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

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: Huỳnh Minh Thành 1811040373 18DCKA2 Nguyễn Anh Khoa 1811041149 18DCKA2 Nguyễn Đức Hạnh 1811040358 18DCKA2 Tp Hồ Chi Minh, năm 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Lý chọn đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan đề tài 2.2 Tình hình nước 2.2.1 Xương đùi vật liệu PEEK 2.2.2 Ghép sọ vật liệu nhân tạo dựa công nghệ 3D 2.3 Tình hình giới 2.3.1 Ghép tai nhân tạo 2.3.2 Làm chân tay giả 2.3.3 Cấy ghép nội tạng cho người 10 2.3.4 Quả tim với kích thước thật 10 2.3.5 Cằm nhân tạo 11 2.3.6 Chế tạo dụng cụ 12 2.3.7 Mạch máu nhân tạo 13 2.4 Vấn đề tồn hướng giải vấn đề 14 2.4.1 Vấn đề tồn 14 2.4.2 Hướng giải 15 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 16 3.1 Mục tiêu đề tài 16 3.2 Phương pháp nghiên cứu 16 3.3 Yêu cầu kỹ thuật máy in 3D sinh học 17 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 19 4.1 Nguyên lý hoạt động 19 4.2 Tính tốn, thiết kế, lựa chọn chi tiết mơ hình 19 4.2.1 Các loại cấu truyền động 19 4.2.2 Tính tốn chọn động cho máy in 25 4.3 Tính tốn, thiết kế phần khí 28 4.3.1 Thiết kế cụm khí trục X 28 4.3.2 Thiết kế cụm khí trục Y 30 4.3.3 Thiết kế cụm khí trục Z 32 4.3.4 Thiết kế phần khung máy 34 4.3.4.1 Bản vẽ khung máy 34 4.3.4.2 Phương pháp gia công lắp ráp 34 4.3.5 Thiết kế cấu đùn 35 4.4 Linh kiện điện tử hệ thống điều khiển 35 4.4.1 Nguồn tổ ong 24V 10A 240W 35 4.4.2 Board Mạch MKS Gen L V2.0 36 4.4.2.1 Mô tả chi tiết 36 4.4.2.2 Sơ đồ chân mạch điều khiển máy in 3D sinh học 37 4.4.2.3 Thông số kỹ thuật 38 4.4.3 Mạch điều khiển động bước A4988 38 4.4.4 Màn hình điều khiển LCD 12864 39 CHƯƠNG 5: THI CÔNG 41 5.1 Sơ đồ điều khiển 41 5.2 Các thông số máy 41 5.3 Q trình thi cơng mơ hình 42 5.3.1 Lắp ráp khung máy 42 5.3.2 Lắp ráp cụm trục Y bàn in 43 5.3.3 Lắp ráp cụm trục X 44 5.3.4 Lắp ráp cụm trục Z 44 5.3.5 Lắp ráp cấu đùn 46 5.3.6 Gắn cảm biến tiệm cận Drive lên mạch MKS V21 47 5.3.7 Đấu nối dây thiết bị 47 5.3.8 Nạp code vào mơ hình máy in 48 5.3.9 Thử máy hiệu chỉnh 48 5.3.10 Lắp ráp phần vỏ máy hoàn thành máy 48 5.4 Quy trình in 49 CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 51 6.1 Kết đạt 51 6.2 Kết luận 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC PHẦN MỀM 55 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải ĐATN Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Tạo mẫu nhanh y tế Hình 1.2 Máy in 3D sinh học Hình 2.1 Xương đùi vật liệu PEEK in 3D Hình 2.2 Tạo hình lưới Titan nhờ cơng nghệ in 3D Hình 2.3 Bộ phận tai người in 3D Hình 2.4 Bàn tay phải in 3D 10 Hình 2.5 Quả tim in 3D với kích thước thật 11 Hình 2.6 Cằm sản xuất nhờ cơng nghệ in 3D 12 Hình 2.7 Thiết bị van máy trợ thở sản xuất nhờ công nghệ in 3D 13 Hình 2.8 Mạch máu nhân tạo hồn chỉnh nhờ phương pháp in 3D 13 Hình 2.9 Máy in 3D sinh học Dr INVIVO 4D 14 Hình 2.10 Máy in 3D sinh học NanoOne Bio 15 Hình 3.1 Máy in 3D sinh học 16 Hình 3.2 Cơng nghiệp phun sinh học 17 Hình 4.1 Sơ đồ ngun lí hoạt động máy 29 Hình 4.2 Truyền động vít me đai ốc bi 22 Hình 4.3 Truyền động vít me lăn ren 22 Hình 4.4 Động bước 23 Hình 4.5 Động Servo 25 Hình 4.6 Bản vẽ trục X phần mềm Solidwords 28 Hình 4.7 Bản vẽ trục Y phần mềm Solidwords 30 Hình 4.8 Bản vẽ trục Z phần mềm Solidwords 31 Hình 4.9 Bản vẽ khung máy phần mềm Solidwords 32 Hình 4.10 Nguồn tổ ong 24V 10A 240W 34 Hình 4.11 Board Mạch MKS Gen L V2.0 35 Hình 4.12 Sơ đồ chân mạch điều khiển máy in 3D 35 Hình 4.13 Mạch điều khiển động bước A4988 37 Hình 4.14 Màn hình điều khiển 38 Hình 4.15 Sơ đồ cấu tạo máy 38 Hình 5.1 Bản vẽ khung máy 40 Hình 5.2 Các nhơm nối với ke góc vng 40 Hình 5.3 Bản vẽ cụm trục Y 41 Hình 5.4 Cụm trục Y sau thi cơng 41 Hình 5.5 Bản vẽ cụm trục X 42 Hình 5.6 Cụm trục X sau thi cơng 42 Hình 5.7 Bản vẽ Cụm trục Z 43 Hình 5.8 Cụm trục Z sau thi cơng 43 Hình 5.9 Bản vẽ cấu đùn 44 Hình 5.10 Cơ cấu đùn sau thi cơng 44 Hình 5.11 Mạch MKS V21 sau gắn tiệm cận cảm biến 45 Hình 5.12 Đấu nối dây thiết bị 45 Hình 5.13 Nạp code vào mơ hình máy in 46 Hình 5.14 Các thành viên tiến hành thử máy 46 DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 So sánh ưu điểm nhược điểm Vít me 20 Bảng 4.2 Phân loại Vít me 20 Bảng 4.3 So sánh ưu điểm nhược điểm dây đai 23 Bảng 4.4 So sánh đặc điểm động bước động servo 24 Bảng 4.5 So sánh ưu điểm nhược điểm động bước động servo 25 Bảng 4.6 Bảng chi tiết cụm khí trục X 27 Bảng 4.7 Thông số trục X 27 Bảng 4.8 Bảng chi tiết cụm khí trục Y 28 Bảng 4.9 Thông số bàn trượt Y 29 Bảng 4.10 Bảng chi tiết cụm khí trục Z 30 Bảng 4.11 Thông số trục Z 31 Bảng 4.12 Bảng chi tiết khung máy 32 Bảng 4.13 Thông số nguồn tổ ong 24V 10A 240W 33 Bảng 4.14 Thông số kỹ thuật 36 Bảng 5.2 Các thông số máy 39 LỜI MỞ ĐẦU Ngày cách mạng khoa học kĩ thuật giới phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừng vươn tới đỉnh cao mới, có thành tựu tự động hóa sản xuất Ở nước có cơng nghiệp tiên tiến, việc tự động hóa ngành kinh tế, kỹ thuật có khí chế tạo thực từ nhiều thập kỉ Máy in 3D đưa vào sản xuất quy trình gia cơng tạo mẫu nhanh, tạo chi tiết có biên dạng phức tạp, Ở Việt Nam, nhiều công ty bắt đầu ứng dụng đưa vào công việc sản xuất Hiện nay, nhu cầu gia công chi tiết có biên dạng phức tạp với tốc độ độ xác cao Với chi tiết dạng phương pháp truyền thống khó gia cơng Chính mà cơng nghệ in 3D ngày phổ biến không lĩnh vực công nghiệp máy móc mà cịn hữu đa dạng lĩnh vực khác y tế, giáo dục,… Với lý trên, nhóm sinh viên Ngành Kỹ Thuật Cơ Khí Khóa 18 Đại Học Cơng Nghệ Tp.HCM chúng em giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp sau: + Nghiên cứu, tìm hiểu lịch sử phát triển máy in 3D + Nghiên cứu, thiết kế tổng thể máy in 3D kết cấu khí, hệ thống điều khiển lập trình điều khiển máy + Chế tạo mơ hình máy in 3D thu nhỏ dựa theo điều kiện có sẵn Trong trình nghiên cứu chế tạo, chúng em gặp nhiều khó khăn, đề tài mới, thời gian sau thời gian nghiên cứu, thiết kế chế tạo, chúng em hoàn thành Nhờ cố gắng nhóm đặc biệt dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn Thầy Phạm Bá Khiển nên chúng em hoàn thành nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Bá Khiển tạo điều kiện tốt cho chúng em suốt thời gian vừa qua CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, giới ngành công nghiệp sản xuất phát triển với trình độ ngày tiên tiến Lượng hàng hóa sản xuất ngày tăng cao theo nhu cầu thị trường, sản phẩm không ngừng thay đổi mẫu mã suất hàng loạt Điều kéo theo yêu tố quan trọng không sản xuất hàng hóa cơng nghiệp hàng loạt đại tạo mẫu nhanh Việc tạo mẫu nhanh để nhanh chóng chuyển từ ý tưởng thiết kế vật thể thật quan trọng Ứng dụng tạo mẫu nhanh nhanh chóng mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác, từ kỹ thuật, y tế đến hàng không, vũ trụ,…Có thể thấy, cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã, mang lại cú đột phá sản xuất, tác động đến sản xuất cách sâu rộng Trong năm gần đây, nhờ phát triển ứng dụng công nghệ in 3D thành tựu ngành công nghệ vật liệu thay y sinh học Hình 1.1 Tạo mẫu nhanh y tế [1] 280 332 337.75 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 MÁY IN Tỉ lệ : Bản vẽ 0.1 STT Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 Tên cụm Vỏ Cụm trục Z Cụm trục X Cụm trục Y Khung máy Ghi Bản vẽ Bản vẽ Bản vẽ Bản vẽ BẢN VẼ PHÂN RÃ Tỉ lệ : Bản vẽ STT Tên chi tiết Ghí SL Nhơm 4040-270 Nhơm định hình 2 Nhơm 4040-140 Nhơm định hình Ke vng 2020 Nhơm 6061 16 Pat T vuông SS400 Nhôm 2040-220-Z Nhôm định hình Nhơm 2020-220 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Vật liệu Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 Nhơm định hình CỤM KHUNG MÁY Tỉ lệ : Bảng vẽ 2 15 14 13 12 11 10 STT Tên chi tiết Vật liệu Ghi Nhôm 2020-220-X Gá Z trái trước Pulley gt2-20t Thanh trượt Động NEMA17 Gá Z phải trước Tấm gá tăng đưa ngắn Vuông ngang tăng đai Con trượt tăng đai SS400 Nhôm 6061 Nhôm 6061 Nhôm 6061 10 11 12 13 14 15 Tấm gá tăng đưa dài Ròng rọc gt2-20t Con trượt trượt Gá đầu in Trụ đồng 5X5 Nhôm gá đầu in Nhôm 6061 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 Nhơm định hình SL SS400 SS400 Nhơm 6061 Bản vẽ Bản vẽ Bản vẽ 10 1 1 1 1 CỤM TRUYỀN ĐỘNG TRỤC X Tỉ lệ : Bảng vẽ 10 11 STT Tên chi tiết Con trượt tăng đai SS400 Bản vẽ Gá trục Y sau Nhôm 2040-250-Y Thanh trượt Con trượt trượt Bàn in MICA Bản vẽ 10 Bàn chạy trục Y SS400 Bản vẽ SL Ghi Gá trục Y trước Vuông ngang tăng đai Pulley trơn Vật liệu Nhôm 6061 Nhôm 6061 Nhôm 6061 Bản vẽ Nhơm định hình 2040 1 11 Động NEMA17 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 1 CỤM TRUYỀN ĐỘNG TRỤC Y Tỉ lệ : Bảng vẽ STT Tên chi tiết Ghí SL ty Khớp nối 5-8 Gá Z trái sau Động NEMA17 Pat động trục z Thanh trượt Con trượt trượt Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Vật liệu Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 SS400 Bản vẽ 1 Nhôm 6061 CỤM TRUYỀN ĐỘNG TRỤC Z Tỉ lệ : Bảng vẽ 42.5 30 43 71 61±0.1 DOWN 90° R 0.5 3.5±0.1 20±0.1 12.8 30 25 UP 90° R 0.5 R1.8 5.5 27.7±0.1 32.8±0.1 10±0.1 20±0.1 30.3±0.1 47 50 133 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 GÁ Z TRÁI SAU SS400 Tỉ lệ: 2: Bản vẽ 50±0.1 23.50 3.50±0.1 20.5 20 3.60 5.50±0.05 UP 90° R 20 30±0.1 30±0.1 20 UP 90° R 31 31±0.1 20 10 31 25±0.1 60±0.1 76±0.1 61 71±0.1 3.50±0.05 3.50±0.05 20 50±0.1 131±0.1 Gá z phải trước Gá z trái trước Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 GÁ Z TRƯỚC TRÁI VÀ PHẢI Tỷ lệ: 2:3 Bản vẽ 20±0.05 20±0.05 2±0.05 110±0.10 100 12 2±0.05 3 Bàn chạy trục Y 110±0.10 100 3.20 Bàn in Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 BÀN CHẠY TRỤC Y VÀ BÀN IN Tỉ lệ: 2:3 Bản vẽ 5±0.05 90±0.10 54±0.10 12±0.10 10 20 25 21.50 25 45±0.10 52±0.10 24±0.10 3.50±0.05 31 5.50±0.05 30±0.10 40±0.10 5±0.05 20 10 18.50±0.10 57.05±0.10 18 17.05±0.10 R4.75±0.05 10 25±0.10 14 3.20 3.05 3.20±0.05 16 50±0.10 Gá trục y trước 80±0.10 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 GÁ TRỤC Z TRƯỚC SAU SS400 Tỉ lệ: 2:3 Bản vẽ 2±0.10 60±0.10 2±0.10 1.50±0.10 UP 20±0.10 90° R 0.5 31±0.10 20±0.10 5±0.10 25±0.10 17.50±0.10 14±0.10 47±0.10 3±0.10 Gá đầu in 40±0.10 10 60±0.10 10±0.10 3±0.10 30±0.10 20±0.10 10±0.10 5±0.10 Pass T 30±0.10 50±0.10 70±0.10 90±0.10 100±0.10 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Viện Kĩ Thuật Lớp: 18DCKA2 - Nhóm: 144 GÁ ĐẦU IN VÀ PASS T SS400 Tỷ lệ: 1:1 Bản vẽ 10 STT 22 21 10 20 11 19 12 Tên chi tiết /Vật liệu /Ghi Chú Số lượng Gối đỡ KFL08 Ống tiêm 2 Tấm cạnh Mica Tấm trước Nắp hộp Mica Mica 1 Tấm sau Mica Động NEMA17 Cán ống tiêm Đế gá động SS400 Bản vẽ 12 10 Đai ốc T8 11 Khớp nối 5-8 12 Gối đỡ SHF8 13 Bi trượt LMK8 14 Kẹp cán ống tiêm Mica Bản vẽ 14 15 Tấm trượt Mica 16 Đế gá kim tiêm SS400 Bản vẽ 13 17 Kẹp ống tiêm Mica Bản vẽ 14 2 18 Long đền 19 Tấm đế đùn 20 Đế gá đầu kim tiêm 18 17 16 15 14 13 21 Nhôm 2040-400 22 Ty Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM Viện Kỹ Thuật Hutech Lớp 18DCKA2 Nhóm 144 28/07 MIca SS400 Bản vẽ 12 Nhôm 2040 CỤM CƠ CẤU ĐÙN TI lệ:2:3 Bản vẽ 11 21.0 ±0.1 15.5 ±0.1 R4.5 ±0.1 20.5 ±0.1 10.0 ±0.1 5.0 ±0.1 32.0 ±0.1 15.0 ±0.1 90 ±0.2 29.0 ±0.1 R5.5 5.5 ±0.1 8.0 ±0.1 20 ±0.2 UP 90° R Đế gá đầu kim tiêm ±0.2 20.0 ±0.111.0 ±0.1 42 ±0.2 31 ±0.1 ±0 5.5 31 ±0 25 ±0 R5 ±0 UP 90° R 32 11 42 ±0.2 20 ±0.2 15 80 ±0.2 ±0 Đế gá động Người vẽ Nguyễn Anh Khoa 28/07 Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Cơng Nghệ Tp.HCM Viện Kỹ Thuật Hutech Lớp 18DCKA2 Nhóm 144 TẤM GÁ ĐỘNG CƠ VÀ KIM TIÊM SS400 Tỉ lệ:1:1 Bản vẽ 12 R15.8 21 26 21 90 ±0.2 30 5.5 12 ±0.1 20 UP 90° R Đế gá kim tiêm 20 11 ±0.2 42 ±0.2 5.5 30 30 10 16.0 42 3.5 12 ±0.1 12 24 ±0.1 80 ±0.2 42 ±0.2 ±0.2 Tấm trượt Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM Viện Kỹ Thuật Hutech Lớp 18DCKA2 Nhóm 144 28/07 ĐẾ GÁ KIM TIÊM VÀ TẤM TRƯỢT SS400 Tỉ lệ: 1:1 Bản vẽ 13 14 ±0.1 12 ±0.1 18 ±0.1 ±0.1 50 ±0.1 R9 ±0.1 R5 ±0.1 10 ±0.1 42 ±0.1 Kẹp cán ống kiêm ±0.1 16 ±0.1 ±0.1 40 ±0.1 R16 ±0.1 R5 ±0.1 10 ±0.1 16 ±0.1 ±0.1 Kẹp ống kiêm 42 ±0.1 Người vẽ Nguyễn Anh Khoa Kiểm tra Phạm Bá Khiển Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM Viện Kỹ Thuật Hutech Lớp 18DCKA2 Nhóm 144 28/07 KẸP CÁN ỐNG KIÊM VÀ KẸP ỐNG KIÊM MICA TỈ lệ:2:1 Bản vẽ 14 ... triển ứng dụng công nghệ in 3D thành tựu ngành công nghệ vật liệu thay y sinh học Hình 1.1 Tạo mẫu nhanh y tế [1] Mục đích phương pháp tạo mẫu nhanh tạo mẫu ý tưởng, mơ hình đánh giá thử nghiệm thiết. .. chúng em định chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh lĩnh vực Y tế. ” CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan đề tài Các nhà nghiên cứu lĩnh vực phát triển phương pháp... việc thiết kếm tính tốn chế tạo m? ?y in 3D vừa có chức tạo mẫu nhanh chi tiết thiết kế m? ?y tính Chuẩn bị q trình tạo mơ hình mà sau m? ?y in tạo chọn vật liệu sử dụng Những ý tưởng nghiên cứu, thiết