Nguyên vật liệu sử dụng

4. Kiến nghị và câu hỏi:

2.1.Nguyên vật liệu sử dụng

2.1.1. Vật liệu sinh học PLA

PLA sử dụng trong thực nghiệm, sợi nhựa PLA CC3D crystal – 175mm của công ty Hangzhou Zhuopu New Materials Technology. PLA có thông số nhiệt độ in trong khoảng 190 – 210oC.

2.1.2. Hóa chất sử dụng

Những hóa chất sử dụng trong toàn bộ quá trình nghiên cứu và thực nghiệm được tham khảo theo nghiên cứu thực nghiệm đã công bố và được áp dụng của Giáo sư Tadashi Kokubo (Chubu University, Japan). Khối lượng và thể tích thể hiện ở Bảng 2.1 dùng để pha dung dịch SBF với thể tích 3 lít. Thể tích C2H5OH dùng trong phương pháp cân thủy tĩnh. Hóa chất sử dụng là hóa chất phân tích có hàm lượng tinh khiết cao.

Bảng 2.1. Hóa chất

STT Tên hóa chất Khối lượng(g)/ thể tích (ml) Nguồn gốc

1 NaCl 24,105 GHTECH 2 NaHCO3 1,065g GHTECH 3 KCl 0,675g GHTECH 4 K2HPO4 0,693g GHTECH 5 MgCl2.6H2O 0,933g GHTECH 6 HCl(1M) 135 ml GHTECH 7 CaCl2 0,876g GHTECH 8 Na2SO4 0,216g GHTECH

9 Tris:NH2C(CH2OH)3 18,354 LOBA CHEMIE

10 C2H5OH 250ml GHTECH

Với khối lượng và thể tích của các hóa chất như trên, chúng tôi có thể pha ra dung dịch SBF có nồng độ ion giống với nồng độ ion của cơ thể người và được kiểm chứng bằng pH của dung dịch là 7,4. Quá trình pha dung dịch được thực hiện trong tủ giữ nhiệt kín tránh tác động từ môi trường bên ngoài và được bảo quản ổn định ở nhiệt độ 4oC.

16

2.2. Thiết bị sử dụng trong thực nghiệm 2.2.1. Máy in – 3D

Trong suốt quá trình khảo sát tính chất vật liệu PLA, chúng tôi sử dụng máy in – 3D FDM POSTECH NINT có hình dạng và kích thước như Hình 2.1, để chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold – mẫu khối đặc (trụ và quả tạ) dùng khảo sát tính chất cơ học và phân hủy của vật liệu PLA.

Hình 2.1. Máy in – 3D FDM POSTECH NINT, Korea.

Máy in – 3D FDM POSTECH NINT các sai số thiết bị cho phép trong khoảng 1 – 3%, đối với máy in – 3D FDM POSTECH NINT có sai số lớn nhất nằm trong khoảng 2,01 – 2,06% điều này thể hiện máy đạt yêu cầu thiết kế. Các thông số kỹ thuật của máy in – 3D được thể hiện trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật máy in 3D FDM – POSTECH NINT

Loại máy POSTECH NINT

Phạm vi tốc độ in 20-80 mm/s

Không gian in 160x160x200 mm

Vật liệu in PLA (đường kính 1,75mm)

Kích thước máy 300x300x400 mm

Độ dày lớp in 0,1 – 0,8

Đường kính vòi phun 0,4mm

17

2.2.2. Máy đo cơ tính

Các kết quả khảo sát về tính chất cơ lí của vật liệu Poly(lactic acid) được thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D638 – D695 trên máy đo cơ tính Shimadzu AGS-X, Nhật Bản ở nhiệt độ phòng với tốc độ thử nghiệm 1 – 5 mm/phút. Các thông số kỹ thuật của máy đo cơ tính shimadzu, Nhật Bản thể hiện ở Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật máy đo cơ tính shimadzu, nhật bản

Loại máy AGS-X

Khả năng chịu tải tối đa 5kN

Các phương pháp đo Kéo(TS), Nén (CS)

Phạm vi tốc độ 0,001 – 1000 mm/phút

Chiều rộng kiểm tra hiệu quả 425 mm

Kích thước máy 653x520x1603 mm

Trọng lượng 85 kg

Loại vật liệu Cao su, nhựa nhiệt dẻo

Các thông số kỹ thuật này phù hợp với các thử nghiệm đo cơ tính của mẫu cấu trúc xốp scaffold – khối đặc (trụ và quả tạ) và đưa ra kết quả thực nghiệm hoàn toàn đúng với những yêu cầu thử nghiệm cơ tính đối với vật liệu Poly(lactic acid).

2.2.3. Máy đo pH

Máy đo pH sử dụng trong thực nghiệm của hãng HANNA có thông số kỹ thuật thể hiện ở Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Thông số máy đo pH

Phạm vi đo pH= -2,00 – 16,00

Độ chính xác Cơ bản: pH= ±0,01; Tiêu chuẩn: pH=±0,002 Khoảng nhiệt độ đo -20,0 – 120,0 oC

Đầu đo Điện cực pH thân kính kỹ thuật số HI-11310 Môi trường hoạt động 0 – 50oC

Kích thướt 2020x140x12 mm

Khối lượng 250g

Máy pH dùng để kiểm soát pH và nhiệt độ dung dịch trong quá trình pha dung dịch SBF và đo pH của dung dịch SBF trước và sau khi khảo sát sự phân hủy của mẫu cấu trúc xốp scaffold theo thời gian. Các thông số kỹ thuật của máy pH phù hợp với các yêu cầu trong quá trình thực nghiệm để đưa ra kết quả cho báo cáo này.

18

2.2.4. Cân kỹ thuật

Cân kỹ thuật 3 số lẻ “0,000” được dùng trong phương pháp cân thủy tĩnh để khảo sát khối lượng khô, khối lượng lỗ xốp của mẫu cấu trúc xốp scaffold thông qua dung môi ethanol. Dùng cân khối lượng hóa chất trong Bảng 2.1 để pha dung dịch SBF. Các thông số kỹ thuật của cân này phù hợp với những thực nghiệm, đưa ra kết quả chính xác trong quá trình cân. Các thông số kỹ thuật của cân thể hiện trong Bảng 2.5.

Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của cân kỹ thuật số 3 số lẻ OHAUS SKX123

Dải cân tối đa 120 gram

Độ chính xác 0,001gram

Sai số 0,001 gram

Tuyến tính ±0,003 gram

Kích thướt đĩa cân 93mm

Thời gian ổn định kết quả 1,5s

2.2.5. Tủ ấm – lắc sinh học

Để tạo ra môi trường khép kín không bị tác động từ môi trường bên ngoài thích hợp cho sự khảo sát phân hủy sinh học của nhựa PLA với dung dịch SBF. Chúng tôi đã sử dụng tủ ấm sinh học có bộ phận gia nhiệt để giữ ổn định môi trường trong khoảng 37±1(oC) và trang bị thêm máy lắc HY-4A CYCLING VIBRATOR để tạo ra môi trường tương tác giống với môi trường cơ thể người. Tủ ấm – lắc sinh học có hình dạng và kích thước ở Hình 2.2.

19 Tủ ấm – lắc sinh học có thông số kỹ thuật được thể hiện ở Bảng 2.6, tủ ấm – lắc sinh học tự thiết kế và chế tạo tại Trung tâm polyme trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh. Các thông số này phù hợp với điều kiện khảo sát phân hủy sinh học trong môi trường in-vitro.

Bảng 2.6. Thông số tủ ấm – lắc sinh học

2.3. Thiết kế chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold và khối đặc 2.3.1. Quy trình thiết kế chế tạo mẫu 2.3.1. Quy trình thiết kế chế tạo mẫu

Quá trình thiết kế mẫu trên phần mềm Solidwork, thiết lập thông số gia công in cho đến hoàn thiện sản phẩm được thể hiện trong Hình 2.3. Quá trình này được thể hiện chi tiết từng bước ở dưới.

Hình 2.3. Quá trình thiết kế chế tạo mẫu trong công nghệ in 3D [9].

 Quá trình thiết kế và chế tạo mẫu được thể hiện rõ bằng các bước sau: Bước 1: Thiết kế mô hình số hóa 3 chiều CAD, nhằm mô tả đầy đủ các hình dạng

bên ngoài. Công việc đòi hỏi sử dụng hầu hết các phần mềm thiết kế Solidworks, với đầu ra là dạng thiết kế vật thể 3D rắn hoặc bề mặt đại diện.

Bước 2: Chuyển sang định dạng .STL, các thiết bị công nghệ in 3D đều chấp nhận

các định dạng tập tin .STL như một tiêu chuẩn chung, và mọi hệ thống CAD đều có thể xuất ra tập tin định dạng này. Tập tin .STL thể hiện các bề mặt ngoài của mô hình CAD gốc và là cơ sở để tính toán các lát cắt vật liệu.

Tần số lắc 0-360 vòng/phút

Phạm vi rung 20mm

Hẹn giờ 0-120 phút

Kích thước khu vực để mẫu 440x260mm Phạm vi nhiệt độ 25-40 oC

20

Bước 3: Chuyển file thiết kế để phần mềm cắt lớp tính toán dựa trên yêu cầu cụ

thể, điều chỉnh thông số mô hình, xác lập kết nối máy tính với máy in 3D. Các tập tin .STL mô tả phần thông tin vật thể được chuyển sang máy in gia công, do đó cần thiết điều chỉnh thông số của các tập tin như kích thước, vị trí, định hướng cho tiến trình in.

Bước 4: Thiết lập thông số máy in và quy trình in. Máy in cần phải được thiết lập

đúng cách trước khi bắt đầu quy trình, thiết lập đó sẽ liên quan đến các thông số quy trình in như những hạn chế về vật liệu, nguồn điện, độ dày lớp, thời gian, độ đặc, lớp vật liệu đỡ, v.v…

Bước 5: Gia công in. Đây là một quá trình tự động và máy tính phần lớn có thể

thực hiện mà không cần kiểm tra chặt chẽ. Chỉ cần giám sát tổng thể vào thời điểm này để đảm bảo không có lỗi đã xảy ra như dư vật liệu, điện năng hoặc phần mềm không ổn định, v.v...

Bước 6: Lấy sản phẩm. Sau khi hoàn thành gia công, sản phẩm được tách đế ra

khỏi máy in. Trước khi thao tác, cần đảm bảo máy dừng hoạt động và đưa về nhiệt độ phòng.

Bước 7: Hoàn thiện sản phẩm. Sau khi tháo sản phẩm khỏi máy, trước khi sẵn sàng

sử dụng cần quá trình vệ sinh hoàn thiện sản phẩm. Đó là các phần hỗ trợ chi tiết (supporting parts) cần được cắt bỏ, hoặc các chi tiết rời cần được lắp ráp với nhau, trong gian đoạn này dễ bị hư hỏng nếu không cẩn thận. Do đó, quá trình thao tác đòi hỏi sự tỉ mỉ và thời gian, kinh nghiệm thao tác của người làm.

Bước 8: Trước khi đưa vào sử dụng thực tế, tùy yêu cầu cụ thể mà người ta cần

phải xử lý thêm cho mục đích dùng. Chẳng hạn nó có thể được quét lớp lót và sơn phủ bề mặt để đạt yêu cầu sử dụng bên ngoài, hoặc được lắp ráp thêm các thành phần cơ khí hoặc điện tử.[9]

2.3.2. Thiết kế hình dạng kích thước mẫu cấu trúc và khối đặc

 Mẫu cấu trúc xốp scaffold:

Để khảo sát tính chất cơ học – phân hủy của vật liệu PLA, chúng tôi đã chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold có hình dạng hình hộp chữ nhật để kiểm đồ bền của sợi nhựa theo phương X – Y. Các sợi nhựa theo phương X sẽ ít hơn phương Y để thể hiện rõ hơn đồ bền nén theo 2 phương, còn phương Z là phương các lớp nhựa sắp xếp lên nhau để tạo khối hình hộp chữ nhật. Từ đó, chúng tôi đã thiết kế mẫu cấu trúc xốp scaffold có kích thước 20×15×5 mm (L×W×H) trên phần mềm Solidworks. Mô hình được minh họa ở Hình 2.4.

21

Hình 2.4. Mô hình mẫu cấu trúc scaffold được thiết kế bằng phần mềm Solidworks

[42].

Từ mô hình thiết kế trên phần mềm Solidworks, chúng tôi đã chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold thông qua phần mềm trung gian “Slic3r” bằng kỹ thuật in – 3D FDM. Kích thước chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold trên thực tế có sự chệch lệch với mô hình thiết kế được thể hiện ở Bảng 2.7. Trong quá trình tạo mẫu bằng công nghệ in – 3D chúng tôi xác định lại kích thước thực tế sau khi tạo mẫu, các giá trị đo xác định sự giản nở của nhựa nhiệt dẻo sau gia công chỉ tương ứng với từng sợi nhựa (được xác định qua thực nghiệm với kính hiển vi quang học).

Bảng 2.7. Kích thước mẫu scaffold được tạo bằng kỹ thuật in – 3D FDM

Kích thước mẫu cấu trúc xốp scaffold được tạo bằng kỹ thuật in – 3D FDM so với kích thước mô hình thiết kế bằng phần mềm Solidworks có sự chêch lệch nhưng trong phạm vi cho phép.

 Mẫu quả tạ theo ASTM D638:

Trong khảo sát tính chất cơ học của vật liệu PLA, chúng tôi đã thiết kế mẫu quả tả đặc theo ASTM D638 để kiểm tra độ bền kéo và mô đun đàn hồi của vật liệu PLA. Kích

Kích thước(mm) Nhiệt độ (oC) L(mm) W(mm) H(mm) 190 20,33 (±0,04) 15,45 (±0,03) 5,38 (±0,02) 200 20,34 (±0,03) 15,42 (±0,03) 5,37 (±0,03) 210 20,32 (±0,04) 15,42 (±0,04) 5,37 (±0,03)

22 thước mẫu cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM D638 được thiết kế trên phần mềm CAD: 115×19×3,2 mm (L×W×T) được thể hiện ở Hính 2.5.

Hình 2.5. Mô hình mẫu quả tạ.

Với kích thước thiết kế trên phần mềm 115×19×3,2 mm, sau khi chế tạo bằng kỹ thuật in-3D với thông số nhiệt độ 210oC thì kích thước của mẫu quả tạ có sự chêch lệch so với thiết kế được thể hiện ở Bảng 2.8.

Bảng 2.8. Kích thước vùng đo mẫu quả tạ

Nhìn chung, kích thước mẫu quả tạ được tạo bằng kỹ thuật in – 3D FDM với thông số nhiệt độ 210oC so với thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM D638 có sự chêch lệch nhưng vẫn có thể cho phép.

 Mẫu khối trụ đặc theo ASTM D695:

Trong nghiên cứu và khảo sát tính chất cơ học, việc chế tạo mẫu khối đặc sẽ giúp chúng tôi kiểm tra được độ bền nén của vật liệu PLA theo định hướng xếp từng lớp nhựa.

Kích thước mẫu khối đặc theo ASTM D695 được thiết kế trên phần mềm CAD:

50,8×12,7×12,7 mm.

Với việc chế tạo bằng kỹ thuật in-3D với thông số nhiệt độ 210oC, kích thước mẫu quả tạ có sự chêch lệch với mẫu thiết kế trên phần mềm Solidworks được thể hiện ở

Bảng 2.9.

Thông số (mm) Thực tế Thiết kế

Bề rộng (W0) 13,59±0,03 13

Bề dày(T) 3,62±0,01 3,2

23

Bảng 2.9. Kích thước mẫu khối trụ đặc thực tế

Thông số kích thước (mm) Thực tế Thiết kế

Chiều cao (h) 51,17 ± 0,10 50,80

Chiều dài (a) 13,06 ± 0,05 12,70

Chiều rộng (b) 13,10 ± 0,04 12,70

Kích thước mẫu khối trụ đặc được tạo bằng kỹ thuật in – 3D so với thiết kế có sự chệch lệch không đáng kể.

Tóm lại, từ những thiết kế trên phần mềm Solidworks đến việc tạo mẫu bằng kỹ thuật in – 3D có chệch lệch về kích thước. Các kích thước thực tế có sai lệch nhưng không đáng kể, nên việc chế tạo bằng kỹ thuật in-3D vẫn có thể chấp nhận để khảo sát.

2.4. Nội dung và phương pháp khảo sát

Các kết quả cơ tính được tính toán theo tiêu chuẩn ASTM D695 – D638: - Ứng suất (độ bền): 𝜎 =𝐹

𝐴(𝑀𝑃𝑎 ℎ𝑎𝑦 𝑁

𝑚𝑚2). + F(N): Lực tác dụng lên bề mặt diện tích. + A(mm2): diện tích bề mặt được áp dụng lực.

+ ∆𝐿= Lx – L0: độ dãn dài khi đứt ( L0: chiều dài ban đầu của đoạn hẹp giữa mẫu dành cho mẫu kéo; Lx: Chiều dài ngay khi đứt dành cho mẫu kéo).

- Mô đun đàn hồi: 𝐸 =𝜎

𝜀 =𝐹𝐿0

𝐴∆𝐿 (Mpa) ( Theo định luật hooke’s) - Độ lệch chuẩn: 𝛿 = √∑(𝑋−𝑋̅)2

(𝑛−1) - Trong đó:

+ 𝛿: độ lệch chuẩn (sai số) + X: Các giá trị số liệu + 𝑋̅: Trung bình của số liệu + n: số lần đo

 Số lượng mẫu khảo sát tính chất vật liệu PLA

Dựa vào những bài báo khảo sát về tính chất cơ học – phân hủy sinh học của vật liệu PLA, nên chúng tôi đã thiết lập được số lượng mẫu khảo sát trong bài báo cáo này. Mẫu cấu trúc xốp scaffold giúp chúng ta khảo sát được tính chất cơ học của vật liệu PLA theo hai phương, sự phân hủy trong môi trường giả dịch thể người (SBF) theo thời gian. Mẫu đặc sẽ giúp chúng tôi khảo sát được ứng suất kéo – nén, đối với mẫu khối trụ

24 sẽ bổ sung ứng suất nén theo phương Z cho vật liệu PLA, mẫu quả tạ thì sẽ khảo sát ứng suất kéo và mô đun đàn hồi của vật liệu PLA. Số lượng mẫu được thể hiện ở Bảng 2.10.

Bảng 2.10. Số lượng mẫu khảo sát tính chất vật liệu PLA

2.4.1. Khảo sát tính chất cơ học

Trong bài báo cáo này, các phương pháp thử nghiệm này được thiết lập để tạo ra dữ liệu ứng suất nén của vật liệu PLA. Những dữ liệu này cũng hữu ích cho các định tính về các nghiên cứu và phát triển sau này. Ứng suất nén có thể thay đổi khi chuẩn bị mẫu với tốc độ và môi trường thử nghiệm. Do đó, khi muốn có kết quả so sánh chính xác, các yếu tố này phải được kiểm soát cẩn thận trước khi đưa vào thực hiện. Đối với các mục đích trọng điểm hoặc so sánh trong bất kỳ loạt mẫu nhất định, phải cẩn thận để đảm bảo mức độ đồng nhất tối đa trong các chi tiết về chuẩn bị, xử lý và gia công. Với phần đặt vấn đề ở trên, chúng tôi đã giải quyết nó bằng cách khảo sát ứng suất nén và ứng suất kéo của mẫu khối đặc ( khối trụ - quả tạ). Chúng tôi chỉ khảo sát ở một chế độ thông số nhiệt gia công 210oC và các chế độ vận tốc 40 – 60mm/s để kiểm tra thông số vận tốc có ảnh hưởng đến tính chất vật liệu hay không, trước khi khảo sát theo thông số