CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong cở thể của chúng ta khớp cổ chân là một trong những khớp quan trọng nhất, có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ phận trên cơ thể và tham gia vào hoạt động di chuyển. Hiện nay, trong cuộc song chúng ta có nhiều bệnh nhân bị ảnh hưởng từ khớp cổ chân làm cho họ phải chịu nhiều đau đớn. Do đó, việc nghiên cứu ra mô hình giá đỡ khớp cổ chân cần phải cấp thiết.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Trong nước Hiện nay, công nghiệp in 3D đang ngày càng phát triển.
Con người đã sáng chế nhiều loại máy in 3D với nhiều loại mực, để in ra rất nhiều vật dụng khác nhau, từ cốc, chén bộ bàn ghế… Trong gia đình cho đến các phương tiện di chuyển như ô tô, máy bay… Nhưng việc ứng dụng máy in 3d để tạo công nghệ sinh học thi ở Việt Nam vẫn còn hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu đó, nhóm nghiên cứu của 2 đơn vị đã phối hợp để chế tạo ra được giá thể 3D có đặc tính phù hợp cho mục đích nuôi cấy tế bào. Bằng 100% nguồn nhân lực trong nước, viện Cơ học và Tin học ứng dụng và viện tế bào gốc đã cho ra đời được sản phẩm giá thể 3D Polycaprolacton (PCL) đầu tiên tại Việt Nam.1 Quy trình chế tạo giá thể Polycaprolacton (Sản phẩm của Viện Cơ học và Tin học ứng dụng) 1 Luan van Hình 1.2 Trái tế bào (màu xanh) bám trải và tang sinh trên giá thể PCL, phải cấu trúc mô học của giá thể - tế bào gốc sau khi được ghép trên thỏ (giá thể, tế bào tự thân, tế bào gốc, tế bào hồng cầu chung sống ôn hòa trong cơ thể thỏ trong thời gian dài) 1.2 Ngoài nước Máy in sinh học 3D, các nhà khoa học có thể tạo các mô hình, mẫu cấu trúc dựa vào hình ảnh từ CT scan và MRI dùng trong giảng dạy, giúp các bác sĩ chọn ra được phương pháp tối ưu cho các ca phẫu thuật, giảm đáng kể thời gian và các tai biến phẫu thuật. Với máy in sinh học 3D, các nhà nghiên cứu nhà nghiên cứu Trung Quốc và Hoa Kỳ đã in các mô hình khối u ung thư giúp con người hiểu rõ hơn về cách các khối u phát triển, di căn cũng như phát triển các loại thuốc chống ung thư mới.
Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm đã dùng máy in 3D để in tay chân giả cho các nước nghèo. Năm 2011, Giáo sư Susmita Bose, Đại học Washington, dùng máy in 3D ProMET với mực in là các hóa chất pha trộn bột gốm in ra được các cấu trúc xương. Với những bệnh nhi đang lớn các nhà khoa học đã in xương đàn hồi để có kết quả ghép tốt hơn. Các kỹ sư công nghệ Đại học Tây Bắc, Chicago, đã in 3D xương hyperelastic nhân tạo.
Vật liệu in xương chủ yếu là hydroxyapatite, khoáng chất như xương người, với một ít polymer phân hủy sinh học giúp xương tái tạo và phát triển nhanh chóng trong cơ thể. Xương hyperelastic có thể điều chỉnh đa hình dạng theo yêu cầu và đã được cấy ghép thành công trên nhiều mô hình động vật. 2 Luan van Hình 1.3 Mô hình khớp cổ tay giả 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của máy in 3D khớp cổ chân Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực in 3D nhóm đã chọn đề tài “Thiết Kế và Chế Tạo máy in 3D khớp cổ chân” với các mục tiêu: _ Tham gia nghiên cứu ,chế tạo máy in 3D với cấu trục 3 trục là vít me-thanh trượt vuông. _ Tạo hình khớp cổ chân.
_ Ứng dụng in 3D trong thực tế.4 Mục tiêu của đề tài _ Thiết kế bản vẽ và chế tạo phần cứng của máy. _ Mô hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Solidwork và sử dụng phần mềm để mô phỏng chuyển động, tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cho máy in 3D khớp cổ chân. _ Gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm cac hệ thống của máy và hoàn chỉnh máy, đưa vào chạy thực nghiệm. _ Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo máy in 3D FDM và tạo hình khớp cổ chân.
_ Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in 3D. - Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy. - Nghiên cứu tính toán phần điện. - Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ lập trình in 3D.
- Nghiên cứu, tính toán đường chạy nhựa tối ưu.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp thu thập và tổng hơp tài liệu _ Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật máy in 3D: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài. _ Nguyên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu hoạt động, cơ cấu in, bàn in. Từ đó có sự bao quát đúng đắn trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo máy in cho sản phẩm khớp cổ chân. _ Khảo sát các loại máy đã có mặt trên thị trường, hình thành ý tưởng và thiết kế ra hình dáng máy phù hợp với nhu cần in.
_ Tham khảo các nguồn tài liệu như sách, giáo trình học, tài liệu tham khảo, các bài báo khoa học, công trình nghiên cứu, các trang web độc quyền của những nhà phân phối máy in,… nhằm xác định được các cơ cấu hoạt động, các phương án truyền động, gia công tối ưu cho máy.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm Dựa trên các kết quả in và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được cấu hình thiết bị phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu đề tài. Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài. Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Chương 4: Phương hướng và giải pháp thiết kế.
Chương 5: Tính toán thiết kế ,chế tạo máy in 3D. Chương 6: Kết quả. 4 Luan van CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu về công nghệ TMN (Tạo mẫu nhanh-in 3D) TMN (Rapid prototyping) là một phương pháp chế tạo ra mô hình sản phẩm nhanh chóng từ dữ liệu 3D bằng cách xây dựng theo từng lớp dưới sự kiểm soát máy tính.
TMN còn được biết với tên gọi khác nhau như sản xuất theo lớp (Layered Manuafacturing), hoặc in 3D (3D Printing). Công nghệ TMN còn có thể hiểu là một loại công nghệ có thể trực tiếp tạo ra một vật thể ba chiều với thời gian rất ngắn, thường chỉ qua 1 nguyên công với sự hỗ trợ của các gói phần mềm CAD tạo ra các mô hình vật thể làm cơ sở dữ liệu cho máy TMN. Vật thể mô hình đó được tạo ra bằng một loại vật liệu thích hợp tùy vào phương phương pháp của máy TMN. In 3D là một trong số những phương pháp TMN tạo nên một vật thể 3D bằng cách xếp chồng từng lớp vật chất lên nhau cho đến khi tạo hình hoàn chỉnh vật thể đó.
Mỗi lớp là một lát vật chất mỏng và nằm ngang.1 Nguyên lý chung Vật liệu được thêm vào (bồi đắp) và liên kết với nhau để tạo thành mẫu không phải là cắt gọt vật liệu như các phương pháp gia công truyền thống mà mẫu được tạo ra theo mẫu theo lớp, lớp sau được tạo ra trên nền của lớp trước.2 Đặc điểm _ Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp mà không thể gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt thông thường. _ Giảm đáng kể thời gian gia công. _ Tạo hình trực tiếp từ dữ liệu SOLIDWORK. _ Cho phép tạo mẫu các vật thể có hình dạng phức tạp.2 Sự ra đời và phát triển của phương pháp TMN Quá trình tạo mẫu được phân ra làm ba thời kỳ.
Hai thời kỳ sau chỉ mới ra đời trong khoảng 20 năm trở lại đây. Tương tự như quá trình tạo mẫu trên máy vi tính, tính chất vật lý của mẫu chỉ được nghiên cứu phát triển trong thời kỳ thứ ba.1 Thời kỳ đầu: Tạo mẫu bằng tay Thời kỳ đầu tiên ra đời cách đây vài thế kỷ. Trong thời kỳ này, các mẫu điển hình không có độ phức tạp cao và chế tạo một mẫu trung bình mất khoảng 1 tháng. Phương pháp tạo mẫu phụ thuộc vào tay nghề và thực hiện công việc một cách cực kỳ nặng 5 Luan van nhọc.
Cho đến ngày nay phương pháp tạo mẫu thủ công này vẫn còn sử dụng khá phổ biến, trong các trường ĐH về mỹ thuật có ngành Tạo Dáng, thì vẫn sử dụng phương pháp này.2 Thời kỳ thứ hai: Phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo Thời kỳ thứ hai của tạo mẫu phát triển rất sớm, khoảng giữa thập niên 70. Thời kỳ này đã có phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo. Việc ứng dụng CAD/CAE/CAM đã trở nên rất phổ biến. Phần mềm tạo mẫu sẽ phát họa trên máy tính những ý tưởng mới.
Các mẫu này như là một mô hình vật lý: được kiểm tra, phân tích cũng như đo ứng suất và sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp nếu chúng chưa đạt yêu cầu. Ví dụ như phân tích ứng suất và sức căng bề mặt chất lỏng có thể dự đoán chính xác được bởi vì có thể xác định chính xác các thuộc tính và tính chất của vật liệu. Hơn nữa, các mẫu trong thời kỳ này trở nên phức tạp hơn nhiều so với thời kỳ đầu (khoảng trên hai lần). Vì thế, thời gian yêu cầu cho việc tạo mẫu có khuynh hướng tăng lên khoảng gần 4 tháng, tính chất vật lý của mẫu vẫn còn phụ thuộc vào các phương pháp tạo mẫu cơ bản trước.
Tuy nhiên, việc vận dụng các máy gia công chính xác đã cải thiện tốt hơn các tính chất vật lý của mẫu. *Cùng với sự tiến bộ trong lĩnh vực TMN trong thời kỳ thứ ba, có sự trợ giúp rất lớn của quá trình tạo mẫu ảo. Tuy nhiên, vẫn còn tranh cãi về những giới hạn của công nghệ TMN như: Sự giới hạn về vật liệu (hoặc bởi vì chi phí cao hoặc cách sử dụng cho từng vật liệu không giống nhau để tạo chi tiết).3 Thời kỳ thứ ba: Quá trình TMN Tính chất vật lý từng phần của sản phẩm trong quá trình TMN cũng được biết đến. Quá trình tạo mẫu rỗng thích hợp cho việc sản xuất trên bàn nâng hay công nghệ sản xuất lớp.
Công nghệ này thể hiện quá trình phát triển tạo mẫu trong thời kỳ thứ ba. Việc phát minh ra các thiết bị TMN là một phát minh quan trọng. Những phát minh này đã đáp ứng được yêu cầu của giới kinh doanh trong thời kỳ này: giảm thời gian sản xuất, độ phức tạp của mẫu tăng, giảm chi phí.