TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học
1.2.1 Vai trò của khung hỗ trợ
Khung hỗ trợ làm bằng vật liệu sinh học có thông thường khả năng tự phân huỷ sinh học đóng vai trò là nhà, nền hoặc cấu trúc để gắn kết tế bào, tăng sinh và cuối cùng dẫn đến hình thành mô mới Các khung hỗ trợ với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng trưởng, di chuyển và biệt hóa của tế bào, tất cả đều là những đặc tính rất được mong muốn cho các ứng dụng công nghệ mô Do đó, nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này được hướng tới việc chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô.
Hình 1.3- Khung hỗ trợ và các thành phần
1.2.2 Đặc tính của khung hỗ trợ
Khung hỗ trợ được sản xuất từ nhiều loại vật liệu sinh học khác nhau và được sản xuất bằng nhiều kỹ thuật chế tạo đã được sử dụng trong lĩnh vực này với nỗ lực tái tạo các mô và cơ quan khác nhau trong cơ thể Bất kể loại mô là gì, khung hỗ trợ cần có một số đặc tính về hình học và sinh học cơ bản như sau: a) Tương thích sinh học
Tiêu chí đầu tiên của bất kỳ khung hỗ trợ nào cho công nghệ mô là nó phải tương thích sinh học; các tế bào phải bám dính, hoạt động bình thường và di chuyển lên bề mặt và cuối cùng đi qua khung hỗ trợ và bắt đầu tăng sinh trước khi tạo ra chất nền mới Sau khi cấy ghép, cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô được thiết kế phải tạo ra một phản ứng miễn dịch không đáng kể để ngăn chặn nó gây ra phản ứng viêm nghiêm trọng đến mức có thể làm giảm sự chữa lành hoặc gây ra sự đào thải của cơ thể. b) Khả năng phân hủy sinh học
Mục tiêu của công nghệ mô là cho phép các tế bào của chính cơ thể, theo thời gian, cuối cùng sẽ thay thế khung hỗ trợ được cấy ghép hoặc cấu trúc mô đã được thiết kế Do đó, khung hỗ trợ phải có khả năng phân hủy sinh học để cho phép các tế bào sản xuất chất nền ngoại bào của chính chúng Các sản phẩm phụ của quá trình thoái hóa này cũng không độc hại và có thể thoát ra khỏi cơ thể mà không ảnh hưởng đến các cơ quan khác Hiện nay, có một số loại polyme có khả năng phân huỷ sinh học phổ biến là PCL, PLA, PLGA tuy nhiên thời gian phân huỷ sinh học của những loại này khác nhau Do vậy, cần lựa chọn và có chế độ kết hợp phù hợp để khống chế thời gian phân huỷ sinh học với thời gian sinh trưởng của tế bào và hình thành mô. c) Tính chất cơ học
Tốt nhất, khung hỗ trợ phải có các đặc tính cơ học phù hợp với vị trí giải phẫu mà nó sẽ được cấy ghép và từ góc độ thực tế, nó phải đủ mạnh để cho phép xử lý phẫu thuật trong quá trình cấy ghép Việc chế tạo ra các khung hỗ trợ với các đặc tính cơ học thích hợp là một trong những thách thức lớn trong việc cố gắng tạo ra xương hoặc sụn Đối với những mô này, khung hỗ trợ cấy ghép phải có đủ tính toàn vẹn cơ học để hoạt động từ khi cấy ghép đến khi hoàn thành quá trình hình thành mô Nhiều vật liệu đã được sản xuất với các tính chất cơ học tốt nhưng không có lợi cho việc giữ được độ xốp cao và nhiều vật liệu đã được chứng minh là có tiềm năng in vitro đã thất bại khi cấy in vivo do không đủ khả năng tạo mạch Rõ ràng là sự cân bằng giữa các đặc tính cơ học và cấu trúc xốp đủ để cho phép xâm nhập tế bào và mạch máu là chìa khóa thành công của bất kỳ khung hỗ trợ nào. d) Kiến trúc khung hỗ trợ
Kiến trúc của khung hỗ trợ được sử dụng cho công nghệ mô là rất quan trọng Các khung phải có cấu trúc lỗ xốp liên kết với nhau và độ xốp cao để đảm bảo sự xâm nhập của tế bào và sự khuếch tán đầy đủ các chất dinh dưỡng đến các tế bào trong cấu trúc và đến chất nền ngoài tế bào do các tế bào này hình thành. Hơn nữa, cần phải có một cấu trúc liên kết xốp để cho phép khuếch tán các chất thải ra khỏi khung, và các sản phẩm thoái hóa của khung phải có thể thoát ra khỏi cơ thể mà không ảnh hưởng đến các cơ quan khác và các mô xung quanh Một thành phần quan trọng khác là kích thước lỗ trung bình của khung hỗ trợ Mật độ lỗ bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt cụ thể, tức là bề mặt có sẵn trong lỗ mà tế bào có thể bám vào Điều này phụ thuộc vào kích thước lỗ trung bình trong khung hỗ trợ Do đó, các lỗ cần phải đủ lớn để cho phép các tế bào di chuyển vào cấu trúc, nơi cuối cùng chúng bám. e) Công nghệ sản xuất Để một cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô cụ thể trở nên khả thi về mặt lâm sàng và thương mại, nó phải hiệu quả về mặt chi phí và có thể mở rộng quy mô từ việc sản xuất từng cái một trong phòng thí nghiệm nghiên cứu sang sản xuất hàng loạt nhỏ Một yếu tố quan trọng khác là xác định cách một sản phẩm sẽ được phân phối và cung cấp cho bác sĩ lâm sàng Điều này sẽ xác định cách thức lưu trữ khung hỗ trợ hoặc cấu trúc được thiết kế theo mô hình.
Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ bằng in 3D
Trước đây khung hỗ trợ được chế tạo bằng các phương pháp đúc trong khuôn truyền thống với một số kỹ thuật tạo lỗ như bay hơi (gas foaming) hay làm chảy muối (salt leaching) Tuy nhiên các phương pháp này không tạo được hình dáng phức tạp mong muốn, không khống chế được đặc tính hình học của lỗ Hiện nay phương pháp phổ biến để tạo khung hỗ trợ là bằng in 3D với nhiều công nghệ khác nhau và đa dạng về vật liệu cũng như cấu trúc khung [3] Với công nghệ in 3D, các khung hỗ trợ được tạo ra dễ dàng kiểm soát được các đặc tính hình học từ đó điều chỉnh được các đặc tính kỹ thuật và đặc tính sinh học
1.3.1 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA
Hình 1.4 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA [4] a Giới thiệu Đây là công nghệ sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang tạo thành mẫu vững chắc theo từng lớp.Quá trình tương đối đơn giản nhưng hiệu quả, cho chính xác cao Đến nay kĩ thuật SLA vẫn là phương pháp in chính xác nhất, mỗi lớp có thể mỏng tới 0,06mm Chi tiết in cần phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng. a) Vật liệu sử dụng
Loại nhựa lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như: tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, như expoxy, actylates, … b) Ưu điểm
• Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động, độ chính xác kích thước cao (0.1mm).
• Độ bóng bề mặt cao, độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp. c) Nhược điểm
• Sản phẩm bị rổ khí, lớp sản phẩm in cuối cùng dễ bị lỗi.
• Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành và bảo trì cao.
1.3.2 Phương pháp tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling)
Hình 1.5 Phương pháp tạo mẫu FDM [4] a) Giới thiệu
Là công nghệ xây dựng bằng cách kéo dài nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp tạo nên cấu trúc chi tiết đặc Vật liệu xây dựng trong cấu trúc của một sợi đặc mảnh, được dẫn từ một cuộn tới đầu chuyển động điều khiển bằng động cơ Khi sợi này tới đầu dò nó được nung chảy bởi nhiệt độ sau đó nó được đẩy ra qua vòi phun lên mặt phẳng chi tiết.
Khi vật liệu nóng chảy được đẩy ra, nó được san bằng nhờ vòi phun Độ rộng của đường trải có thể thay đổi trong khoảng từ 0,0076 đến 0,038 inch (từ 0,193mm đến 0,965 mm) và được xác định bằng kích thước của miệng phun.Miệng phun không thể thay đổi trong quá trình tạo mẫu, vì thế việc phân tích mô hình phải được chọn lựa trước.Khi kim loại nóng chảy được san đều nó nguội nhanh khoảng 1/10(s) và đông cứng lại Khi một lớp được phủ hoàn thành mặt phẳng giá đỡ di chuyển xuống phía dưới một lớp mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm và quá trình được lặp lại. b) Vật liệu sử dụng
Vật liệu cho công nghệ in FDM thường là nhựa ABS, PLA, PCL c) Ưu điểm
• Là công nghệ in 3D giá rẻ, thường sử dụng trong các sản phẩm chịu lực.
• Tốc độ tạo hình 3D nhanh. d) Nhược điểm
• Ít khi dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao.
• Chỉ có thể dùng cho các vật liệu có dạng sợi mà thường không phổ biến với vật liệu sinh học
1.3.3 Phương pháp in 3D đùn bột trực tiếp (Direct powder extrusion 3D printing)
Hình 1.6 Phương pháp đùn bột trực tiếp a) Giới thiệu
Phát triển từ phương pháp phổ biến FDM, cải tiến thêm để sử dụng cho các vật liệu dạng bột dùng trong in 3D sinh học. b) Vật liệu
Nhựa sinh học dạng bột hay hạt c) Ưu điểm
● Kết hợp được các vật liệu in sinh học.
● Trực tiếp tạo ra các khung hỗ trợ từ vật liệu thô, không phải qua bước tạo dây nhựa sinh học. d) Nhược điểm Độ phân giải hạn chế, cần kiểm soát nhiệt độ nóng chảy nghiêm ngặt.
1.3.4 Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering)
Hình 1.7 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS [4] a) Giới thiệu
SLS là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng bột Sử dụng tia laser, công nghệ SLS nung kết các loại vật liệu dạng bột khác nhau với nhau để tạo ra mẫu dạng rắn.
Trong quá trình chế tạo, những phần vật liệu không nằm trong đường bao mặt cắt sẽ được lấy ra sau khi hoàn thành chi tiết, và được xem như bộ phận phụ trợ để cho lớp mới được xây dựng Điều này có thể làm giảm thời gian chế tạo chi tiết khi dùng phương pháp này, …
Những chi tiết được chế tạo tương đối nhám và có những lỗ hỗng nhỏ trên bề mặt nên cần phải xử lý sau khi chế tạo (xử lý tinh). b) Vật liệu sử dụng
Các vật liệu phổ biến dùng cho phương pháp này là Polycacbonate (PC), nylon, sáp, bột kim loại (copper polyamide, rapid steel), bột gốm (ceramic), glass filled nylon, vật liệu đàn hồi (elastomer). c) Ưu điểm
• Số lượng vật liệu đưa vào quá trình cao (Higt Through-put) giúp cho quá trình tạo mẫu nhanh chóng
• Vât liệu an toàn, đa dạng, chi phí rẻ
• Không cần cơ cấu hỗ trợ (Non – Support)
• Giảm sự bóp méo do ứng suất
• Giảm các giai đoạn của quá trình hậu xử lý (như chỉ cần phun cát, …)
• Không cần xử lý tinh (Post-curing).
• Chế tạo cùng lúc nhiều chi tiết d) Nhược điểm
• Độ bóng bề mặt thô.
• Lớp đầu tiên có thể đòi hỏi một đế tựa để giảm ảnh hưởng nhiệt (như uốn quăn, …)
• Mật độ chi tiết không đồng nhất
• Thay đổi vật liệu cần phải làm sạch máy kỹ càng
1.3.5 Phương pháp đùn mực trực tiếp DIW (Direct Ink Writing) a) Giới thiệu
DIW là công nghệ tạo mẫu dựa trên vật liệu dạng dung dịch lỏng hay gel. Công nghệ này sẽ đùn trực tiếp vật liệu theo từng lớp để hình thành mô hình 3D Với công nghệ này, cần có bước làm đông đặc (crosslinking) để giữ được hình dáng của đường in. b) Vật liệu sử dụng
Các vật liệu phổ biến là các nhựa nhiệt dẻo trộn với dung môi hoặc trực tiếp là các mực in sinh học như alginate đông đặc nhờ CaCl2, gelatin, hoặc phối hợp các loại trên v.v Mực in sinh học còn có thể được kết hợp với tế bào hoặc các dưỡng chất c) Ưu điểm
• Đa dạng vật liệu đặc biệt là vật liệu sinh học nên được dùng nhiều trong công nghệ mô d) Nhược điểm
• Độ chính xác không ổn định,
• Hình dáng kết cấu khó khống chế
Hình 1.8 Phương pháp đùn trực tiếp DIW Bảng 1.1 Tóm tắt các phương pháp in 3D phổ biến
Công nghệ Cách thức hoạt động Vật liệu
FDM Vật liệu được đùn qua đầu Nhựa ABS, PLA, PCL phun gia nhiệt DPE Vật liệu dạng bột được ép đùn Nhựa PLGA, PCL kết hợp HA, TCP trực tiếp SLA Sử dụng tia động đặc polyme Polyme nhựa quang nhựa quang SLS Sử dụng tia laser để thêu kết Bột kim loại, bột nhựa vật liệu DIW Đùn trực tiếp Vật liệu dung dịch nhựa hòa tan trong dung môi hoặc các loại gel sinh học
Do đặc tính của đầu bột này có thể in trực tiếp từ vật liệu sinh học nhiệt dẻo có dạng bột hoặc hạt sẵn có trên thị trường nên phương pháp in 3D từ vật liệu dạng bột thể hiện ưu điểm lớn về tính thương mại của vật liệu Đồng thời có thể phối hợp trực tiếp với nhiều loại vật liệu khác để thay đổi đặc tính sinh học của vật liệu mặc dù công nghệ in phức tạp do phải khống chế nhiệt tốt Máy in 3D từ vật liệu dạng bột được nghiên cứu.
Tổng quan đầu in 3D từ vật liệu dạng bột/hạt
1.4.1 Kết cấu cụm đầu in
Tác giả Netto và cộng sự đã có một nghiên cứu tổng hợp các phương pháp đùn từ vật liệu dạng hạt kim loại qua đó mô tả nhiều kết cấu trục đùn của các nghiên cứu trước đây [5] Tác giả Annoni và cộng sự đã phát triển phương pháp in trực tiếp từ hạt kim loại và gốm từ nguyên liệu ép phun [6] Mặc dù các thử nghiệm về khả năng đùn được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất kết dính và hình dạng của vòi phun, nhưng không có mô hình 3D nào được in Tác giả Canessa và cộng sự không cung cấp nhiều thông tin về thiết kế của vít khoan, vì họ tập trung vào thiết kế của bơm để đạt được khả năng kiểm soát thể tích tốt hơn đối với tốc độ dòng đùn
[7] Khái niệm này sẽ loại bỏ nhu cầu về các hành trình rút lại Đầu in được tích hợp vào một máy in 3D RepRap và được sử dụng với các vật liệu khác nhau Đầu in được phát triển bởi nhóm tác giả Liu là kết cấu đa công nghệ trình bày hai khối phân phối dẫn động bằng piston, một máy đùn trợ lực bằng trục vít, và một khối phun plasma [8] Không có thông tin về thiết kế vít được cung cấp Mỗi sự thống nhất đùn được lập chỉ mục bằng chuyển động quay Trái ngược với các đầu in có trục vít hỗ trợ trước đây tích hợp vào cùng một tổ hợp để xử lý và tích lũy hợp nhất, thiết kế thay thế do tác giả Khondoker và cộng sự đề xuất [9] Nhóm tác giả đã loại bỏ những hạn chế cố hữu do trọng lượng và quán tính của máy đùn trục vít tốc độ và yêu cầu phân giải của đầu đùn bằng thiết kế nằm ngang nhưng sẽ có hạn chế khi sử dụng với nhiều đầu đùn khác nhau.
Hình 1.9 Một số kết cấu đầu in bột/hạt được thiết kế bởi các tác giả (a) Annoni,
(b) Canessa; (c) Liu; (d) Khondoker và Sameoto [5]
Trục đùn nhựa có kết cấu giống một cái trục vít Chức năng của trục đùn là vận chuyển nhựa nguyên liệu nhựa suốt chiều dài của buồng gia nhiệt Theo đó, nhựa dần dần được nung chảy bởi các lõi gia nhiệt Trục đùn đẩy nhựa, đông thời trộn các hạt nhựa lúc này đã được nung chảy Trục đùn là thành phần quan trọng nhất của cơ cấu đùn nhựa.
Hình 1.10 Cấu tạo trực đùn nhựa
Trục đùn được chia thành 3 vùng cơ bản: vùng cấp liệu (vùng truyền đạt), vùng nén (vùng chuyển tiếp), vùng định lượng (vùng bơm).
● Vùng cấp liệu: Mục đích vùng cấp liệu là vận chuyển nguyên liệu từ phễu (khoang chứa) vào các vùng sau của vít Cần tránh gia nhiệt mạnh vùng này để nguyên liệu không bị dính vào các rãnh vít, khi bị dính nhiều thì nhựa không thể đi vào buồng gia nhiệt được nữa Tại vùng này răng có độ sâu nhất.
● Vùng nén: Nguyên liệu bị nén mạnh và nóng chảy, đồng thời chất khí sẽ bị đẩy ngược lại và thoát ra khỏi máy qua phễu hoặc lỗ xylanh có lỗ thoát khí thì khí sẽ thoát ra đường này, tại vùng này độ sâu răng giảm nhanh.
● Vùng định lượng: là nơi sự tan chảy của nhựa được hoàn thành và sẵn sàng đi ra khỏi buồng gia nhiệt Độ sâu rãnh vít là không đổi trong toàn bộ vùng này Vùng này cũng được gọi là vùng bơm.
Tuy nhiên, chức năng của từng vùng không chỉ giới hạn riêng tại vùng đó Các quá trình của một vùng có thể tiếp tục xảy ra trong khu vực liền kề.
Polycaprolacton (PCL) là một polyester có khả năng phân hủy sinh học với nhiệt độ nóng chảy khoảng 60℃ Người ta chú ý tới khả năng ứng dụng của PLC làm vật liệu sinh học vì trong môi trường sinh lý (trong cơ thể) PLC có thể phân hủy bằng quá trình thủy phân liên kết este So với polylatic (PLA), PCL phân hủy chậm hơn nên có thể làm các bộ phận/thiết bị đưa vào trong cơ thể sống Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) chứng nhận PCL có thể làm vật liệu dẫn thuốc hay chỉ khâu y tế cho con người Vì các đặc điểm phù hợp với yêu cầu của máy in 3D sinh học nên ta chọn sử dụng vật liệu PCL ở dạng bột và trộn kết hợp với một số hạt hoặc bột nguyên liệu khác để làm vật liệu in cho máy in 3D sinh học.
Nghiên cứu tổng quan về công nghệ mô sinh học cho thấy tiềm năng phát triển của lĩnh vực này trong chăm sóc sức khỏe Trong công nghệ mô, khung hỗ trợ đóng vai trò quan trọng và được chế tạo bằng nhiều phương pháp in công nghệ in 3D là chủ yếu.
Các nghiên cứu cho thấy phương pháp đùn nhựa trực tiếp nhờ trục vít có tính linh hoạt cao về vật liệu hơn các dạng khác và là phương pháp mà học viên cao học đề xuất nghiên cứu và chế tạo trong nghiên cứu này của luận văn
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU IN BỘT
Thiết kế đầu in bột
2.1.1 Thiết kế kết cấu trục đùn a) Thông số kỹ thuật của trục đùn
Hình 2.1 Thông số kĩ thuật trục đùn nhựa
Các thông số đặc trưng của trục vít (trục đùn) cần chú ý là:
● E: Bề dày của cánh vít.
● φ: Góc nghiêng của cánh vít. Để có thể thiết kế được trục vít chúng ta phải tính toán rât nhiều thông số Ví dụ như phải tính đến loại nhựa sử dụng, nhiệt độ chuyển tiếp và nhiệt độ nóng chảy của chúng Mỗi ứng dụng lại cần một loại trục đùn với đường kính và chiều dài khác khau Một thông số cũng rất quan trọng đó là khe hở giữa các ren của trục vít với bề mặt trong của buồng gia nhiệt Khi khe hở lớn, vật liệu được trộn tốt hơn tuy nhiên năng suất lại giảm đi bởi dòng vật liệu bị đẩy ngược lại.
Trục đùn nhựa trong các loại máy ép đùn nhựa là các loại trục tiêu chuẩn đã được tính toán sẵn các thông số để đảm bảo lực ép, lưu lượng nhựa ổn định nhất. Để tính toán thiết kế trục đùn nhựa trước hết cần lựa chọn các thông số cơ bản sau để phù hợp với kết cấu của máy cỡ nhỏ: Đường kính trục vít: D= 8mm, chiều dài trục vít: L= 80mm Các thông số khác có thể tính toán dựa vào các giá trị đã xác định này. b) Số đầu mối ren:
Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế trục vít là xác định số đầu mối ren. Trong các ứng dụng yêu cầu dòng chảy lớn, số đầu mối ren có thể là hai hoặc hơn hoặc sử dụng kết hợp hai, ba trục vít, nhưng trong trường hợp với công suất nhỏ thì chúng ta chỉ lựa chọn trục vít với một mối ren.
Vậy số đầu mối ren m= 1.
Một thông số nữa cũng cần xác định là góc xoắn của ren Trong các trục đùn thông thường lấy khoảng cách giữa 2 ren gần nhất, hay bước ren (t) bằng với đường kính trục vít Vì vậy t= D= 8 mm.
Khi đó góc xoắn có giá trị là: c) Bề dày cánh vít:
Bề dày cánh vít phụ =thuộc0.12vào đường=0.12kính8 trục=0,96vít qua mối liên hệ toán học Chọn e= 1 mm d) Chiều dài các vùng trên trục vít:
Chúng ta quyết định chiều dài các vùng trên trục vít dựa vào phần trăm trên tổng chiều dài trục vít đã xác định Vùng cấp liệu chiếm 25% đến 30% tổng chiều dài, vùng nén chiếm 35% đến 40% và vùng định lượng chiếm 40 đến 45%. Chiều dài cụ thể từng vùng như sau:
Vùng định lượng: L3= 0.4x 80= 32mm e) Chiều sâu rãnh vít và khe hở trục vít:
Chiều sâu rãnh vít ở vùng cấp liệu ( đầu trục vít ) là khoảng cách giữa bề mặt ngoài của trục vít tới rãnh vít Nó có mối liên hệ với đường kính trục vít theo công thức: h 1 = 0.2x D= 0.2x 8= 1,6 mm
Chiều sâu rãnh vít ở vùng định lượng (cuối trục vít) được xác định bởi tỉ lệ nén ( Z) Tỉ lệ nén giữa chiều sâu của rãnh vít ở đầu và cuối trục vít Thông thường
ℎ ℎ 1,6 giá trị này nằm trong khoảng 2-4mm Chọn Z= 3mm ta có =ℎ 1 2 →ℎ 2 = 1 = 3 =0,53
Từ các thông số này chúng ta có thể xác định được đường kính chân ren.
● Đường kính chân ren tại vùng cấp liệu là: d 1 = D - 2h 1 = 8 - 2x1,6= 4,8 mm
● Đường kính chân ren tại vùng định lượng là: d 2 = D - 2h 2 = 8 - 2x0,53= 6,9 mm
Thông số về khe hở trục vít là khoảng cách giữa bề mặt trong của buồng gia nhiệt tới bề mặt ngoài của trục vít Nó phải đủ nhỏ để nhựa không chảy ngược lại Công thức tính như sau:
Từ các thông số tính toán được ở trên, trục vít có hình dạng như sau:
Hình 2.2 Thiết kế trục đùn nhựa
2.1.2 Đầu phun Đầu phun là chi tiết quyết định tới đường kính và hình dạng của sợi nhựa. Đầu phun được thiết kế để dễ dàng tháo ra nhằm mục đích lau chùi và chuyển đổi các đầu phun có đường kính lỗ đùn lớn hơn Đầu phun được làm từ đồng
360 Vật liệu này được lựa chọn để chế tạo vì rất nhiều lý do Trước hết, nhiệt độ trên đầu phun phải chính xác và đảm bảo nhựa không được nguội và cứng lại trong đầu phun, nhưng cũng không thể quá nóng và mất nhiều thời gian để làm nguội khi đi ra khỏi đầu phun Đồng có nhiệt độ nóng chảy là 930 o C, điều này có nghĩa là chúng ta không cần phải lo đến sự biến dạng của đầu phun Khả năng truyền nhiệt cao bởi vậy nên nhiệt lượng được phân bố đều Đầu phun là chi tiết có thể mua sẵn trên thị trường Đối với máy in 3D sinh học đầu phun được sử dụng là các đầu phun có kích thước lỗ là 0,2; 0,3 và 0.4 mm
Hình 2.3 Đầu phun máy in 3D
Giá đỡ là chi tiết dùng để liên kết các chi tiết động cơ, trục đùn, vỏ trục đùn lại với nhau thành cơ cấu hoàn chỉnh Ngoài ra giá đỡ cũng có công dụng làm khoang cấp nguyên liệu nhựa bột cho vào cụm trục đùn và vỏ trục đùn Giá đỡ được làm bằng vật liệu nhôm A5052 phôi dạng trụ, gia công tiện, phay, khoan và taro Dưới đây là thiết kế giá đỡ và hình ảnh giá đỡ đã được gia công.
Hình 2.4 Thiết kế gá đỡ
Vỏ trục đùn là chi tiết rất quan trọng trong cụm đùn nhựa Kết cấu vỏ trục đảm bảm dung sai lắp ghép với trục đùn để trục đùn quay trong vỏ không bị kẹt đồng thời cũng phải đảm đảo khe hở vừa đủ để nhựa chỉ ra ở đầu phun mà không bị ra ngược lại Vỏ trục đùn chia thành 2 loại vật liệu khác nhau Phần dưới bằng nhôm A5052, phần trên bằng Teflon để tránh hiện tượng truyền nhiệt lên vùng cấp liệu, đảm bảo vùng cấp liệu ở trạng thái bột, không chảy dẻo. a) Phần vỏ nhôm b) Phần vỏ teflon
Hình 2.5 Thiết kế vỏ trục đùn
Phễu cấp liệu được sử dụng để đưa vật liệu bột vào khoang trục vít Phễu cấp liệu gồm 2 phần: Phần phễu và phần ống dẫn vào phễu đều được làm bằng
ABS/PLA tránh hiện tượng chảy dẻo dính ở vùng cấp do truyền nhiệt Hai chi tiết này được chế tạo bằng phương pháp in 3D a) Phần phễu b) Phần ống dẫn vào phễu
Hình 2.6 Thiết kế phễu cấp liệu
2.1.6 Động cơ Động cơ là thành phần chuyền chuyển động cho trục vít và cung cấp đủ lực cần thiết cho quá trình đùn Đồng thời động cơ cũng cần được điều khiển tốc độ và điều khiển hoạt động theo nhiệt độ gia nhiệt của cụm đùn Động cơ được lựa chọn là Động cơ bước 42HS L48 có thông số:
- Kích thước mặt bích: 42x42 mm
- Cảm kháng của° pha: 3.7 mH
Hình 2.7 Động cơ bước 42HS L48
Hình 2.8 Cụm đùn nhựa được lắp ráp
Hình 2.9 Sơ đồ lắp cụm đùn bột
Mô phỏng nhiệt cho đầu in bột bằng FEM
Bột nhựa chảy vào hệ thống trục vít thông qua phễu và máy đùn được trục vít vận chuyển đến đầu phun Đầu đùn được chia thành ba vùng chính: vùng vận chuyển, vùng nấu chảy, vùng đùn ép Nguồn nhiệt được đặt trên bộ phận gia nhiệt để làm cho bột tan chảy từ khi nó chạm đến cuối trục vít me Chuyển động quay của động cơ vận chuyển và nén bột qua trục vít dẫn giảm Nguồn nhiệt và tản nhiệt là yếu tố kiểm soát chính đối với tính nhất quán của nguồn cấp liệu ở đầu ra và tính nhất quán của dòng chảy ở đầu vào Sự đối lưu nhiệt với nhiệt độ môi trường và sự dẫn nhiệt từ trục vít ảnh hưởng đáng kể đến sự tan chảy của bột bên trong thùng Thời gian để vật liệu bột tiếp xúc với nguồn nhiệt phụ thuộc vào tốc độ quay của trục vít Nếu nhiệt độ quá cao, vật liệu sẽ tan chảy ở đầu vào và làm kẹt toàn bộ hệ thống Mặt khác, nó còn làm cho nguyên liệu bị cháy ở đầu ra Mặt khác, nhiệt độ thấp sẽ cản trở quá trình đùn ép, gây ra kẹt vì tốc độ tan chảy chậm.
Quá trình gia nhiệt bằng nhiệt được thực hiện với nguồn nhiệt 50W và giới hạn của cảm biến nhiệt độ trong khoảng từ 95 ℃ đến 105 ℃ Đầu gia nhiệt và cảm biến được gắn trực tiếp trên bộ đầu đùn Các thành phần của hệ thống đùn bột được đặt ở nhiệt độ ban đầu là 25℃ (nhiệt độ phòng) PCL được sử dụng làm bột đùn Ảnh hưởng của vật liệu vỏ trục đùn và vật liệu vít đùn lên trạng thái của bột bên trong vỏ trục đùn được xác định tại 6 điểm (P1 đến P6) cách đều nhau dọc theo trục vít đùn và một điểm của bột PCL trong vùng gia nhiệt như trong Hình2.9 Để xác định nhiệt độ và thời gian tắt gia nhiệt và bật động cơ kể từ khi điểm P1 đạt đến nhiệt độ nóng chảy (90℃) Trong trường hợp này, giá trị của cảm biến luôn được đặt trong khoảng 95 ÷ 105℃ Khi cảm biến phát hiện 95℃ thì nguồn nhiệt sẽ được bật, trong khi nhiệt độ tại thời điểm này là 105℃ thì nguồn nhiệt sẽ bị tắt.
Bài toán mô phỏng nhiệt được thiết kế và thực hiện bằng phần mềmSolidworks và FFEPlus solver Mô hình 3D được chia lưới theo kiểu Tetra cấp 1 với kích thước phần tử đồng đều 0,78mm và dung sai 0,039mm.Kết quả sơ bộ không quá khác biệt so với mô hình chia lưới với kích thước các phần tử nhỏ hơn, do đó, loại lưới này được lựa chọn cho nghiên cứu này để giảm thời gian tính toán.
Hình 2.10 Mô hình mô phỏng nhiệt Bảng 2.1 Đặc tính của vật liệu
2.2.3 Tính toán quá trình đùn vật liệu
Bột nhựa chảy vào hệ thống trục vít thông qua phễu và được trục vít vận chuyển đến đầu đùn Trục đùn được chia thành ba vùng chính: vùng vận chuyển, vùng nấu chảy, vùng đùn ép Các nguồn nhiệt được đặt trên buồng đốt nóng để làm cho bột chảy lỏng từ khi nó chạm đến cuối trục vít me Chuyển động quay của động cơ vận chuyển và nén bột qua trục vít dẫn giảm Nguồn nhiệt và tản nhiệt là yếu tố kiểm soát chính đối với tính nhất quán của nguồn cấp liệu ở đầu ra và tính nhất quán của dòng chảy ở đầu vào Sự đối lưu nhiệt với nhiệt độ môi trường và sự dẫn nhiệt từ trục vít ảnh hưởng đáng kể đến sự tan chảy của bột bên trong thùng Thời gian để vật liệu bột tiếp xúc với nguồn nhiệt phụ thuộc vào tốc độ quay của trục vít Nếu nhiệt độ quá cao, vật liệu sẽ chảy ở đầu vào và làm kẹt toàn bộ hệ thống Mặt khác, nó còn làm cho nguyên liệu bị cháy ở đầu ra Mặt khác, nhiệt độ thấp sẽ cản trở quá trình đùn ép, gây ra kẹt vì tốc độ chảy chậm.Thời gian cho bột di chuyển: Để tính toán thời gian di chuyển của bột từ đầu vào đến đầu ra, một bộ thùng và vít với dữ liệu hình học được tóm tắt trong Bảng 2.
Bảng 2.2 Kích thước hình học chính của máy đùn
Dữ liệu vỏ trục đùn
Chiều dài, L c (mm) 75 Đường kính, d c (mm) 12
Dữ liệu trục đùn Đường kính lớn nhất, D max (mm) 10 Đường kính nhỏ nhất, D min 7 Chiều dài trục đùn, L (mm) 87
Kích thước đầu ra, r n (mm) 1.75
Khối lượng bên trong thùng:V c (mm 2 ) = π×(D c /2) 2 ×L c
Thể tích × trong một bước vít không gian giữa đoạn cuối trục vít và đầu đùn): vùng rỗng (khoảng
3 1 × × ở đó + , + là bán × ) × ℎ nón của trục vít
Khối lượng bột bên trong vỏ trục đùn:
Nếu 95% bên trong vỏ trục đùn là bột và 5% được để trống, thì khối lượng bột cuối cùng là:
V f.powder (mm 2 ) = 0.95 × V powder ở đó v là
Khối lượng nhựa chảy ra từ đầu đùn là: tốc độ in
Bảng 2.3 Thời gian di chuyển của bột PCL với ba tốc độ in.
STT Tốc độ in Tổng thời gian di chuyển Thời gian bước vít
Tốc độ in được khảo sát ở 30 mm/s, 50 mm/s và 70 mm/s. Sau đó, tổng thời gian để bột di chuyển trong tổng chiều dài của vỏ trục đùn và mỗi bước của vít được tính trong Bảng 2.3
2.2.4 Kết quả mô phỏng a) Trạng thái của bột trong PCL.
Trạng thái của bột PCL trong vỏ trục đùn Sự phân bố nhiệt độ của máy đùn với hai mô hình vật liệu được tiết lộ trong Biểu đồ nhiệt độ của trục vít dài sáu điểm với hai mô hình vật liệu được vẽ trong Error! Reference source not found Bảng 2.4Error! Reference source not found trình bày các giá trị nhiệt độ của sáu điểm cách đều nhau trên vít đùn tại thời điểm nhiệt độ tại điểm P1 đạt 90℃ Những nhiệt độ này với mô hình teflon thấp hơn trong mô hình nhôm Trong trường hợp của mô hình teflon, ba điểm gần đầu vào (điểm P4, P5, P6) đạt 25 ℃ ÷26 ℃ và tăng không đáng kể theo thời gian Trong khi đó, các điểm này với mô hình vật liệu nhôm đạt 33° C ÷ 48° C và theo biểu đồ, nó tiếp tục tăng nhanh theo thời gian Ngoài ra, hầu hết khu vực vít chịu nhiệt độ trên 80°C trên mô hình vật liệu nhôm Điều này gây ra sự gia nhiệt của bột ở đầu vào dẫn đến quá trình đùn nhựa bị chặn và nhựaPCL sẽ được dán vào vít tiếp liệu.
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng nhiệt
Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng nhiệt ở các vị trí
C ) P6 o ( 80 T em ep ra tu re
Hình 2.12 Cấu hình nhiệt độ của sáu điểm theo chiều dài trục vít với hai mô hình vật liệu b) Xác định nhiệt độ khởi động của cảm biến để bắt đầu quá trình in. Để xác định nhiệt độ khởi động của cảm biến để bắt đầu quá trình in (động cơ bắt đầu chạy), nhiệt độ tại vùng gia nhiệt (điểm P1 và P2) là yếu tố kiểm soát chính Phần này coi tốc độ đùn là 50 mm / s (tổng thời gian là 30,6 giây và thời gian ném là 3,1 giây) để giải thích nhiệt độ khởi động Tại thời điểm bước sóng 3,1 giây, tốc độ động cơ và tốc độ dòng chảy bên trong Thùng được tính lần lượt là 20vòng / phút và 0,65 mm / s Kết quả mô phỏng trình bày cấu hình nhiệt độ của điểm P1 và P2 như trong Hình 5 cho cả hai kiểu máy có cài đặt nhiệt độ của cảm biến trong phạm vi
95 ℃ ÷ 105 ℃ và tốc độ đùn là 50 mm / s Nhiệt độ của bột PCL tại khu vực P1 dự kiến đạt 90 ℃ để in. Trong trường hợp của mô hình Teflon, Hình 4a cho thấy điểm P1 đạt 90 ℃ tại t90 = 130s Vì bột PCL trải qua thời gian chuyển động tT từ đầu vào đến điểm P1, thời gian để động cơ bắt đầu chạy được tính bằng
Sau đó, thời gian để động cơ bắt đầu chạy (tm) được sử dụng để xác định nhiệt độ khởi động của cảm biến bắt đầu quá trình in Thời gian là 30,6s với tốc độ đùn là 50 mm / s Do đó, thời gian để động cơ bắt đầu chạy là 99,4 giây như được tính trong phương trình 1 Tại thời điểm này, nhiệt độ tại vùng cảm biến được xác định là 108 ℃ Với mô hình Nhôm, thời gian nhiệt độ P1 ở 90 ℃ được xác định tại t90 = 210s Thời gian để động cơ bắt đầu chạy và nhiệt độ khởi động lần lượt là tm = 179,4s và Tm = 103 ℃ Có thể thấy rằng sử dụng cùng một nguồn nhiệt độ và thời gian chuyển động của bột, thời gian để P1 trong mô hình Nhôm đạt 90
℃ lâu hơn so với mô hình Teflon Lý do là nhôm hấp thụ nhiệt tốt hơn nhôm và trục vít đùn, do đó thời gian để điểm cuối của trục vít đạt 90 ℃ lâu hơn so với mô hình vật
24 liệu Teflon Bảng 2.5 trình bày thời gian khởi động và nhiệt độ cảm biến để bắt đầu động cơ nạp liệu cho các tốc độ in khác nhau cho cả hai kiểu máy Teflon và Aluminium Mô hình Teflon cho thấy dữ liệu ổn định có thể tạo ra một sơ đồ điều khiển cho động cơ nạp liệu.
Với công suất của nguồn nhiệt là 50W và thời gian để bột PCL chạy từng bước tR, nhiệt lan tỏa có thể được tính như sau:
120 C ) 100 o ( T em pe ra tu re 80
C ) o ( 80 T em pe ra tu re
Hình 2.13 Các cấu hình nhiệt độ tại điểm P1 và P2 của a) Mô hình
Teflon và b) Mô hình nhôm với cài đặt nhiệt độ cảm biến ở 95 ℃ -105 ℃
Bảng 2.5 Thời gian khởi động t và nhiệt độ của cảm biến với ba tốc độ in
Nhiệt của∆ bột đạt 90oC được biểu thị theo phương trình sau:
Tổng thể tích của PCL có thể được làm nóng được xác định là:
Tổng thể tích của PCL bên trong thùng là 3682,25 (mm3) Khối lượng bột được tính là 1810 (mm3) - một nửa tổng số, có nghĩa là bột chạy trong bước cuối cùng đủ thời gian để đạt đến điểm nóng chảy (90℃). c) Ảnh hưởng của nhiệt độ cảm biến tới điểm nóng chảy
Bằng cách tăng nhiệt độ cảm biến lên 115-125 ° C, thời điểm P1 đạt đến 90 °C của cả hai kiểu vật liệu đã được giảm xuống so với thời điểm có cài đặt trong phạm vi 95 ℃ ÷ 105 ℃ Điểm P1 đạt 90 ℃ ở t
= 90 ở 102 giây và 138 giây trên mô hình Teflon và nhôm như trong Hình 6 Dựa trên đặc điểm nhiệt độ của hai điểm P1 và P2, những điểm này trên mô hình Teflon có nhiệt độ ổn định hơn so với với mô hình Nhôm Do đó, mô hình bằng vật liệu Teflon sẽ giảm thời gian gia nhiệt, loại bỏ nguy cơ tắc nghẽn do chất kết dính PCL bên trong thùng.
120 C ) 100 o ( T em pe ra tu re 80
Hình 2.14 Các cấu hình nhiệt độ tại các điểm P1 và P2 của a) Mô hình
Teflon và b) Mô hình nhôm với cài đặt nhiệt độ cảm biến ở 115
℃ ÷ 125 ℃ d) Ảnh hưởng của vòng chữ O trong thiết kế của máy đùn lên điểm nóng chảy
Một vấn đề thường gặp ở máy đùn nhựa là nhựa PCL sẽ bám ở đầu máy đùn, ảnh hưởng đến khả năng đùn bột và nhựa trong vỏ trục đùn do trục máy đùn hoạt động trong thời gian dài Để giải quyết vấn đề này, thiết kế của máy đùn đã được bổ sung một vòng chữ O Teflon hoạt động như một vòng đệm cách nhiệt nằm ở khu vực giữa khu vực gia nhiệt và vỏ trục đùn Nhiệt độ của bột PCL có thể được điều chỉnh với sự thay đổi theo bề dày của vòng chữ O Như thể hiện trong Hình
Chế tạo đầu in bột và điều khiển trục đùn bột
Cụm đầu bột gồm 02 cụm chính:
+Cụm đầu đùn sử dụng bộ đùn dây phổ biến trên thị trường Trên cùm đầu đùn gồm có đầu đùn, cảm biến nhiệt, đầu gia nhiệt và một trục tách nhiệt
+Cụm trục đùn gồm có phễu cấp liệu, vỏ trục đùn và trục đùn
Hình 2.16 Kết cấu của cụm đầu đùn
Hình 2.17 Kết cấu cụm trục đùn
Hình 2.18 Cụm đầu in bột thực tế chế tạo
2.3.2 Điều khiển đầu đùn bột
Máy được điều khiển dựa trên bộ điều khiển cho máy in 3D là những thiết bị công nghiệp như bộ điều khiển CNC của hãng Newmarks để điều khiển 3 trục X,
Y, Z của máy và bộ điều khiển PLC S7-1200 của hãng Siemens để điều khiển toàn bộ các tác vụ in còn lại bao gồm gia nhiệt, quay động cơ (Hình 2.19 tớiHình 2.21) Các thông số điều khiển được cài đặt trong G-code hoặc trên giao diện điểu khiển HMI Sơ đồ điều khiển mô tả như Hình 2.22 Các thiết bị điện và điều khiển sử dụng các thiết bị công nghiệp có tuổi bền và độ ổn định cao.
Hình 2.19 Bộ điều khiển CNC Newmarks -NSC-G Series
Hình 2.20 Bộ điều khiển Siemens S7-1200
Hình 2.21 Cảm biến nhiệt Autonics
Hình 2.22 Sơ đồ điều khiển
Giao diện điều khiển
2.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python và QT-Designer a) Ngôn ngữ lập trình Python
Python, là một ngôn ngữ lập trình bậc cao (hight-level), hướng đối tượng (OOP) Tính linh hoạt của nó cho phép bạn làm nhiều việc, từ đơn giản đến phức tạp Với Python, bạn có thể viết các chương trình và tập lệnh cơ bản Cũng có thể tạo ra các ứng dụng phức tạp và quy mô lớn Dưới đây là các đặc điểm của Python:
Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ học: Python có cú pháp rất đơn giản, rõ ràng Nó dễ đọc và viết hơn rất nhiều so với những ngôn ngữ lập trình khác như C++, Java, C# Python làm cho việc lập trình trở nên thú vị Nó cho phép bạn tập trung vào những giải pháp chứ không phải cú pháp.
Miễn phí – mã nguồn mở: Bạn có thể tự do sử dụng và phân phối Python, thậm chí là dùng nó cho mục đích thương mại Python có một cộng đồng rộng lớn, không ngừng cải thiện nó mỗi lần cập nhật.
Khả năng di chuyển: Các chương trình Python có thể di chuyển từ nền tảng này sang nền tảng khác và chạy nó mà không có bất kỳ thay đổi nào Nó chạy liền mạch trên hầu hết tất cả các nền tảng như Windows, macOS, Linux.
Khả năng mở rộng và có thể nhúng: Giả sử một ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp rất lớn, bạn có thể dễ dàng kết hợp các phần code bằng C, C++ và những ngôn ngữ khác (có thể gọi được từ C) vào code Python.
Ngôn ngữ thông dịch cấp cao: Không giống như C/C++, với Python, bạn không phải lo lắng những nhiệm vụ khó khăn như quản lý bộ nhớ, dọn dẹp những dữ liệu vô nghĩa v.v Khi chạy code Python, nó sẽ tự động chuyển đổi code sang ngôn ngữ máy tính có thể hiểu Bạn không cần lo lắng về bất kỳ hoạt động ở cấp thấp nào.
Thư viện tiêu chuẩn lớn để giải quyết những tác vụ phổ biến: Python có một số lượng lớn thư viện tiêu chuẩn giúp cho công việc lập trình của bạn trở nên dễ thở hơn rất nhiều, đơn giản vì không phải tự viết tất cả code Ví dụ: Bạn cần kết nối cơ sở dữ liệu MySQL trên Web server? Bạn có thể nhập thư viện MySQLdb và sử dụng nó Những thư viện này được kiểm tra kỹ lưỡng và được sử dụng bởi hàng trăm người Vì vậy, bạn có thể chắc chắn rằng nó sẽ không làm hỏng code hay ứng dụng của mình.
Hướng đối tượng: Mọi thứ trong Python đều là hướng đối tượng Lập trình hướng đối tượng (OOP) giúp giải quyết những vấn đề phức tạp một cách trực quan Với OOP, bạn có thể phân chia những vấn đề phức tạp thành những tập nhỏ hơn bằng cách tạo ra các đối tượng. b) Thiết kế giao diện bằng QT Designer
Qt Designer là một công cụ để nhanh chóng xây dựng giao diện người dùng đồ họa với các widget từ khung Qt GUI Nó cung cấp cho bạn một giao diện kéo và thả đơn giản để bố trí các thành phần như nút, trường văn bản, hộp tổ hợp và hơn thế nữa Đây là ảnh chụp màn hình của Qt Designer trên Windows:
Hình 2.23 Giao diện của phần mềm Qt Designer
Qt Designer tạo ra ui các tệp Đây là một định dạng dựa trên XML đặc biệt để lưu trữ các widget của bạn dưới dạng cây Bạn có thể tải các tệp này trong thời gian chạy hoặc dịch chúng sang ngôn ngữ lập trình như C ++ hoặc Python.
2.4.2 Xây dựng giao diện điều khiển phần mềm
Giao diện điều khiển gồm 3 phần chính:
+Kết nối bộ điều khiển thông qua giao tiếp của cổng COM (serial port) và baudrate 119200 Các cổng COM hiện tại sử dụng khi kết nối sẽ được tự động nhận diện nhờ sử dụng thư viện pyserial
+ Giao diện điều khiển máy: cho phép điều khiển máy in với các chức năng cơ bản
✔ Di chuyển theo các trục,
✔ Hiển thị toạ độ trong quá trình in
✔ Mô phỏng quá trình in theo thời gian thực,
✔ Gọi và bật tắt đầu in
Hình 2.24 Giao diện điều khiển máy
+ Giao diện chuyển đồi G-code: Hệ điều khiển phần cứng sử dụng bộ điều khiển CNC và bộ điều khiển PLC Bộ điều khiển CNC sử dụng ngôn ngữ DMC. Mô-đun phần mềm cho phép chuyển đổi G-code cho chương trình 1 đầu in hoặc nhiều đầu in kết hợp.
✔ Chuyển đổi file G-code sang DMC
✔ Chuyển sang màn hình MEM
✔ Hiển thị đường in G-code
Hình 2.25 Giao diện chuyển đổi G-code
Kết luận chương 2 Đã thiết kế được bộ đầu in dùng trục vít và một số loại vật liệu cho trục vít và vỏ trục vít được đề xuất. Đã tiến hành mô phỏng nhiệt để đánh giá các thiết kế của bộ đầu in dùng trục vít về kết cấu và vật liệu Kết quả mô phỏng cho thấy trục vít bằng Teflon cho phép giảm đáng kể sự truyền nhiệt dọc trục vít. Đã thiết kế được hệ thống điều khiển phần cứng và phần mềm cho phép điều khiển đầu in
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ IN TỚI CHẤT LƯỢNG MẪU IN
Các chỉ tiêu đánh giá của khung in
Khung hỗ trợ có một số thông số cơ bản cần đánh giá là kích thước của đường in để đảm bảo tiết diện bám dính của tế bào và kích thước lỗ rỗng để đảm bảo tế bào di chuyển vào sâu bên trong khung cũng như trao đổi chất và khí trong quá trình phát triển Với kết cấu khung 3D, một số thông số khác cũng quan trọng là độ rỗng của khung và độ liên thông của khung Kết quả của một số nghiên cứu sử dụng đầu đùn trục vít được thể hiện trên Bảng 3.1 Kích thước lỗ và đường in phổ biến trong khoảng 300-400 μm Độ chính xác của đường in khácm Độ chính xác của đường in khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu trộn vào vật liệu nền và kết cấu của đầu đùn
Hình 3.1 Thông số hình học cơ bản của khung in Bảng 3.1 Thống kê một số thông số đánh giá cơ bản khung in Đường in Lỗ thiết kế Nhiệt Tốc độ Ghi
STT Vật liệu Dạng thiết kế (PS μm)m) độ (mm/s) Độ chính xác chú
Đánh giá ảnh hưởng truyền nhiệt của đầu in bột thiết kế
Ba loại trục vít đã được thí nghiệm bao gồm: trục vít bằng thép, trục vít bằng teflon, trục vít bằng teflon có lõi thép Kết quả thực nghiệm cho phép quan sát sự truyền nhiệt và biến dạng của trục vít trong các trường hợp kể trên.
Với trục vít bằng thép, bột PCL nóng chảy bám dọc theo trục vít và truyền lên trên phễu làm cho bột có hiện tượng bị dẻo ngay tại mặt phễu, từ đó cản dòng nhựa PCL vào trong trục vít
Với trục vít bằng teflon, bột PCL chỉ nóng chảy ở 2 đường ren đầu tiên, tiếp đó là vùng nén và vùng cấp liệu Không có hiện tượng truyền nhiệt lên trên phễu nên bột được cấp vào liên tục Tuy nhiên do tiết diện phần eo của trục vít ở đoạn trên nhỏ nên trục vít teflon có hiện tượng bị biến dạng Từ kết quả thực nghiệm, trục vít bằng teflon có lõi thép được đề xuất để hạn chế biến dạng của trục vít dưới tác dụng của áp lực đùn. Ưu điểm giảm được sự truyền nhiệt của trục vít teflon và giới hạn được vùng nóng chảy trên trục vít giúp hạn chế vật liệu thừa trong suốt chiều dài trục vít như các thiết kế truyền nhiệt toàn bộ đảm bảo tính kinh tế khi sử dụng các vật liệu sinh học đắt tiền. a) Vùng nóng chảy b) Vùng nóng chảy và nén
Hình 3.2 Các vùng vật liệu trên trục vít
Đánh giá ảnh hưởng kích thước in bột PCL
Mẫu thí nghiệm được in sử dụng đầu đùn có kích thước 0.3mm, bột PCL được cung cấp trực tiếp cho đầu đùn từ phễu thông qua trục vít Kích thước của lớp in đánh giá chất lượng in có kích thước 10x10mm, gồm 3 lớp đan xen 0°-90°. Một số thông số hình học của khung in bao gồm kích thước của đường in, lỗ in ở lớp trên và lớp dưới được đo ở một số vị trí như Hình 3.3 Hình 3.4 chỉ ra kích thước của đường in và lỗ ở các điều kiện in khác nhau Kết quả chỉ ra rằng ở điều kiện in T0°C, V=6mm/s, and E=8rpm (Hình 3.4b) cho được đường in có kích thước đường in và lỗ gần với kích thước mong đợi nhất (0.3mm) Vì thế nhiệt độ T0°C và tốc độ đùn E=8rpm được giữ để phân tích ảnh hưởng của tốc độ bàn in ở các dải tốc độ 4mm/s, 6mm/s, 8mm/s, and 10mm/s Mẫu in được đo sử dụng kính hiển vi Kruss kết hợp với camera và phần mềm xử lý kết quả đo Imagefocus plus V2 Ở mỗi tốc độ in, ba mẫu được đo, mỗi mẫu in sẽ đo ở 02 lớp (L1, L2) và
Hình 3.3 Các vùng phân tích trên mẫu in a) T °C, V= 6mm/s, E=8rpm b) T0 °C, V= 6mm/s, E=8rpm c) T0 °C, V= 6mm/s, E=8rpm d) T0 °C, V= 6mm/s, E=5rpm e) T0 °C, V= 6mm/s, Erpm
Hình 3.4 Kích thước đường in và lỗ ở các điều kiện in khác nhau
Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu PCL
Hình 3.5 chỉ ra ảnh hưởng của tốc độ bàn in tới kích thước của đường in và lỗ trên mẫu in Hình 3.6 chỉ ra phân bố của kích thước đường in và lỗ ở các tốc độ khác nhau Thông số cụ thể được mô tả trong Bảng 3.2 Kết quả chỉ ra rằng, kích thước đường in có xu hướng giảm trong khi lỗ có xu hướng tăng khi tăng tốc độ bàn in. Đường in có xu hướng bị giãn ra khi in ở tốc độ cao Tốc độ in càng cao thì vật liệu được kéo càng nhiều Điều này có thể được giải thích do đặc thù của nhựa PCL là lâu khô khi ra khỏi đầu in Với tốc độ in càng cao, nhựa càng khó để khô nên các đường in thường bị kéo, ảnh hưởng đến độ chính xác của đường in Chế độ in ở thí nghiệm V2 cho kết quả về kích thước đường in và khoảng cách lỗ ởcả hai lớp in sát với kích thước theo lý thuyết nhất.
Kết quả độ xốp của các mẫu in cho thấy độ xốp tăng khi tốc độ in tăng Tốc độ in V4 cho kết quả độ xốp cao nhất (71%) Tốc độ in V1 và V2 có thể có chiều rộng dòng tốt hơn tốc độ in V3 và V4.
Hình 3.5 Ảnh hưởng của vận tốc bàn in đến độ chính xác của mẫu in
Hình 3.6 Phân bố kích thước đường in và lỗ ở các tốc độ khác nhau
Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm ở các chế độ in khác nhau
TN Tốc độ Nhiệt Tốc độ Kích thước line Kích thước K/lượng Độ xốp in độ đùn trung bình lỗ trung bình mẫu (%)
(mm/s) (°C) (vg/phút) (mm) (mm) (g)
Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu bột trộn PCL
Để nâng cao đặc tính sinh học của khung PCL đặc biệt cho mô xương, một số loại ceramic như tri calxi phophate (TCP) hay hydroxyappite (HA) được sử dụng kết hợp với bột PCL Một loại bột trộn với tỷ lệ PCL (80%) và TCP (20%) được sử dụng để đánh giá khả năng in của đầu bột Bột trộn sau khi cân theo tỷ lệ sẽ được trộn đều và cấp bột trực tiếp vào phễu in tương tự như bột PCL tinh khiết.
Bột trộn PCL-20TCP được in với các thông số cơ bản như sau:
✔ Đầu in kích thước 0.4 mm
✔ Vận tốc trục đùn 13 vòng/phút
✔ Kích thước mẫu in 20mmx20mm.
✔ Khoảng cách đường in 0.8mm.
✔ Tốc độ in thay đổi từ 11mm-15mm
Hình 3.7 mô tả hình chụp trên kính hiển vi của mẫu in PCL và mẫu trộn PCL- TCP dùng đầu in 0.4mm Các hạt ceramic TCP được quan sát trên các đường in.
Hình 3.7 Mẫu in PCL (a) và mẫu in trộn80%PCLPCL-TCP-20%TCP(b)dùng đầu in 0.4mm
Hình 3.8 cho thấy hình ảnh chụp trên kính hiển vi của 2 mẫu in trộn PCL-TCP ở hai tốc độ khác nhau 11mm/s và 15mm/s trong cùng điều kiện nhiệt độ 110°C và tốc độ đùn 13 vòng/phút.
Hình 3.8 Hình ảnh chụp kính hiển vi của mẫu in bột trộn PCL-TCP ở tốc độ in 11mm/s và 15mm/s Ảnh hưởng của tốc độ in tới kích thước của đường in được thể hiện trên Hình 3.9 và Bảng 3.3 Kết quả cho thấy khi trộn bột, độ ổn định kích thước đường in tốt hơn, điều này được giải thích do bột trộn khô hơn, đường in nhanh khô nên ít bị kéo Khi in bột trộn, tốc độ của bàn in cũng được đẩy lên cao hơn khi in bột PCL tinh khiết.
Kết quả cho thấy, đầu in bột có khả năng in không chỉ với bột PCL tinh khiết mà với các bột PCL trộn ceramic với tỷ lệ hợp lý Lượng ceramic trộn vào PCL cho phép cải thiện đặc tính in của nhựa PCL.
Vận tốc bàn in (mm/s)
Hình 3.9 Ảnh hưởng của tốc độ in tới kích thước đường in bột PCL-TCP
Bảng 3.3 Kết quả thực nghiệm ở các vận tốc in khác nhau bột trộn PCL-TCP
TN Tốc độ in Nhiệt độ Tốc độ đùn Kích thước line
(mm/s) (°C) (vg/phút) trung bình (mm)
Kết quả in thử nghiệm với đầu in thiết kế cho thấy hoạt động ổn định với trục vít teflon lõi thép.
Khi tốc độ bàn in tăng thì kích thước đường in giảm và lỗ in to lên Khả năng in của bột trộn ở tỷ lệ 20% tốt hơn so với bột tinh khiết do thời gian khô đường in nhanh hơn. Ởđiều kiện in T0°C, V=6mm/s, and E=8rpm cho kích thước đường in bột PCL tinh khiết gần nhất so với thiết kế 0.3 mm Ở điều kiện in T0°C, Vmm/s, and Erpm cho kích thước đường in bột 80PCL-20TCP gần nhất so với thiết kế 0.4 mm.