính trục vít được chọn là 12 mm, ta có : vmax= 𝜋×𝐷×𝑛
*Tính momen cản do ma sát tĩnh của phần dịch chuyển:
2×𝜋×1×0.9×1.25 = 0,06 N.m (do Fm=0) Momen cần thiết để mở máy:
Dựa vào momen khởi động và tốc độ tối đa của động cơ, nhóm đã quyết định sử dụng động cơ bước 42 để điều khiển bàn XY di chuyển, trong khi động cơ bước 57 được chọn cho trục Z nhằm điều khiển xi lanh.
4.2.3 Động cơ bước 42 (Step motor):
Tính toán, thiết kế cơ khí
4.3.1 Thiết kế cụm cơ khí trục xy:
Kết cấu truyền động cho trục XY mà nhóm lựa chọn là truyền động vitme, nhằm tận dụng bàn CNC có sẵn tại xưởng để giảm chi phí thực hiện Thiết kế này đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao của đồ án Bàn trượt XY cho phép chuyển động ngang của các máy tự động hóa, phù hợp với các ngành dược, chế tạo và bán dẫn, đồng thời cung cấp những chuyển động tự động hóa được điều khiển chính xác.
Bàn trượt vít me XY được thiết kế để chịu tải lớn, hoạt động liên tục và có tuổi thọ cao Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong các trục XY của máy CNC, máy khoan - taro, cũng như trong các cơ cấu cấp phôi tự động và bàn trượt cho máy phay.
Bàn trượt XY được thiết kế theo dạng module, tối ưu hóa quy trình thiết kế máy và rút ngắn thời gian thực hiện Bộ cơ cấu trượt này linh hoạt với nhiều chế độ thiết kế, mang lại khả năng ứng dụng rộng rãi và tương thích với nhiều loại cơ cấu máy khác nhau.
Sử dụng vít bi truyền động kết hợp với động cơ bước hoặc servo là giải pháp lý tưởng cho nhu cầu chuyển động tịnh tiến chính xác, giúp điều khiển vị trí và khoảng cách của bàn trượt vít me một cách hiệu quả.
Xử lý bề mặt Anode bề mặt
Thanh trượt Đường kính 10mm
Trục vít me (nối động cơ) 8 mm
Size motor 42 (Step motor, servo motor)
Hình 4 13 Thông số bàn trượt Y
Hình 4 14 Thông số bàn trượt X
- Hành trình làm việc: Sx = 150 mm; Sy = 150 mm
- Thời gian hoạt động: Tl!900 h (5 năm, 12h mỗi ngày)
Hình 4 15 Kết cấu cụm XY
Kết cấu cụm XY gồm:
- 1 tấm nhôm làm mặt bản in dày 5 li
- 1 tấm trượt được bắt dính với tấm nhôm và 2 bàn trượt XY bằng bu lông
- 2 bàn trượt về 2 hướng X và Y
Hình 4 16 Tấm nhôm bản in
Hình 4 18 Cụm bàn trượt XY Ứng suất của trục X tác dụng lên mặt đế máy in σ = F A = 4,4e = 0,4511 N/mm 2
Ta cho lực tác dụng lên mặt đế là F = 100 N = m của trục XY
Hệ số an toàn (FOS) của phần đế máy là 1,6e = 0,156 N/mm 2
Biểu đồ chuyển vị của đế máy
4.3.2 Thiết kế cụm cơ khí trục z:
Trục Z là trục di chuyển chủ yếu trong quá trình làm việc, do đó nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Thông số chiều dày của lớp in, mà trục Z quyết định, có tác động trực tiếp đến độ bóng và dung sai kích thước chiều cao của chi tiết.
Thông thường đối với trục Z ta có thể sử dụng truyền động vít me – đai ốc, vít me –đai ốc bi, truyền động đai
Truyền động đai có nhiều ưu điểm như kết cấu nhỏ gọn, hoạt động êm ái, dễ dàng thiết kế và chi phí thấp Do yêu cầu về kích thước gọn nhẹ của máy in, chúng tôi đã lựa chọn truyền động cho trục Z theo dạng xi lanh trục vít.
Xi lanh điện là thiết bị chuyển động tuyến tính sử dụng cơ cấu cơ-điện, đơn giản chỉ cần dây dẫn và nguồn điện Cấu tạo của xi lanh điện cho phép chuyển động của móc, làm quay vít dẫn Khi vít dẫn xoay, đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục của nó, với hướng di chuyển của đai ốc phụ thuộc vào chiều quay của vít dẫn.
Hình 4 19 Xi lanh điện Ưu và nhược điểu của xilanh điện: Ưu điểm:
Xi lanh điện là thiết bị truyền động điện mang lại tín hiệu điều khiển chính xác Thiết bị này có thể được tùy chỉnh cho nhiều mục đích khác nhau, đáp ứng yêu cầu về lực, độ yên tĩnh, sự trơn tru và khả năng thực hiện các công việc lặp đi lặp lại.
- Mô-tơ được dẫn động chỉ bằng hệ thống dây điện đơn giản
Xi lanh điện có khả năng kết nối mạng và được tái lập trình một cách nhanh chóng, mang lại phản hồi tức thì cho quá trình chẩn đoán và bảo trì.
- Hiệu suất và độ chính xác cao nhờ việc áp dụng cơ cấu trục vít và đai ốc (vit-me) trong chuyển động của xi lanh
Xi lanh điện mini cho phép người dùng kiểm soát và điều chỉnh tất cả các thông số chuyển động một cách chính xác, bao gồm vận tốc, vị trí, mômen và áp lực thông qua mã hóa.
- Xi lanh điện hoạt động với tiếng ồn nhỏ hơn rất nhiều so với các thiết bị truyền động khí nén và thủy lực
- Thân thiện với môi trường, bởi cơ cấu chấp hành điện này sẽ không bị xảy ra tình trạng rò rỉ chất lỏng
- Các bộ bảo vệ an toàn luôn lắp sẵn trong mọi dòng sản phẩm, đảm báo vận hành an toàn khi có sự cố quá tải
- Chi phí lắp đặt ban đầu của xi lanh điện cao hơn so với xi lanh động thủy lực và khí nén
Xi lanh khí nén có ưu điểm vượt trội khi có thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt, đồng thời giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.
Khi động cơ của xy lanh điện hoạt động liên tục, nó sẽ gặp phải vấn đề về nhiệt độ, dẫn đến tăng hao mòn và giảm tốc độ của bánh răng Hơn nữa, kích thước lớn của động cơ cũng gây khó khăn trong quá trình lắp đặt.
Động cơ xi lanh điện 12V được cấu hình sẵn với các thông số về lực truyền động, lực đẩy và tốc độ giới hạn Do đó, để điều chỉnh các giá trị này, người dùng cần thay thế động cơ.
Xi Lanh Điện Động Cơ Bước
Các thông số xi lanh điện được sử dụng trong đồ án lần này là:
- Lực kéo tối đa: 1300N ~ 130kg
- Sử dụng động cơ bước 2 pha size 57
+ Độ chính xác điện trở: ± 10%
+ Độ chính xác điện cảm: ± 20%
+ Kích thước (Rộng x Cao): 42 x 50mm
- Hành trình tối đa: 100mm
- Nhiệt độ hoạt động: -25 ~ +65 độ C
Hình 4 20 Xi lanh trục Z Lựa chọn kiểu lắp trục z:
Khối lượng của trục z : 6 kg
Hành trình di chuyển : 100 mm
Vận tốc di chuyển tối đa: V = 60 mm/s
Nhóm quyết định sử dụng hai panel để cố định động cơ và xi lanh, đồng thời thiết kế một thanh ray trượt ở phía trên nhằm giữ chặt cụm trục z cố định gắn với tấm nóc.
Hình 4 21 Cụm cơm khí trục z
Tính ứng xuất tách dụng lên phần khung máy in:
Chúng em tận dụng phần mềm Solidworks Simulation để tính toán phần ứng suất của các trục lên phần khung của máy in Ứng suất của trục Z σ = F A = 45,8e = 0,568 N/mm 2
Ta cho lực tác dụng lên mặt đế là F = 70 N = m của trục Z
Trong minh họa, các giá trị hệ số an toàn dao động từ 0.0e-0 đến 1,632e+005, với màu sắc từ xanh đến đỏ, cho thấy độ an toàn khác nhau tại các vị trí trên chi tiết máy Những khu vực màu vàng cam và đỏ có nguy cơ bị phá hỏng, trong khi các khu vực từ vàng đến xanh đậm được coi là an toàn Ứng dụng thông thường của chi tiết này không gây nguy hiểm đến con người ngay cả khi cấu trúc bị hư hỏng.
Có thể nguy hiểm đến con người nếu kết cấu hư hỏng: 5 ~ 8
Chắc chắn nguy hiểm đến con người nếu kết cấu hư hỏng: 8 ~ 24
Hệ số an toàn (FOS) của phần trục Z là 3,6e = 0,353N/ mm 2
Biểu đồ chuyển vị của trục Z
Linh kiện điện tử và hệ thống điều khiển
4.4.1 Module điều khiển động cơ bước A4988:
Module A4988 là một trình điều khiển động cơ bước hoàn chỉnh, tích hợp bộ dịch giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng Sản phẩm hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động cho động cơ bước lưỡng cực, bao gồm Full, Half, 1/4, 1/8 và 1/16.
Sơ đồ chân và sơ kết nối
Hình 4 27 Sơ đồ mạch điện driver động cơ A4988 (Nguồn Internet)
- Bật tắt động cơ thông qua chân ENABLE, mức LOW là tắt module, mức HIGH là bật
- Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
- Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước)
- Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3
- Hai chân Sleep với Reset nối với nhau luôn
- Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A
- Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước
- Tự động ngắt điện khi quá nhiệt
- Cỏch sử dụng Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay ẳ… sẽ được thụng qua 3 pin MS1 MS2 MS3
- Lưu ý là nếu thả nổi 3 pin này tức là mode full step
- Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt module
- Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
- Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước)
Các chế độ điều khiển
Hình 4 28 Các chế độ điều khiển Điều khiển dòng đầu ra của Module
Động cơ bước A4988 điều chỉnh dòng điện cung cấp cho cuộn dây thông qua biến trở Việc điều chỉnh biến trở không chính xác có thể dẫn đến tình trạng động cơ không hoạt động do dòng điện quá lớn, hoặc động cơ vẫn hoạt động nhưng bị quá nhiệt do dòng điện qua cuộn dây cao.
Dòng của cuộn dây được tính thông qua điện áp của biến trở là: V
Công thức tính I cấp cho động cơ:
Trong đó: Rs = Const, quan sát trên Board A4988
V_ có thể thay đổi được bằng cách đo điện áp của biến trở
Khi điều chỉnh dòng cấp cho động cơ, cần thiết lập biến trở sao cho giá trị dòng điện I được tính ra bằng hoặc nhỏ hơn một chút so với giá trị Iđm của động cơ.
Giới thiệu board điều khiển máy in 3D MKS Gen V2.0
- Board mặt tích hợp giữa Arduino Mega 2560 và Ramp 1.4
- Tích hợp Arduino Mega 2560 và Ramps V1.4 trên cùng một bo mạch, thuận tiện cho việc lắp đặt
- Có thể sử dụng được với nhiều driver tích hợp: DRV8825, A4988, TMC2100, TB6600…
- Sử dụng Mosffet công suất cao và tản nhiệt ưu việt hơn so với Ramps V1.4
- Sử dụng mã nguồn mở Marlin
- Ký hiệu rõ ràng các trục XYZ bằng các màu khác nhau, các dăm cắm cắm được thiết kế một chiều giúp hạn chế việc cắm ngược
- Sử dụng được với màn hình LCD 12864 or 2004 Có thể sử dụng với màn hình TFT 2.8 or TFT 3.2 hỗ trợ in lại từ điểm in bị mất điện
Hình 4 29 Board Mạch MKS Gen L V2.0 (Nguồn Internet)
– Chip Usb to TTL : CH340
– Kết nối không dây: Wifi/Bluetooth
– Hỗ trợ cảm biến nhiệt loại: NTC 100K
– Hỗ trợ cặp nhiệt loại: AD597/PT100
– Hỗ trợ driver: A4988, A4982, DRV8825, TMC2100, LV8729, TB6600 vv – Hỗ trợ LCD điều khiển: LCD2004, LCD12864, MKS TFT, OLED vv – Phần mềm hỗ trợ: Simplify 3D, KISSlicer, Cura, Repetier-host vv
– Thẻ nhớ: Tùy theo Ramp LCD
– Có thể sử dụng cho các loại máy in 3D như: Máy 3 trục X,Y,Z , Delta, i3, corexy…vv
Hình 4 30 Kích thước của board MKS Gen V2 (Nguồn Internet)
Hình 4 31 Sơ đồ chân của mks gen v2 (Nguồn Internet)
Hình 4 32 Hệ thông nối dây của hệ thống (Nguồn Internet)
THI CÔNG
Mô phỏng quá trình chuyển động của máy in 3D
Trong quá trình nghiên cứu trên YouTube và các trang web về cơ khí, chúng tôi đã chọn phần mềm Inventor để mô phỏng chuyển động của máy in 3D.
Autodesk Inventor là phần mềm mạnh mẽ cho việc xây dựng mô hình 3D, thiết kế và kiểm tra ý tưởng sản phẩm Phần mềm này cho phép tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chính xác về khối lượng, áp lực, độ ma sát và tải trọng trong môi trường 3D Với các công cụ mô phỏng và phân tích tích hợp, Inventor hỗ trợ người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến chi tiết máy phức tạp, đồng thời trực quan hóa sản phẩm một cách hiệu quả Hơn nữa, Inventor tích hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế, giúp nâng cao năng suất làm việc, giảm thiểu lỗi và tiết kiệm thời gian.
Để bắt đầu sử dụng phần mềm Inventor, chúng ta cần gán các trục ràng buộc thông qua lệnh Constrain Khi làm việc trong môi trường Assembly, việc tạo ràng buộc giữa các chi tiết được thực hiện bằng cách chọn lệnh Constraint, sau đó hộp thoại Place Constraint sẽ xuất hiện để hỗ trợ người dùng.
Hình 5 4 Hộp thoại Place Constraint
Trong hộp thoại Place Constraint, tab Assembly chứa các chức năng và công cụ ràng buộc cần thiết để lắp ghép các chi tiết với nhau một cách hiệu quả.
Trong phần Type, chúng ta tìm hiểu đến công cụ Mate như hình bên dưới
Chọn Flush trong phần Solution
Đầu tiên, trong màn hình đồ họa, chọn mặt của tỳ xy lanh và vỏ xylanh để ràng buộc chúng với nhau, đồng thời thực hiện tương tự với hai bàn trượt trục X và Y Sau đó, truy cập vào phần environments và chọn Inventor studio để tiến vào mô phỏng Để điều chỉnh các chuyển động một cách nhịp nhàng trong cùng một thời gian, cần gán các chuyển động lại với nhau bằng lệnh Animate constraint.
Hình 5 5 Hộp thoại Animate constraint
Các thông số cơ bản cần thiết lập gồm:
Action : Start là khoảng cách bắt đầu di chuyển của trục
End là điểm kết thúc của chuyển động
Time : Start là thời gian bắt đầu di chuyển của trục
Quá trình in bắt đầu khi trục Z và trục X di chuyển từ 0 đến 5 giây, đưa đầu in đến vị trí giữa tấm nhôm Sau đó, đầu in bắt đầu phun Gel, trong khi trục Y di chuyển từ giây thứ 5 đến giây thứ 10 Khi trục Y hoàn thành hành trình, trục X tiếp tục di chuyển để tạo ra mẫu in theo từng lớp, lặp lại quy trình di chuyển như đã mô tả.
Phần mềm điều khiển
Có nhiều phần mềm điều khiển máy in 3D như Repetier Host và Pronterface, nhưng trong đồ án này, chúng tôi chọn sử dụng phần mềm Cura Cura là phần mềm miễn phí, mã nguồn mở và được coi là tiêu chuẩn vàng cho máy in 3D trên toàn thế giới So với các phần mềm chia lớp 3D khác, Cura có giao diện đơn giản với các tùy chọn và điều chỉnh hạn chế, nhưng vẫn cung cấp nhiều cài đặt phức tạp hơn nếu người dùng cần Phần mềm này được thiết kế gọn gàng và thân thiện, giúp người dùng dễ dàng thao tác.
Cura 3D là phần mềm chuyên dụng cho máy in 3D, có chức năng cắt mô hình 3D thành các lớp và tạo ra tệp G-Code mà máy in có thể hiểu Phần mềm này biên dịch các tệp 3D định dạng STL, OBJ hoặc 3MF sang định dạng tương thích với máy in Máy in 3D sử dụng công nghệ sợi nhựa hợp nhất (FFF) để in các lớp chồng lên nhau, từ đó tạo ra đối tượng 3D Cura 3D xác định cách bố trí các lớp trên bàn in và cung cấp hướng dẫn cho máy in thực hiện quá trình in ấn từng lớp một.
Hình 5 6 Giao diện của phần mềm Cura
Các thông số cơ bản bao gồm:
Hình 5 7 Hộp thoại cơ bản của Cura
Chiều cao lớp in (layer height) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng mẫu in Lớp in mỏng, khoảng 0,08 mm, giúp tạo ra chi tiết mịn màng và hạn chế khuyết tật như vết nhựa dư hay chảy nhựa, nhưng thời gian in sẽ lâu hơn Ngược lại, lớp in dày sẽ rút ngắn thời gian in nhưng có thể dẫn đến sai lệch kích thước lớn hơn, bề mặt kém bóng và chất lượng mẫu in không đạt yêu cầu Đặc biệt, chiều dày lớp in tối đa không được vượt quá đường kính đầu phun nhựa.
Shell thickness: bề dày lớp vỏ của sản phẩm tính bằng milimet Bề dày lớp vỏ càng lớn thì độ bền sản phẩm càng cao
The top and bottom thickness of a detail is determined by the layer height setting, which should be set to 0.08 With a configuration of 1.2, this results in a total of 15 printed layers Adjustments can be made directly in the settings for the Top Layer or Bottom Layer.
Trong thiết lập in 3D, các yếu tố quan trọng cần chú ý bao gồm tốc độ in, chiều dày lớp in, độ đặc của chi tiết và các thông số hỗ trợ như chiều dày và độ đặc Chúng tôi đã điều chỉnh tốc độ in ở mức 50 mm/s để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Printing temperature là nhiệt độ khi in
Filament Diameter: đường kính sợi nhựa, phổ biến hiện nay là nhựa có đường kính 1,75mm; 3mm
Kích thước mũi in, hay Nozzle Size, là yếu tố quan trọng của máy in 3D, ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính của sợi nhựa được phun ra Đường kính đầu phun nhựa quyết định chất lượng và độ chính xác của sản phẩm in.
Hình 5 8 Hộp thoại nâng cao của Cura
Retraction: cài đặt thông số chi tiết cho chức năng giám bớt ba via
Tốc độ rút sợi nhựa, được đo bằng mm/s, ảnh hưởng lớn đến chất lượng in ấn Tốc độ cao giúp giảm thiểu ba via, mang lại kết quả tốt hơn Tuy nhiên, nếu tốc độ quá nhanh, có thể gây mòn sợi nhựa, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình in.
Distance: khoảng cách rút sợi nhựa lại tính bằng milimet Khoảng cách bằng 0 tương đương với việc không kích hoạt chức năng rút nhựa
Initial layer thickness: độ dày lớp in đầu tiên được tính bằng milimet Độ dày lớn giúp nhựa kết dính với bàn in tốt hơn
Độ rộng lớp in đầu tiên: điều chỉnh lượng nhựa phun cho lớp in đầu tiên Cài đặt 100% để đảm bảo lượng nhựa phun bình thường Có thể tăng cài đặt này để cải thiện khả năng kết dính của lớp in đầu tiên với bàn in.
Cut off object bottom: cắt bỏ một phần mô hình để tăng diện tích lớp đáy, giúp kết dính bàn in tốt hơn
Tốc độ di chuyển của đầu phun khi đi qua các khoảng trống rất quan trọng Tốc độ cao có thể tiết kiệm thời gian, nhưng nếu không kiểm soát, nó có thể gây ra sự sai lệch của động cơ và làm hư hại sản phẩm.
Bottom layer speed: tốc độ in của lớp đầu tiên Tốc độ chậm giúp lớp in kết dính tốt hơn với bàn in
Infill speed: tốc độ điền đầy phần trong của mô hình
Tốc độ in lớp đáy và lớp mặt của sản phẩm có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Cài đặt tốc độ cao giúp tiết kiệm thời gian nhưng có thể làm giảm ngoại quan Đối với tốc độ in đường viền phía ngoài, nên cài đặt ở mức thấp để cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.
Tốc độ của lớp vỏ bên trong sản phẩm có thể được điều chỉnh cao hơn nhằm tiết kiệm thời gian, vì việc thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến bề ngoài của sản phẩm.
Thời gian tối thiểu để in một lớp sản phẩm, được tính bằng giây, là yếu tố quan trọng để đảm bảo lớp mực có đủ thời gian khô cứng trước khi lớp tiếp theo được in lên Điều này giúp hình thành và định hình lớp in một cách chính xác và hiệu quả.
Enable cooling fan: kích hoạt quạt làm nguội giúp nhựa khô cứng định hình nhanh hơn Việc dùng quạt còn tùy thuộc vào đặc tính vật liệu sử dụng
Hình 5 9 Sản phẩm được lỗ tai in thử
CHƯƠNG 6 : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾ LUẬN
Kết quả đạt được
Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế, tôi đã thành công trong việc mô phỏng máy in 3D với độ chính xác chi tiết dao động từ 0,2 đến 0,5 mm Vật liệu in sử dụng là gel sinh học từ Đại học Quốc tế Trước khi vận hành máy, cần vệ sinh bề mặt bàn in bằng dung dịch khử trùng để tiêu diệt vi khuẩn Trước khi bắt đầu in, hãy di chuyển đầu phun đến vị trí an toàn, sau đó sử dụng lệnh thủ công để đùn gel khoảng 5mm và lau sạch vết gel để tránh tắc nghẽn đầu phun.
Hình 6 1 Máy in 3D sinh học
Trong thời gian thực hiện đồ án trong bối cảnh cách ly tại thành phố Hồ Chí Minh, chúng em đã gặp nhiều khó khăn trong quá trình thi công Mặc dù đã hoàn thiện thiết kế, nhưng do lệnh cấm ra ngoài, chúng em chỉ kịp hoàn thành phần trục vitme XY và xi lanh điện trục Z của máy Phần khung vẫn chưa thể hoàn thành do việc cắt laser không kịp trước khi cách ly diễn ra, dẫn đến việc chưa thể lắp ráp thành máy hoàn chỉnh Chúng em rất mong quý thầy cô thông cảm cho tình huống này.
Hình 6 2 Hình ảnh thực tế của máy in 3D Ưu điểm:
- Giá thành rẻ hơn so với các máy khác nhiều lần
- Nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp và di chuyển
Khiếu điểm của máy và những mục tiêu chưa đạt được:
- Cơ cấu chưa thật sự tối ưu
Do ảnh hưởng của dịch COVID-19, việc lắp ráp hoàn thiện máy để tiến hành chạy thử chưa thể thực hiện, dẫn đến việc chưa xác định được chính xác áp suất của máy trong quá trình in, dự kiến là 230KPA.
- Độ chính xác của các lớp in chi đã mức độ từ 0,2 đến 0,5 mm vài chi tiết cần độ chính xác cao lên tới 0,1 mm
- Giá thành chế tạo máy và vật liệu in còn quá cao nên sản phẩm tạo ra sẽ rất dắt so với thị trường
Hướng phát triển đề xuất
- Khắc phục các lỗi trên máy
- Cải thiện tốc độ in cao hơn
-Nghiên cứu vật liệu in khác có chất lượng cao và rẻ hơn
- Nâng cấp phần mềm, tính năng để cho người dùng dễ dàng tiếp cận và sử dụng
- Nâng cấp các kết cấu cơ khí để máy có thể hoạt động được tối ưu hơn, và nhỏ gọn hơn
- Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thiết kế để tăng năng suất, hiệu quả của máy in 3D sinh học để có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp
Mặc dù còn nhiều vấn đề tồn tại, nhưng do giới hạn về khả năng, trình độ và thời gian, chúng tôi chưa thể hoàn thiện tất cả Đề tài này mang tính mới mẻ và có nhiều hướng phát triển, đồng thời có tính thực tiễn cao, hứa hẹn sẽ trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong ngành y học tương lai.
Kết luận
Qua quá trình hoàn thành đồ án, nhóm em đã hệ thống lại kiến thức ngành Cơ khí và giải quyết bài toán kỹ thuật từ phân tích dữ liệu đầu vào đến lựa chọn vật liệu, thiết bị Sau khi hoàn thành, em có hiểu biết cơ bản về máy in 3D, cấu tạo và nguyên lý làm việc Chúng em đã lựa chọn phương pháp gia công, kiểm tra và đánh giá sản phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế như ASME, ISO Việc thiết kế và chế tạo một sản phẩm hoàn chỉnh đã giúp em vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tạo nền tảng kiến thức tổng hợp Nhóm em đã hoàn thành các nội dung đề tài, cung cấp nền tảng kiến thức trước khi bước vào công việc thực tế sau khi ra trường.
Trong quá trình hoàn thiện đồ án, nhóm chúng em đề xuất một số hướng phát triển nhằm tối ưu hóa và giảm chi phí chế tạo sản phẩm Chúng em mong muốn có thêm cơ hội tiếp xúc với thực tế sản xuất để học hỏi kiến thức về bóc tách và tính toán giá thành sản phẩm, từ đó cải thiện việc nhập trang thiết bị, máy móc và nguyên liệu đầu vào Để đạt được hiệu quả kỹ thuật và kinh tế, nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm, người thiết kế cần tích lũy nhiều kinh nghiệm trong sản xuất Việc tiếp xúc thực tế sẽ kích thích nhiều ý tưởng và phương pháp sát với nhu cầu sản xuất hơn.
Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp để nhóm có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển, nhằm hoàn thiện hơn nữa sản phẩm của mình Điều này sẽ góp phần nhỏ vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền công nghiệp nước nhà.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Bá Khiển cùng nhóm nghiên cứu tại đại học Quốc tế đã hỗ trợ và đồng hành cùng chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
