Nghiên cứu thiết kế điều khiển đầu in bột cho máy in 3d khung hỗ trợ trong ứng dụng công nghệ mô sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế, điều khiển đầu in bột cho máy in 3D khung hỗ trợ ứng dụng cơng nghệ mơ sinh học BÙI HUY HỒNG HoangBH202738M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Trường: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 10/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Bùi Huy Hoàng Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế, điều khiển đầu in bột cho máy in 3D khung hỗ trợ ứng dụng công nghệ mô sinh học Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số SV: 20202738M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng với nội dung sau: • Biên soạn lại lỗi soạn thảo, lỗi tả luận văn • Chỉnh sửa kết luận chương trang 12, kết luận chương trang 44 kết luận chung trang 45 • Bổ sung trích dẫn trang 46 Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Biểu mẫu Đề tài/Luận văn tốt nghiệp theo qui định Viện, nhiên cần đảm bảo giáo viên giao đề tài ký ghi rõ họ tên Trường hợp có giáo viên hướng dẫn ký tên Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Để hồn thành luận văn thạc sĩ mình, bên cạnh cố gắng thân, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy viện Cơ khí, mơn Kỹ thuật Cơ điện tử nói riêng trường đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung Và đặc biệt TS Nguyễn Kiên Trung Cảm ơn thầy dạy hướng dẫn tơi vơ tận tình, giúp tơi hồn thành luận văn cách hồn thiện nhất! Tiếp theo, tơi xin cảm ơn TS Phùng Xuân Lan tập thể IMS Lab đồng hành hỗ trợ nhiều trình thực đề tài Tơi cám ơn ban lãnh đạo công ty FPT Software tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ đổi sáng tạo Vingroup (VINIF) tài trợ cho dự án VINIF.2020.DA13 có kinh phí để thực nghiên cứu khn khổ luận văn Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài hạn chế kiến thức, tiểu luận chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy/Cơ để tiểu luận hồn thiện Lời cuối cùng, em xin kính chúc Thầy/Cơ nhiều sức khỏe, thành cơng hạnh phúc Tóm tắt nội dung luận văn Công nghệ in 3D phát triển sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp, đời sống sản xuất, xây dựng y tế không sản phẩm mẫu mà sản phẩm sử dụng cuối Trong hai thập niên trở lại đây, công nghệ in 3D áp dụng nhiều công nghệ mô để tạo mô kỹ thuật mô xương, da, sụn thay phận bị hư hỏng hay khiếm khuyết người Để tạo mô kỹ thuật khung hỗ trợ thành phần quan trọng để tạo hình dạng mơ, định hướng cho tế bào phát triển hình thành mơ Chất lượng khung hỗ trợ có ảnh hưởng lớn đến phát triển tế bào Phương pháp FDM sử dụng dây nhựa sử dụng rộng rãi với vật liệu in nhiệt dẻo có hạn chế kết hợp nhiều loại vật liệu khác Do vậy, phương pháp in dây không phù hợp với việc tạo khung in hỗ trợ Phương pháp in FDM sở vật liệu dang bột đề xuất cho phép trực tiếp tạo mẫu in từ hỗn hợp vật liệu dạng bột, từ mở rộng phạm vi sử dụng nhiều loại vật liệu khác Luận văn nghiên cứu thiết kế điều khiển đầu in bột cho máy in 3D để in khung hỗ trợ với tiêu yêu cầu công việc nuôi cấy mô Thông qua khảo sát yếu tố đặc trưng cho khung hỗ trợ, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng số tham số điều khiển đến khả hoạt đông hệ thống MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .1 1.1 Cơng nghệ mơ kỹ thuật .1 1.2 Khung hỗ trợ công nghệ mô sinh học 1.2.1 Vai trò khung hỗ trợ 1.2.2 Đặc tính khung hỗ trợ 1.3 Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ in 3D 1.3.1 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA 1.3.2 Phương pháp tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling) 1.3.3 Phương pháp in 3D đùn bột trực tiếp (Direct powder extrusion 3D printing) 1.3.4 Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS (Selective Laser Sintering) 1.3.5 1.4 Phương pháp đùn mực trực tiếp DIW (Direct Ink Writing) Tổng quan đầu in 3D từ vật liệu dạng bột/hạt .9 1.4.1 Kết cấu cụm đầu in 1.4.2 Kết cấu trục đùn 10 1.4.3 Vật liệu PCL 11 a Kết luận chương 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU IN BỘT 13 2.1 Thiết kế đầu in bột 13 2.1.1 Thiết kế kết cấu trục đùn 13 a) Thông số kỹ thuật trục đùn 13 b) Số đầu mối ren: 13 c) Bề dày cánh vít: 14 d) Chiều dài vùng trục vít: 14 e) Chiều sâu rãnh vít khe hở trục vít: 14 2.1.2 Đầu phun 15 2.1.3 Giá đỡ 16 2.1.4 Vỏ trục đùn 16 2.2 2.3 2.4 2.1.5 2.1.6 Phễu cấp liệu 16 Động 17 2.1.7 Bản vẽ lắp 3D 18 Mô nhiệt cho đầu in bột FEM 19 2.2.1 Mô tả chung 19 2.2.2 Thông số mô 19 2.2.3 Tính tốn q trình đùn vật liệu 20 2.2.4 Kết mô 22 Chế tạo đầu in bột điều khiển trục đùn bột 28 2.3.1 Cụm đầu bột 28 2.3.2 Điều khiển đầu đùn bột 29 Giao diện điều khiển 31 2.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python QT-Designer 31 2.4.2 Xây dựng giao diện điều khiển phần mềm 33 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ IN TỚI CHẤT LƯỢNG MẪU IN 36 3.1 Các tiêu đánh giá khung in 36 3.2 Đánh giá ảnh hưởng truyền nhiệt đầu in bột thiết kế 36 3.3 Đánh giá ảnh hưởng kích thước in bột PCL 37 3.4 Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu PCL 38 3.5 Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu bột trộn PCL 40 CHƯƠNG KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quy trình áp dụng cơng nghệ mơ vào cấy ghép tạng Hình 1.2- Các thành phần cơng nghệ mơ Hình 1.3- Khung hỗ trợ thành phần Hình 1.4 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA [4] Hình 1.5 Phương pháp tạo mẫu FDM [4] Hình 1.6 Phương pháp đùn bột trực tiếp Hình 1.7 Phương pháp thêu kết laser chọn lọc SLS [4] Hình 1.8 Phương pháp đùn trực tiếp DIW Hình 1.9 Một số kết cấu đầu in bột/hạt thiết kế tác giả (a) Annoni, (b) Canessa; (c) Liu; (d) Khondoker Sameoto [5] 10 10 Hình 1.10 Cấu tạo trực đùn nhựa Hình 1.11 Bột nhựa PCL 11 Hình 2.1 Thơng số kĩ thuật trục đùn nhựa 13 Hình 2.2 Thiết kế trục đùn nhựa 15 Hình 2.3 Đầu phun máy in 3D 15 Hình 2.4 Thiết kế gá đỡ 16 Hình 2.5 Thiết kế vỏ trục đùn 16 Hình 2.6 Thiết kế phễu cấp liệu 17 Hình 2.7 Động bước 42HS L48 17 Hình 2.8 Cụm đùn nhựa lắp ráp 18 Hình 2.9 Sơ đồ lắp cụm đùn bột 18 Hình 2.10 Mơ hình mơ nhiệt 20 Hình 2.11 Kết mơ nhiệt 23 Hình 2.12 Cấu hình nhiệt độ sáu điểm theo chiều dài trục vít với hai mơ 24 hình vật liệu Hình 2.13 Các cấu hình nhiệt độ điểm P1 P2 a) Mơ hình Teflon 25 b) Mơ hình nhơm với cài đặt nhiệt độ cảm biến 95 ℃ -105 ℃ Hình 2.14 Các cấu hình nhiệt độ điểm P1 P2 a) Mơ hình Teflon 27 b) Mơ hình nhơm với cài đặt nhiệt độ cảm biến 115 ℃ ÷ 125 ℃ 28 Hình 2.15 Cấu hình nhiệt độ điểm P3 có khơng có vịng chữ O Hình 2.16 Kết cấu cụm đầu đùn 28 Hình 2.17 Kết cấu cụm trục đùn 29 Hình 2.18 Cụm đầu in bột thực tế chế tạo 29 Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển 31 Hình 2.20 Giao diện điều khiển máy Hình 2.21 Giao diện chuyển đổi G-code 33 34 Hình 3.1 Thơng số hình học khung in 36 Hình 3.2 Các vùng vật liệu trục vít 37 Hình 3.3 Các vùng phân tích mẫu in 38 Hình 3.4 Kích thước đường in lỗ điều kiện in khác 38 Hình 3.5 Ảnh hưởng vận tốc bàn in đến độ xác mẫu in 39 Hình 3.6 Phân bố kích thước đường in lỗ tốc độ khác 39 Hình 3.7 Mẫu in PCL (a) mẫu in trộn PCL-TCP (b) dùng đầu in 0.4mm 40 Hình 3.8 Hình ảnh chụp kính hiển vi mẫu in bột trộn PCL-TCP tốc độ in 11mm/s 15mm/s 41 Hình 3.9 Ảnh hưởng tốc độ in tới kích thước đường in bột PCL-TCP 41