Đồ án tốt nghiệp về ứng dụng in 3D trong lĩnh vực y tế In 3D hộp sọ cơ thể người.................................................................................................................................................................
1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỒI ĐẮP (ADDITIVE MANUFACTURING, 3D PRINTING) 1.1 Định nghĩa 1.2 Các phương pháp sử dụng công nghệ in 3D 1.2.1 Nguyên lý chung phương pháp in 3D 1.2.2 Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) 1.2.3 Công nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography - SLA) 1.2.4 Cơng nghệ “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) 1.2.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM) 1.2.6 Công nghệ “Laser kim loại thiêu kết trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS) .11 1.2.7 1.3 Công nghệ in phun sinh học (Inkjet-bioprinting) 12 Ứng dụng 3Dprinting 14 1.3.1 Công nghiệp sản xuất/chế tạo 14 1.3.2 Kiến trúc xây dựng 18 1.3.3 Giáo dục 20 1.3.4 Sản xuất thực phẩm 20 1.3.5 Trong gia đình 21 1.3.6 Y tế chăm sóc sức khỏe 21 CHƯƠNG 3: Phần mềm Simplify 3D cho máy in 3D 25 3.1 Tổng quan phần mềm Simplify 3D 25 3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Simplify 3D 26 3.2.1 Đầu đùn (Extruder) 28 3.2.2 Lớp in - Layer 30 3.3.3 Additions 31 3.3.4 Điền đầy- Infill 32 3.3.5 Phần hỗ trợ - Support 33 3.3.6 Nhiệt độ in – Temperature 35 3.3.7 Làm mát – Cooling 36 3.3.8 G-Code .36 3.3.9 Scrift 37 3.3.10 Tốc độ- Speed 38 3.3.11 Tab Advanced 39 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỒI ĐẮP ( ADDITIVE MANUFACTURING, 3D PRINTING) 1.1 - Định nghĩa In 3D dạng công nghệ gọi sản xuất đắp dần/đắp lớp (Additive Manufacturing) Các trình đắp dần tạo đối tượng theo lớp, khác với kỹ thuật đúc cắt gọt (như gia công) - Additive manufacturing phương pháp mở rộng in 3D Additive manufacturing chuỗi công đoạn khác kết hợp để tạo vật thể ba chiều Các lớp vật liệu đắp chồng lên định dạng kiểm sốt máy tính để tạo vật thể Các đối tượng có hình dạng bất kỳ, sản xuất từ mơ hình 3D nguồn liệu điện tử khác Như vậy, hiểu đơn giản cơng nghệ sản xuất đắp dần, bao gồm việc tạo đối tượng vật lý cách in theo lớp từ vẽ hay mơ hình 3D có trước Cơng nghệ khác hoàn toàn so với chế tạo cắt gọt - lấy vật liệu thừa từ phôi ban đầu thu hình dạng mong muốn Ngược lại, công nghệ in 3D bắt đầu với vật liệu rời sau tạo sản phẩm dạng 3D từ mẫu kỹ thuật số 1.2 Các phương pháp sử dụng công nghệ in 3D 1.2.1 Nguyên lý chung phương pháp in 3D Bước trình in 3D cân thiết kế vật thể 3D phần mềm CAD Mơ hình thiết kế trực tiếp phần mềm đưa vào phần mềm thông qua việc sử dụng thiết bị quét laser Sau thiết kế hoàn thành, ta cần tạo tài liệu STL - Standard Tessellation Language, dạng tài liệu quen thuộc với công nghệ sản xuất đắp dần Làm tesselate theo ngôn ngữ Tesselation chuẩn chia vật thể thành đa giác nhỏ hơn, để mô cho cấu trúc bên bên vật thể Khi tài liệu hoàn thiện, hệ thống chia nhỏ thiết kế mẫu thành nhiều lớp khác chuyển thông tin đến thiết bị sản xuất đắp dần Sau đó, hệ thống sản xuất đắp dần tự chế tạo vật thể theo lớp vật thể cần sản xuất hoàn thiện Để sản xuất vật thể, hệ thống máy in 3D sử dụng kết hợp nhiều công nghệ khác Tùy thuộc vào chất vật liệu mà ta lựa chọn cơng nghệ phù hợp Nguyên liệu sử dụng in 3D hay công nghệ đắp dần vật liệu rắn (nhựa, kim loại, polymer), vật liệu lỏng (nhựa lỏng đông cứng lại nhờ tác động laser hay ánh sáng điện tử), hay vật liệu dạng bột (bột kim loại, bột gốm kết dính với tạo thành sản phẩm…) Sau q trình khâu hồn thiện sản xuất Có thể loại bỏ bụi bẩn chất liệu khác bám sản phẩm Ngồi ra, đơi cần thêm q trình thêu kết để phủ kín lỗ hổng sản phẩm Hoặc sử dụng vài q trình thẩm thấu để phủ kín sản phẩm vật liệu khác Các công nghệ in 3D chủ yếu là: “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering - SLS), “Thiêu kết lazer chọn lọc trực tiếp” (Direct metal laser sintering - DMLS), “Mơ hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM), “Tạo hình nhờ tia laser” (Stereolithography) “In phun sinh học” (Inkjet bioprinting) Mỗi cơng nghệ có ưu - nhược điểm hiệu định theo mục đích cụ thể Trong số cơng nghệ in 3D sử dụng loại vật liệu riêng biệt, số cơng nghệ khác lại linh hoạt, làm việc với nhiều loại dạng vật liệu khác 1.2.2 Công nghệ “Thiêu kết lazer chọn lọc” (Selective laser sintering – SLS) Nguyên lý hoạt động HÌNH 1.1: MƠ HÌNH CƠNG NGHỆ SLS Phương pháp SLS sử dụng tính chất vật liệu bột hóa rắn tác dụng nhiệt (như nylon, elastomer, kim loại) Một lớp mỏng bột nguyên liệu trải bề mặt xy lanh công tác trống định mức Sau đó, tia laser hóa rắn (kết tinh) phần bột nằm đường biên mặt cắt không thực làm chảy chất bột), làm cho chúng dính chặt chỗ có bề mặt tiếp xúc Trong số trường hợp, trình nung chảy hoàn toàn hạt bột vật liệu áp dụng Q trình kết tinh điều khiển tương tự q trình polymer hố phương pháp tạo hình lập thể SLA Xy lanh hạ xuống khoảng cách độ dày lớp kế tiếp, bột nguyên liệu đưa vào trình lặp lại chi tiết hoàn thành Trong q trình chế tạo, phần vật liệu khơng nằm đường bao mặt cắt lấy sau hoàn thành chi tiết, xem phận phụ trợ lớp xây dựng Điều làm giảm thời gian chế tạo chi tiết dùng phương pháp HÌNH 1.2: MỘT SỐ DẠNG SẢN PHẨM CỦA CƠNG NGHỆ SLS - Vật liệu sử dụng công nghệ SLS Phương pháp SLS áp dụng với nhiều loại vật liệu khác nhau: Policabonate, PVC, ABS, nylon, sáp,… Những chi tiết chế tạo phương pháp SLS tương đối nhám có lỗ hỗng nhỏ bề mặt nên cần phải xử lý sau chế tạo (xử lý tinh) Những ưu nhược điểm công nghệ SLS - Ưu điểm: Khả tạo mẫu loại vật liệu dạng bột khác nhựa, kim loại, thủy tinh, gốm Tạo mẫu đa dạng màu sắc, tạo mẫu hình dạng phức tạp, khơng cần sử dụng vật liệu hỗ trợ, không cần cấu trúc hỗ trợ SLS sử dụng chủ yếu để tạo nguyên mẫu, gần ứng dụng cho sản xuất theo yêu cầu cụ thể - Cơng nghệ SLS thích hợp để in mơ hình có thành mỏng, chi tiết cần độ dẻo Đặc biệt, SLS đượcc áp dụng để in mơ hình lớn có phần rỗng phía đáy Xét độ mịn bề mặt, công nghệ SLS cho chất lượng cao cơng nghệ FDM, nhiên khó để phân biệt độ mịn lớp in mắt thường - Nhược điểm :Phức tạp, chi phí đầu tư cao, chi phí vận hành cao hao tổn vật liệu lớn Các mơ hình kín có phần rỗng bên phải tiêu tốn lượng vật liệu lớn 1.2.3 Cơng nghệ “Tạo hình nhờ tia laser” (stereolithography - SLA) - Nguyên lý hoạt động: Sau tập tin 3D CAD kết nối ngôn ngữ STL (Tessellation language) trình in bắt đầu: Lớp nhựa lỏng đắp lên mẫu 3D thiết kế sẵn tia UV làm cứng lớp nhựa này, Sau nhiều lớp đắp lên đạt số kỹ thuật vật thể định sẵn Các lớp in 3D SLA đạt từ 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm tùy vào nhu cầu in HÌNH 1.3: MƠ HÌNH CẤU TẠO CỦA SLA - Vật liệu sử dụng công nghệ SLA: Công nghệ chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa dạng lỏng Ưu nhược điểm: - Ưu điểm: Công nghệ SLA có khả tạo mơ hình có độ chi tiết cao, sắc nét xác Về công nghệ in 3D sử dụng vật liệu nhựa, cơng nghệ tạo sản phẩm in 3D nhựa tốt nhất, sử dụng ngay, độ phân giải, độ mịn cao, nói cao - Nhược điểm: Vật liệu in 3D đắt, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền để lâu ánh sáng mặt trời Hình 1.4: Hình ảnh sản phẩm tạo từ công nghệ SLA 1.2.4 Công nghệ “Mô hình hóa phương pháp nóng chảy lắng đọng” (Fused deposition modeling - FDM) - Nguyên lý hoạt động: Cơng nghệ FDM/FFF dựa ngun tắc làm nóng chảy sợi nhựa lắng lại thông qua đầu phun nhiệt bề mặt Cử động đầu phun điều khiển dựa số liệu 3D cung cấp đến máy in Mỗi lớp sau lắng lại rắn hóa liên kết với lớp in trước - Máy in 3D cơng nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu cách đùn nhựa nóng chảy hố rắn lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Vật liệu sử dụng dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, dẫn từ cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển động servo Khi sợi cấp tới đầu đùn làm nóng sau đẩy qua vòi đùn lên mặt phẳng đế Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy đẩy ra, đầu đùn di chuyển biên dạng 2D Độ rộng đường đùn thay đổi khoảng từ (từ 0,193mm đến 0,965mm) xác định kích thước miệng đùn Miệng vịi đùn khơng thể thay đổi q trình tạo mẫu, cần phân tích mơ hình tạo mẫu trước chọn vịi đùn thích hợp HÌNH 1.5: NGUN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY IN 3D CÔNG NGHỆ FDM - Vật liệu sử dụng FDM :Những vật liệu phổ biến dành cho máy in 3D FFF cấp độ sơ cấp nhựa ABS PLA Ưu nhược điểm: - Ưu điểm: Là công nghệ in 3D giá rẻ, dễ sửa chữa thay chi tiết máy móc, in với số lượng lớn, tốn nguyên liệu Thường sử dụng sản phẩm cần chịu lực Tốc độ tạo hình 3D nhanh Q trình tạo mẫu nhanh FDM khơng giống công nghệ SLA, LOM, SLS phải sử dụng tia laser để tạo hình sản phẩm mà cơng nghệ tạo mẫu nhanh FDM đơn giản nhiều, độ tin cậy cao, bảo dưỡng dễ dàng Công nghệ tạo mẫu nhanh FDM sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo khơng độc, khơng mùi, khơng gây ô nhiễm môi trường xung quanh Thiết bị hoạt động tạo tiếng ồn - Nhược điểm: Ít dùng lắp ghép độ xác khơng cao Khả chịu lực không đồng 10 1.2.5 Công nghệ in 3D dán nhiều lớp (Laminated Object Manufacturing – LOM) - Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên, thiết bị nâng (đế) vị trí cao cách lăn nhiệt khoảng độ dày lớp vật liệu Tiếp theo lăn nhiệt cán lớp vật liệu này, bề mặt vật liệu có chất kết dính mà ép gia nhiệt trục lăn giúp lớp liên kết với lớp trước Hệ thống quang học đưa tia laser đến để cắt vật liệu theo hình dạng hình học mơ hình tạo từ CAD.Vật liệu cắt tia laser theo đường viền mặt cắt lát Phần vật liệu dư thu hồi lăn hồi liệu Sau đế hạ xuống theo cẩu nâng hạ xuống thấp vật liệu nạp vào, cấu lại nâng lên chậm đến vị trí thấp chiều cao trước đó, trục cán tạo liên kết lớp thứ hai với lớp thứ chiều dày lớp vật liệu Chu kỳ lặp lại kết thúc HÌNH 1.6: HÌNH DÁNG MÁY IN 3D CÔNG NGHỆ LOM VÀ MỘT SỐ SẢN PHẨM - Vật liệu sử dụng công nghệ LOM: