Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khớp cổ chân là một trong những khớp phức tạp và quan trọng nhất trên cơ thể con người, chịu trách nhiệm nâng đỡ toàn bộ trọng lượng cơ thể và bảo đảm hoạt động di chuyển. Các tổn thương hoặc bệnh lý liên quan đến khớp cổ chân gây nhiều đau đớn và suy giảm khả năng vận động của người bệnh, dẫn đến nhu cầu cấp thiết về các mô hình giá đỡ và bộ phận giải phẫu phục vụ chẩn đoán, đào tạo và định hướng phẫu thuật chỉnh hình.

Công nghệ in 3D hay Tạo mẫu nhanh (TMN - Rapid Prototyping) trên thế giới đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng sâu rộng trong y sinh, từ việc tạo mô hình giải phẫu dựa trên hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT scan), cộng hưởng từ (MRI) đến in các cấu trúc xương nhân tạo và giá thể nuôi cấy tế bào. Tại Việt Nam, việc ứng dụng in 3D trong kỹ thuật sinh học và y tế còn nhiều hạn chế, dù đã có những bước tiến ban đầu như việc chế tạo thành công giá thể sinh học Polycaprolacton (PCL) của Viện Cơ học và Tin học ứng dụng phối hợp cùng Viện Tế bào gốc. Đa số các dòng máy in 3D thương mại hiện hành chưa tối ưu hóa tốt về mặt kết cấu truyền động để phục vụ tạo mẫu y sinh với độ chính xác cao và giá thành hợp lý.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân" (Mã số đề tài: SV2020-95) được nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Chất lượng cao, ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Thiết kế hoàn chỉnh bản vẽ kỹ thuật và chế tạo phần cứng cơ khí cho máy in 3D FDM.
  2. Mô hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm SolidWorks, thực hiện mô phỏng chuyển động, tính toán kết cấu và tối ưu hóa thiết kế máy in.
  3. Gia công chi tiết, lắp ráp, đấu nối hệ thống điện - điều khiển và kiểm nghiệm hoạt động toàn hệ thống thông qua vận hành thực nghiệm.
  4. Chế tạo thành công mẫu in 3D mô hình khớp cổ chân bảo đảm yêu cầu hình học và độ chính xác.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống máy in 3D công nghệ FDM sử dụng cơ cấu truyền động vít me – đai ốc trên 3 trục và quy trình in tạo hình khớp cổ chân. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát công nghệ in 3D, thiết kế cơ cấu truyền động cơ khí, tính toán lựa chọn phần cứng điện tử - vi điều khiển, ứng dụng các phần mềm CAM và thiết lập thông số công nghệ đùn sợi nhựa nóng chảy.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết về công nghệ Tạo mẫu nhanh (TMN) và nguyên lý cơ điện tử:

  • Tổng quan công nghệ Tạo mẫu nhanh (TMN): Bản chất của TMN là phương pháp chế tạo bồi đắp (Layered Manufacturing), xây dựng vật thể 3D từ các lớp vật liệu mỏng xếp chồng lên nhau dưới sự điều khiển của máy tính. Lịch sử TMN trải qua 3 giai đoạn: tạo mẫu thủ công bằng tay, tạo mẫu ảo qua hệ thống CAD/CAE/CAM (từ giữa thập niên 70), và giai đoạn tạo mẫu nhanh tự động bằng các công nghệ hóa rắn/bồi đắp (bắt đầu từ năm 1988).
  • Các công nghệ in 3D cơ bản:
    • SLA (Stereolithography): Sử dụng tia laser làm đông cứng nhựa quang hóa (photopolymer) dạng lỏng theo từng lớp, dung sai đạt khoảng 0,0125 mm, bề mặt bóng nhưng chi phí thiết bị và vật liệu cao.
    • LOM (Laminated Object Manufacturing): Cắt và dán ép các tấm vật liệu (giấy, màng nhựa) bằng laser và con lăn nhiệt, tốc độ cao nhưng độ bóng bề mặt hạn chế và dễ cong vênh.
    • FDM (Fused Deposition Modeling): Kỹ thuật làm nóng chảy sợi nhựa nhiệt dẻo qua đầu đùn nhiệt và xếp chồng theo biên dạng định sẵn; ưu điểm là chi phí thấp, kết cấu đơn giản, vật liệu phổ biến, độ chính xác tốt hơn 0,1 mm.
  • Lý thuyết cơ cấu truyền động và dẫn hướng:
    • Động cơ bước (Step Motor): Khảo sát động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ biến từ trở và động cơ bước 2 pha (đơn cực và lưỡng cực). Nguyên lý điều khiển băm xung dòng điện giúp duy trì mô-men xoắn ở tốc độ cao, hạn chế sinh nhiệt.
    • Bộ truyền vít me - đai ốc: So sánh cơ cấu vít me - đai ốc trượt (ren hình thang góc $30^\circ$, ren vuông có khả năng tự hãm) và cơ cấu vít me - đai ốc bi (hiệu suất truyền động 90 - 95%, ma sát lăn, độ cứng vững cao, khử khe hở bằng đai ốc kép).
    • Cơ cấu dẫn hướng và truyền động phụ trợ: Ray trượt dẫn hướng tuyến tính (yêu cầu độ cứng bề mặt, khả năng chịu mòn, bôi trơn và chắn bụi) và bộ truyền động đai răng.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Phân tích nguyên lý các dòng máy in 3D trên thị trường (Prusa i3, Delta Kossel, Autodesk Ember), tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết kế máy, điều khiển số và công nghệ vật liệu polymer.
    • Phương pháp phân tích thực nghiệm: Dùng phần mềm SolidWorks để mô phỏng động học; gia công chế tạo thực tế, chạy thử nghiệm in mẫu, ghi nhận lỗi sai hỏng (tách lớp, nghẹt nhựa, cong vênh) để tinh chỉnh cấu hình phần cứng và phần mềm.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số kích thước cơ khí, catalogue động cơ bước 42HD6201-03, mạch điều khiển MKS GEN V1.0, driver LV8729, phần mềm mã nguồn mở Arduino IDE, phần mềm cắt lớp Cura và Repetier-Host.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

So sánh và lựa chọn phương án thiết kế kết cấu

Để xác định phương án chế tạo máy in 3D khớp cổ chân, nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh hai phương án kết cấu truyền động:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Cartesian XZ (Vít me - đai ốc) Phương án 2: Delta (Bộ truyền đai)
Nguyên lý chuyển động Bàn in di chuyển theo trục Y; cụm đầu phun di chuyển theo trục X và nâng hạ trục Z. 3 cánh tay đòn di chuyển đồng thời trên 3 trục đứng để định vị đầu đùn.
Đặc tính cơ học Độ cứng vững cao, chống rung tốt, bề mặt in mịn, tỷ số truyền ổn định. Khối lượng chuyển động nhẹ, quán tính nhỏ, tốc độ in cao.
Độ chính xác Cao, chuyển động tịnh tiến chính xác nhờ vít me trên cả 3 trục. Khá cao nhưng phụ thuộc vào độ căng đai và hiệu chỉnh khớp cầu.
Độ phức tạp gia công/cân chỉnh Kết cấu đơn giản, dễ lắp ráp, dễ căn chỉnh mặt phẳng bàn in. Kết cấu phức tạp, khó cân chỉnh bàn in, đòi hỏi thuật toán điều khiển phi tuyến.
Giá thành và không gian Chi phí hợp lý, kích thước máy gọn so với vùng in. Khổ máy cồng kềnh, chiếm nhiều không gian theo phương đứng.

Nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn Phương án 1 (Cartesian XZ dùng vít me - đai ốc cho cả 3 trục) nhằm bảo đảm độ cứng vững, độ chính xác định vị và giảm thiểu rung động khi gia công chi tiết phức tạp như khớp cổ chân.

       [ Cụm Trục X & Đầu Phun ]
       [ Trục Y: Bàn In Di Trượt ]

Thiết kế chi tiết cơ khí

  • Khung thân máy: Kết cấu khung sử dụng nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$. Quy trình gia công phôi nhôm được cắt bằng máy cưa tay với dung sai 2 - 3 mm, sau đó đưa lên máy phay CNC để phay phẳng hai đầu nhằm bảo đảm kích thước chiều dài và độ vuông góc khi lắp ghép. Khung liên kết bằng ke góc nhôm đúc, con trượt rãnh T và bu lông lục giác chìm. Đế máy gắn 4 chân cao su triệt tiêu rung chấn.
  • Hệ thống truyền động 3 trục: Cả 3 trục X, Y, Z đều sử dụng trục vít me - đai ốc kết hợp ray trượt dẫn hướng. Động cơ bước được nối với trục vít me qua khớp nối mềm hợp kim nhôm nhằm khử sai lệch tâm.
  • Cụm đùn và nung chảy sợi nhựa: Gồm bộ tời nhựa sử dụng bánh răng kẹp kéo sợi nhựa liên tục và cụm đầu đùn gia nhiệt tích hợp khối tản nhiệt nhôm, ống lót cách nhiệt, thanh điện trở nhiệt 12V/40W và cảm biến nhiệt điện trở NTC 100k.

Thiết kế hệ thống điện và cấu hình điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch MKS GEN V1.0 (tích hợp vi điều khiển ATmega2560 tương thích mã nguồn mở Marlin). Bo mạch được nạp chương trình điều khiển thông qua phần mềm Arduino IDE.
  • Mạch điều khiển động cơ (Driver): Lựa chọn Driver LV8729 thay cho Driver A4988. Driver LV8729 hỗ trợ chế độ vi bước (microstepping) cao hơn, tản nhiệt tốt hơn và giúp động cơ vận hành êm ái, giảm tiếng ồn.
  • Động cơ chấp hành: Sử dụng động cơ bước 2 pha mã hiệu 42HD6201-03 cho các trục tọa độ và cụm tời nhựa.
  • Hệ thống cấp nguồn & giao tiếp: Nguồn tổ ong / nguồn xung Liteon chuyển đổi điện áp 220VAC sang 12VDC/24VDC; màn hình LCD tích hợp núm xoay điều khiển và khe cắm thẻ nhớ SD cho phép in trực tiếp không cần kết nối máy tính liên tục; các công tắc hành trình cơ học xác định gốc tọa độ (Home).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu giá đỡ khớp cổ chân trong y khoa; khảo sát tình hình nghiên cứu máy in 3D trong nước và quốc tế; xác định ý nghĩa khoa học, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu cùng phương pháp tiếp cận thu thập tài liệu và phân tích thực nghiệm.

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Chương 2 trình bày tổng quan về công nghệ Tạo mẫu nhanh (TMN). Phân tích lịch sử 3 thời kỳ phát triển từ tạo mẫu thủ công, tạo mẫu ảo đến tạo mẫu bồi đắp. Đi sâu vào nguyên lý, ưu - nhược điểm của 3 công nghệ: SLA, LOM, FDM; đồng thời tổng kết 4 nhóm ứng dụng tiêu biểu của TMN: phát triển sản phẩm mới, kiểm tra chức năng làm việc, tạo khuôn nhanh và ứng dụng trong y sinh học.

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 khảo sát các mẫu máy in 3D đại diện trên thị trường gồm Prusa i3, Delta Kossel và máy in SLA Autodesk Ember. Phân tích chi tiết 4 phân hệ chính của máy in 3D: phân hệ cơ khí, phân hệ điện/điều khiển, bộ đùn nhựa và phần mềm CAD/CAM. Khảo sát nguyên lý vận hành của các loại động cơ bước, phương pháp điều khiển băm xung dòng điện, đặc tính động học của bộ truyền vít me – đai ốc (trượt và bi), ray trượt dẫn hướng và bộ truyền đai.

CHƯƠNG 4. PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Chương 4 xác định các thông số kỹ thuật mục tiêu của máy in. So sánh kỹ thuật và kinh tế giữa hai phương án kết cấu máy (Cartesian XZ dùng vít me vs. Delta dùng đai răng), từ đó chọn phương án Cartesian XZ. Thiết lập trình tự triển khai từ thiết kế tính toán, gia công cơ khí đến tích hợp phần điện.

CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình tính toán thiết kế khung vỏ bằng nhôm định hình; tính toán tải trọng, mô-men và chọn thông số bộ truyền vít me - đai ốc cho các trục X, Y, Z; tính chọn công suất động cơ bước 42HD6201-03; thiết kế bộ tời và đầu phun gia nhiệt; xây dựng sơ đồ khối mạch điện, cấu hình bo mạch MKS GEN V1.0, driver LV8729, màn hình LCD; thiết lập thông số phần mềm cắt lớp Cura (thông số cơ bản, nâng cao, rút nhựa Retraction, tạo giá đỡ Support).

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ

Chương 6 tổng kết quy trình lắp ráp hoàn chỉnh máy in, quy trình thao tác vận hành chuẩn, phân tích nguyên nhân và giải pháp cho các lỗi thường gặp trong quá trình in thực tế, đồng thời đề xuất các hướng phát triển nâng cấp thiết bị.


Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo hệ thống máy in 3D FDM dạng Cartesian XZ và in tạo hình thành công mô hình khớp cổ chân. Thông số kỹ thuật thực tế của thiết bị được tổng hợp như sau:

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế / Thực nghiệm
Không gian in tối đa ($X \times Y \times Z$) $250 \times 180 \times 200\text{ mm}$
Kết cấu truyền động Vít me – đai ốc trên cả 3 trục X, Y, Z
Vật liệu khung máy Nhôm định hình $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$
Tốc độ in danh định $40 - 60\text{ mm/s}$
Tốc độ in tối đa $65\text{ mm/s}$
Mạch điều khiển trung tâm MKS GEN V1.0 (Arduino IDE / Marlin Firmware)
Mạch lái động cơ bước Driver LV8729
Động cơ chấp hành Động cơ bước 42HD6201-03
Giao diện điều khiển Màn hình LCD điều khiển độc lập kèm đọc thẻ SD
Phần mềm xử lý CAM Cura / Repetier-Host

Xử lý khuyết tật in trong thực nghiệm

Trong quá trình vận hành thực nghiệm in mẫu khớp cổ chân, nhóm tác giả đã nhận diện và đưa ra giải pháp khắc phục cho 4 dạng lỗi công nghệ phổ biến:

  • Nghẹt đầu đùn (Clogged Nozzle): Xảy ra khi nhiệt độ gia nhiệt chưa đạt điểm nóng chảy của nhựa hoặc có dị vật/muội than trong ống dẫn. Giải pháp: Tăng nhiệt độ nung chảy, vệ sinh đầu đùn bằng kim thông chuyên dụng và kiểm tra quạt tản nhiệt khối nhôm làm mát.
  • Nhựa không bám dính bàn in (Bed Adhesion Failure): Lớp nhựa đầu tiên bong tróc làm hỏng toàn bộ chi tiết. Giải pháp: Cân chỉnh lại độ phẳng của bàn in theo 4 góc, điều chỉnh khoảng cách giữa đầu phun và bàn in bằng chiều dày một lớp giấy, bôi keo dính chuyên dụng lên bề mặt bàn.
  • Hiện tượng kéo sợi (Stringing): Sợi nhựa thừa vương vãi trên đường di chuyển không in của đầu phun. Giải pháp: Thiết lập lại thông số rút nhựa (Retraction distance và Retraction speed) trên phần mềm Cura.
  • Cong vênh chi tiết (Warping): Các góc của mẫu in bị co rút và cong lên do chênh lệch nhiệt độ. Giải pháp: Sử dụng bàn nhiệt, che chắn tránh gió lùa và cài đặt in thêm viền phụ (Brim/Raft) để tăng diện tích tiếp xúc.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất và hiện thực hóa kết cấu máy in FDM sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc đồng bộ cho cả 3 trục tọa độ, nâng cao độ cứng vững và giảm thiểu sai lệch bước so với hệ truyền động đai thông thường.
  • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ khép kín từ mô hình hóa CAD trên SolidWorks, xuất mã G-code qua Cura đến vận hành in thực tế tạo mẫu chi tiết giải phẫu y sinh phức tạp (khớp cổ chân).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Cơ cấu truyền động bằng trục vít me trên cả 3 trục tuy bảo đảm độ chính xác và độ cứng vững nhưng làm giảm gia tốc và giới hạn tốc độ di chuyển tối đa của đầu phun so với các kết cấu dùng dây đai.
  • Việc bàn in phải tịnh tiến dọc theo trục Y vẫn có nguy cơ gây rung lắc nhẹ cho các mẫu in có chiều cao lớn khi in ở tốc độ cao.
  • Quy trình gia công khung nhôm định hình ban đầu dùng cưa tay cần qua khâu phay CNC phụ trợ để bảo đảm độ phẳng và độ vuông góc.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu nâng cấp cơ cấu vít me - đai ốc trượt sang hệ thống vít me - đai ốc bi khử rơ chuyên dụng để tăng độ bền và giảm ma sát.
  • Tích hợp cảm biến cân bàn tự động (Auto Bed Leveling) để tối ưu hóa thời gian chuẩn bị trước khi in.
  • Nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu in sinh học có khả năng tự phân hủy hoặc tương thích sinh học cao (như PCL, PLA y tế) phục vụ trực tiếp cho cấy ghép và nuôi cấy mô.

Giá trị tham khảo

Báo cáo nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán, lựa chọn linh kiện, gia công khung vỏ và ghép nối hệ thống cơ - điện tử cho máy CNC/máy in 3D.
  • Người nghiên cứu trong lĩnh vực Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Cung cấp cơ sở ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong việc phục chế mô hình xương và khớp nhân tạo.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong công trình:
    • Quy trình tính toán, thiết kế và gia công khung nhôm định hình kết hợp phay mặt đầu CNC (Chương 5).
    • Sơ đồ kết nối mạch điều khiển MKS GEN V1.0 với Driver LV8729 và thiết lập firmware (Chương 5).
    • Bảng phân tích nguyên nhân và các bước xử lý lỗi công nghệ in FDM thực tế (Chương 6).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án truyền động Cartesian XZ sử dụng vít me – đai ốc thay vì kết cấu máy in Delta?
Kết cấu Cartesian XZ dùng vít me – đai ốc trên cả 3 trục mang lại độ cứng vững cao, khả năng chống rung tốt, bề mặt chi tiết in mịn, kết cấu dễ gia công lắp ráp và dễ cân chỉnh mặt phẳng bàn in hơn so với máy Delta dùng truyền động đai vốn cồng kềnh và phức tạp trong hiệu chỉnh.

2. Khung máy in được gia công và ghép nối bằng phương pháp nào để bảo đảm độ chính xác?
Khung máy làm từ nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$. Các thanh nhôm sau khi cắt thô bằng cưa tay (dung sai 2 - 3 mm) được đưa lên máy phay CNC để phay phẳng hai đầu nhằm bảo đảm kích thước và độ vuông góc, sau đó lắp ráp cố định bằng bát ke góc nhôm, con trượt chữ T, bu lông lục giác và 4 chân đế cao su chống rung.

3. Mạch điều khiển và Driver điều khiển động cơ bước được sử dụng trong máy in là loại nào?
Hệ thống sử dụng bo mạch điều khiển trung tâm MKS GEN V1.0 (kết nối và nạp chương trình qua Arduino IDE) kết hợp với Driver LV8729. Driver LV8729 được chọn thay thế cho Driver A4988 nhằm giúp động cơ bước 42HD6201-03 chuyển động êm hơn, hỗ trợ vi bước cao hơn và tản nhiệt tốt hơn.

4. Không gian in tối đa và tốc độ in của máy đạt được là bao nhiêu?
Máy có không gian in tối đa ($X \times Y \times Z$) là $250 \times 180 \times 200\text{ mm}$, tốc độ in danh định dao động trong khoảng $40 - 60\text{ mm/s}$ và tốc độ in tối đa đạt $65\text{ mm/s}$.

5. Nhóm nghiên cứu đã nêu ra những giải pháp nào để khắc phục hiện tượng nhựa không bám dính bàn in?
Để xử lý lỗi nhựa không bám bàn in, người vận hành cần cân chỉnh lại 4 ốc ở 4 góc bàn in, kiểm tra khe hở đầu phun bằng chiều dày một lớp giấy tiêu chuẩn, và quét một lớp keo dính chuyên dụng lên bề mặt bàn in trước khi gia nhiệt nung chảy.


Kết luận

Đề tài nghiên cứu "Thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra thông qua việc tính toán, chế tạo phần cứng cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển cho máy in 3D FDM dạng Cartesian XZ sử dụng vít me - đai ốc 3 trục. Thiết bị đạt không gian làm việc $250 \times 180 \times 200\text{ mm}$, vận hành ổn định ở tốc độ $40 - 60\text{ mm/s}$ và tạo mẫu thành công chi tiết khớp cổ chân có độ chính xác hình học cao. Kết quả của công trình khẳng định tính khả thi trong việc tự chủ thiết kế thiết bị tạo mẫu nhanh phục vụ nghiên cứu và hỗ trợ ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.