Nghiên Cứu Thiết Kế Đầu In Bột Cho Máy In 3D Trong Ứng Dụng Công Nghệ Mô Sinh Học

• Tác giả: Bùi Huy Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Đầu In Bột Cho Máy In 3D Trong Ứng Dụng Công Nghệ Mô Sinh Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Công nghệ mô kỹ thuật
• 1.2. Khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học
• 1.2.1. Vai trò của khung hỗ trợ
• 1.2.2. Đặc tính của khung hỗ trợ
• 1.3. Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ bằng 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. Phương pháp đùn mực trực tiếp DIW (Direct Ink Writing)
• 1.4. Tổng quan đầu in 3D từ vật liệu dạng bột/hạt
• 1.4.1. Kết cấu cụm đầu in
• 1.4.2. Kết cấu trục đùn
• 1.4.3. Vật liệu PCL
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU IN BỘT
• 2.1. Thiết kế đầu in bột
• 2.1.1. Thiết kế kết cấu trục đùn
• 2.1.2. Thông số kỹ thuật của trục đùn
• 2.1.3. Số đầu mối ren
• 2.1.4. Bề dày cánh vít
• 2.1.5. Chiều dài các vùng trên trục vít
• 2.1.6. Chiều sâu rãnh vít và khe hở trục vít
• 2.1.7. Vỏ trục đùn
• 2.1.8. Phễu cấp liệu
• 2.1.9. Bản vẽ lắp 3D
• 2.2. Mô phỏng nhiệt cho đầu in bột bằng FEM
• 2.2.1. Mô tả chung
• 2.2.2. Thông số mô phỏng
• 2.2.3. Tính toán quá trình đùn vật liệu
• 2.2.4. Kết quả mô phỏng
• 2.3. Chế tạo đầu in bột và điều khiển trục đùn bột
• 2.3.1. Cụm đầu bột
• 2.3.2. Điều khiển đầu đùn bột
• 2.4. Giao diện điều khiển
• 2.4.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python và QT-Designer
• 2.4.2. Xây dựng giao diện điều khiển phần mềm
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ IN TỚI CHẤT LƯỢNG MẪU IN
• 3.1. Các chỉ tiêu đánh giá của khung in
• 3.2. Đánh giá ảnh hưởng truyền nhiệt của đầu in bột thiết kế
• 3.3. Đánh giá ảnh hưởng kích thước in bột PCL
• 3.4. Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu PCL
• 3.5. Đánh giá ảnh hưởng tốc độ in tới chất lượng in mẫu bột trộn PCL
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Đầu In Bột 3D và Mô Sinh Học

Công nghệ in 3D ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y tế. Đặc biệt, trong công nghệ mô sinh học, in 3D mở ra tiềm năng lớn trong việc tạo ra các mô kỹ thuật, thay thế các bộ phận bị tổn thương. Khung hỗ trợ đóng vai trò then chốt trong việc định hình mô và định hướng sự phát triển của tế bào. Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu thiết kế và điều khiển đầu in bột cho máy in 3D, nhằm tạo ra các khung hỗ trợ chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe của công nghệ mô sinh học. Phương pháp in FDM sử dụng dây nhựa có nhiều hạn chế về vật liệu, do đó phương pháp in bột được đề xuất để mở rộng phạm vi vật liệu sử dụng. Luận văn này đi sâu vào thiết kế và điều khiển đầu in bột, đánh giá ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến khả năng hoạt động của hệ thống.

1.1. Công Nghệ Mô Kỹ Thuật và Ứng Dụng Tiềm Năng

Công nghệ mô kỹ thuật là lĩnh vực đầy hứa hẹn, hướng đến việc phát triển và tái tạo các mô và cơ quan nhân tạo. Công nghệ này kết hợp ba yếu tố chính: tế bào, khung hỗ trợ, và các hoạt chất sinh học. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển ba yếu tố này để tạo ra các mô sống có chức năng. Công nghệ mô đã đạt được những thành công đáng kể trong việc tạo ra các mô và cơ quan vô mạch, và có tiềm năng lớn trong việc sản xuất các mô và cơ quan phức tạp hơn. Trong tương lai, công nghệ mô có thể giải quyết nhu cầu hiến tặng nội tạng, giảm số lượng động vật sử dụng trong nghiên cứu, và tạo điều kiện phát triển y học cá nhân hóa. Theo [1], công nghệ mô kỹ thuật hứa hẹn tạo ra các mô và cơ quan phức tạp, hữu ích trong việc khắc phục nhu cầu hiến tặng nội tạng.

1.2. Vai Trò Quan Trọng của Khung Hỗ Trợ Trong Mô Sinh Học

Khung hỗ trợ đóng vai trò then chốt trong công nghệ mô sinh học, định hình cấu trúc và tạo nền tảng cho tế bào bám dính và phát triển. Khung hỗ trợ làm bằng vật liệu sinh học có khả năng tự phân hủy sinh học, tạo môi trường cho tế bào gắn kết, tăng sinh và 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. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô. Khung hỗ trợ đóng vai trò như một ngôi nhà, một nền tảng để tế bào phát triển và hình thành mô mới.

II. Thách Thức và Yêu Cầu Thiết Kế Đầu In Bột 3D

Việc thiết kế đầu in cho máy in 3D sử dụng in bột đặt ra nhiều thách thức. Độ phân giải in, tốc độ in, và độ chính xác in là những yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa. Bên cạnh đó, khả năng tương thích vật liệu và quy trình in ổn định cũng là những yêu cầu không thể bỏ qua. Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ truyền thống không đáp ứng được yêu cầu về hình dáng phức tạp và khả năng kiểm soát đặc tính hình học của lỗ. Do đó, nghiên cứu thiết kế tập trung vào việc phát triển một đầu in 3D có khả năng tạo ra các khung hỗ trợ với độ chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu về ứng dụng y tế và tái tạo mô.

2.1. Các Đặc Tính Quan Trọng Của Khung Hỗ Trợ Sinh Học

Khung hỗ trợ cần đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe về tính chất sinh học và cơ học. Độ tương thích sinh học là yếu tố tiên quyết, đảm bảo tế bào có thể bám dính, hoạt động bình thường và di chuyển trên bề mặt khung. Khả năng phân hủy sinh học cho phép tế bào thay thế khung hỗ trợ bằng chất nền ngoại bào của chính chúng. Tính chất cơ học phù hợp với vị trí cấy ghép, đảm bảo khung đủ mạnh để chịu được các tác động trong quá trình cấy ghép. Kiến trúc khung hỗ trợ với cấu trúc lỗ xốp liên kết nhau và độ xốp cao, tạo điều kiện cho sự xâm nhập của tế bào và khuếch tán chất dinh dưỡng. Theo [2], khung hỗ trợ cần có ba thành phần cơ bản: tế bào, khung đỡ thích hợp để cấy ghép và nâng đỡ; và các phân tử hoạt tính sinh học và các yếu tố tăng trưởng.

2.2. Hạn Chế Của Các Phương Pháp In 3D Truyền Thống

Các phương pháp in 3D truyền thống như FDM sử dụng dây nhựa có nhiều hạn chế về vật liệu và khả năng tạo hình phức tạp. Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA đòi hỏi phải thêm các kết cấu trợ giúp, và sản phẩm dễ bị rổ khí. Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc SLS có chi phí cao và đòi hỏi xử lý hậu kỳ. Do đó, phương pháp in 3D đùn bột trực tiếp được xem là giải pháp tiềm năng, cho phép sử dụng nhiều loại vật liệu in 3D khác nhau và tạo ra các khung hỗ trợ với độ chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đặt ra những thách thức về kiểm soát nhiệt độ và độ phân giải.

III. Phương Pháp Thiết Kế và Mô Phỏng Đầu In Bột 3D

Luận văn trình bày chi tiết phương pháp thiết kế và mô phỏng hoạt động của đầu in bột cho máy in 3D. Quá trình thiết kế bao gồm thiết kế kết cấu trục đùn, vỏ trục đùn, và phễu cấp liệu. Mô phỏng in 3D nhiệt bằng FEM được sử dụng để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của đầu in. Các thông số mô phỏng được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Kết quả mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp. Mục tiêu là tạo ra một đầu in 3D có khả năng kiểm soát chính xác lượng bột được đùn ra, đảm bảo độ chính xác in và độ phân giải in cao.

3.1. Thiết Kế Chi Tiết Kết Cấu Trục Đùn Bột

Thiết kế trục đùn là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng đùn bột ổn định và chính xác. Các thông số kỹ thuật của trục đùn, bao gồm số đầu mối ren, bề dày cánh vít, chiều dài các vùng trên trục vít, và chiều sâu rãnh vít, được tính toán và lựa chọn cẩn thận. Vỏ trục đùn và phễu cấp liệu cũng được thiết kế để đảm bảo bột được cấp đều và không bị tắc nghẽn. Bản vẽ lắp 3D được sử dụng để kiểm tra tính khả thi của thiết kế và đảm bảo các bộ phận lắp ráp chính xác. Thiết kế trục đùn phải đảm bảo bột được vận chuyển đều và không bị nén quá chặt.

3.2. Mô Phỏng Nhiệt Bằng FEM Để Tối Ưu Hóa Thiết Kế

Mô phỏng nhiệt bằng FEM được sử dụng để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của đầu in bột. Các thông số mô phỏng, bao gồm đặc tính vật liệu, kích thước hình học, và điều kiện biên, được lựa chọn cẩn thận. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ trong đầu in, giúp xác định các vùng có nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Dựa trên kết quả mô phỏng, thiết kế được tối ưu hóa để đảm bảo nhiệt độ ổn định và đồng đều, giúp bột nóng chảy đều và đùn ra chính xác. Mô phỏng nhiệt giúp dự đoán và khắc phục các vấn đề liên quan đến nhiệt độ trước khi chế tạo thực tế.

IV. Chế Tạo và Điều Khiển Đầu In Bột 3D Thực Tế

Sau quá trình thiết kế và mô phỏng, đầu in bột được chế tạo và thử nghiệm thực tế. Cụm đầu bột được lắp ráp từ các bộ phận đã được gia công chính xác. Hệ thống điều khiển đầu đùn bột được xây dựng dựa trên vi điều khiển và các cảm biến. Giao diện điều khiển được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Python và QT-Designer, cho phép người dùng điều khiển các thông số in và theo dõi quá trình in. Quá trình kiểm soát chất lượng được thực hiện để đảm bảo độ chính xác in và độ ổn định của hệ thống.

4.1. Lắp Ráp và Thử Nghiệm Cụm Đầu Đùn Bột

Cụm đầu đùn bột được lắp ráp từ các bộ phận đã được gia công chính xác, bao gồm trục đùn, vỏ trục đùn, phễu cấp liệu, và động cơ bước. Quá trình lắp ráp được thực hiện cẩn thận để đảm bảo các bộ phận khớp nối chính xác và không có khe hở. Sau khi lắp ráp, cụm đầu đùn được thử nghiệm để kiểm tra khả năng đùn bột và đảm bảo hoạt động ổn định. Các thông số như tốc độ đùn, áp suất đùn, và nhiệt độ được theo dõi và điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu. Việc lắp ráp chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của đầu in.

4.2. Xây Dựng Giao Diện Điều Khiển Phần Mềm

Giao diện điều khiển được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Python và QT-Designer, cho phép người dùng điều khiển các thông số in và theo dõi quá trình in. Giao diện cung cấp các chức năng như điều chỉnh tốc độ đùn, nhiệt độ, và vị trí đầu in. Người dùng có thể nhập các thông số in từ file G-code hoặc điều chỉnh trực tiếp trên giao diện. Giao diện cũng hiển thị các thông tin về trạng thái của hệ thống, như nhiệt độ, áp suất, và tốc độ đùn. Giao diện điều khiển thân thiện và dễ sử dụng giúp người dùng dễ dàng điều khiển quá trình in.

V. Đánh Giá Ảnh Hưởng Thông Số In Đến Chất Lượng Mẫu In 3D

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số in, như tốc độ in, kích thước in bột, và nhiệt độ, đến chất lượng mẫu in. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm độ chính xác kích thước, độ xốp, và độ bền cơ học. Các mẫu in được phân tích bằng kính hiển vi và các thiết bị đo lường khác. Kết quả cho thấy tốc độ in có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác và độ xốp của mẫu in. Kích thước in bột cũng ảnh hưởng đến độ phân giải và độ bền cơ học. Nghiên cứu cung cấp các thông số in tối ưu cho việc tạo ra các khung hỗ trợ chất lượng cao.

5.1. Các Chỉ Tiêu Đánh Giá Chất Lượng Khung In 3D

Chất lượng khung in được đánh giá dựa trên nhiều chỉ tiêu, bao gồm độ chính xác kích thước, độ xốp, độ bền cơ học, và độ tương thích sinh học. Độ chính xác kích thước đảm bảo khung in có hình dạng và kích thước đúng như thiết kế. Độ xốp tạo điều kiện cho tế bào xâm nhập và phát triển. Độ bền cơ học đảm bảo khung in có thể chịu được các tác động trong quá trình cấy ghép. Độ tương thích sinh học đảm bảo khung in không gây ra phản ứng viêm hoặc đào thải của cơ thể. Các chỉ tiêu này được đo lường và phân tích để đánh giá chất lượng khung in.

5.2. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ In Đến Độ Chính Xác Mẫu In

Tốc độ in là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ chính xác của mẫu in. Tốc độ in quá cao có thể dẫn đến hiện tượng bột không kịp nóng chảy hoặc không kịp bám dính, làm giảm độ chính xác kích thước và độ bền cơ học. Tốc độ in quá thấp có thể làm tăng thời gian in và gây ra hiện tượng bột bị quá nhiệt, làm giảm độ xốp. Nghiên cứu tìm ra tốc độ in tối ưu để đạt được độ chính xác và độ xốp cao nhất.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Đầu In Bột 3D

Nghiên cứu đã thành công trong việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đầu in bột cho máy in 3D trong ứng dụng công nghệ mô sinh học. Kết quả cho thấy đầu in có khả năng tạo ra các khung hỗ trợ với độ chính xác và độ xốp cao. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực in 3D sinh học, đặc biệt trong ứng dụng y tế và tái tạo mô. Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế, mở rộng phạm vi vật liệu in 3D, và phát triển các ứng dụng in 3D mới.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đầu in bột cho máy in 3D. Đầu in có khả năng tạo ra các khung hỗ trợ với độ chính xác và độ xốp cao, đáp ứng yêu cầu của công nghệ mô sinh học. Nghiên cứu đã xác định các thông số in tối ưu cho việc tạo ra các khung hỗ trợ chất lượng cao. Giao diện điều khiển phần mềm được phát triển giúp người dùng dễ dàng điều khiển quá trình in. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng in 3D mới trong lĩnh vực y tế và tái tạo mô.

6.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Của Công Nghệ In Bột 3D

Trong tương lai, công nghệ in bột 3D có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế đầu in, mở rộng phạm vi vật liệu in 3D, và phát triển các ứng dụng in 3D mới trong y học tái tạo, dược phẩm, và cấy ghép. Công nghệ in 3D cá nhân hóa cũng là một hướng phát triển tiềm năng, cho phép tạo ra các khung hỗ trợ phù hợp với từng bệnh nhân. Nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc giảm chi phí in 3D và tăng hiệu quả in 3D để công nghệ này trở nên phổ biến hơn.

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ in 3D đã trở thành một trong những công nghệ tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, xây dựng, y tế và đặc biệt là công nghệ mô sinh học. Theo ước tính, trong hơn hai thập kỷ qua, công nghệ in 3D đã góp phần tạo ra các mô kỹ thuật như mô xương, da, sụn nhằm thay thế các bộ phận bị tổn thương hoặc khiếm khuyết của con người. Một thành phần quan trọng trong công nghệ mô là khung hỗ trợ, đóng vai trò định hình cấu trúc mô, định hướng sự phát triển của tế bào và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mô sinh học. Tuy nhiên, các phương pháp in 3D truyền thống như FDM sử dụng dây nhựa nhiệt dẻo gặp hạn chế trong việc kết hợp đa dạng vật liệu, đặc biệt là vật liệu sinh học dạng bột.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và điều khiển đầu in bột cho máy in 3D khung hỗ trợ, nhằm tạo ra các khung hỗ trợ có đặc tính phù hợp cho công nghệ mô sinh học. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các yếu tố đặc trưng của khung hỗ trợ, đánh giá ảnh hưởng của các tham số điều khiển đến hiệu quả hoạt động của hệ thống in bột. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2022, với vật liệu chính là bột nhựa sinh học PCL và các hỗn hợp vật liệu trộn.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển công nghệ in 3D dạng bột, mở rộng khả năng sử dụng vật liệu đa dạng, nâng cao chất lượng khung hỗ trợ trong nuôi cấy mô, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ mô sinh học trong y học tái tạo và điều trị các tổn thương mô phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ mô sinh học: Bao gồm ba thành phần chính là tế bào, khung hỗ trợ và các hoạt chất sinh học. Khung hỗ trợ có vai trò tạo cấu trúc nền cho tế bào bám dính, phát triển và biệt hóa, đồng thời phải đảm bảo tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, tính chất cơ học phù hợp và kiến trúc xốp liên kết.

• Phương pháp in 3D dạng bột: Nghiên cứu tập trung vào phương pháp đùn bột trực tiếp (Direct Powder Extrusion - DPE), một biến thể của FDM, cho phép in trực tiếp từ vật liệu dạng bột, mở rộng phạm vi vật liệu sử dụng so với phương pháp in dây truyền thống.

• Thiết kế trục đùn và mô phỏng nhiệt: Áp dụng các nguyên lý cơ học và truyền nhiệt để thiết kế trục vít đùn phù hợp với vật liệu PCL, đồng thời sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) để đánh giá sự phân bố nhiệt và hiệu quả gia nhiệt trong quá trình đùn.

Các khái niệm chính bao gồm: tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, kiến trúc xốp của khung hỗ trợ, thiết kế trục vít đùn, mô phỏng nhiệt FEM, và điều khiển đầu in 3D.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm đầu in bột cho máy in 3D tại phòng thí nghiệm IMS Lab, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mẫu in khung hỗ trợ với vật liệu PCL và hỗn hợp PCL-TCP, được in với các thông số khác nhau về nhiệt độ, tốc độ in và kích thước đầu phun.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế cơ khí đầu in bột với các thông số kỹ thuật trục vít như đường kính 8 mm, chiều dài 80 mm, phân chia thành ba vùng cấp liệu, nén và định lượng.

• Mô phỏng nhiệt bằng phần mềm Solidworks và FFEPlus solver, chia lưới theo kiểu Tetra với kích thước phần tử 0,78 mm, nhằm đánh giá sự phân bố nhiệt độ tại các điểm dọc trục vít và ảnh hưởng của vật liệu vỏ trục đùn (Teflon và nhôm).

• Thí nghiệm thực tế để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu trục vít, nhiệt độ, tốc độ in đến chất lượng mẫu in, sử dụng kính hiển vi Kruss và phần mềm xử lý ảnh Imagefocus Plus V2.

• Phát triển hệ thống điều khiển đầu in bằng bộ điều khiển CNC Newmarks và PLC Siemens S7-1200, giao diện điều khiển lập trình bằng Python và QT-Designer.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, từ thiết kế, mô phỏng đến chế tạo và đánh giá thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế trục vít đùn: Trục vít có đường kính 8 mm, chiều dài 80 mm, chia thành ba vùng cấp liệu (25%), nén (35%) và định lượng (40%). Góc xoắn ren khoảng 17,65°, bề dày cánh vít 1 mm, khe hở trục vít 0,016 mm. Thiết kế này đảm bảo lực ép và lưu lượng nhựa ổn định.

2. Mô phỏng nhiệt: Vật liệu vỏ trục đùn bằng Teflon giúp giảm đáng kể truyền nhiệt lên vùng cấp liệu so với nhôm. Nhiệt độ tại điểm P1 đạt 90℃ sau khoảng 130 giây với Teflon, trong khi với nhôm là 210 giây. Vòng chữ O Teflon được bổ sung giúp giảm nhiệt độ tại điểm P3 từ 36℃ xuống 26,5℃, hạn chế hiện tượng bám dính và tắc nghẽn vật liệu.

3. Ảnh hưởng của tốc độ in đến chất lượng mẫu: Tốc độ in tăng từ 4 mm/s đến 10 mm/s làm giảm kích thước đường in và tăng kích thước lỗ rỗng, dẫn đến độ xốp mẫu tăng từ khoảng 60% lên đến 71%. Tốc độ in 6 mm/s và nhiệt độ 100℃ cho kết quả kích thước đường in và lỗ gần với thiết kế nhất.

4. In mẫu bột trộn PCL-TCP: Mẫu in với tỷ lệ PCL 80% và TCP 20% được in thành công với đầu phun 0,4 mm, nhiệt độ 110℃, tốc độ trục đùn 13 vòng/phút, tốc độ in từ 11 mm/s đến 15 mm/s. Hạt ceramic TCP phân bố đều trên mẫu, nâng cao đặc tính sinh học của khung hỗ trợ.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng nhiệt cho thấy vật liệu Teflon là lựa chọn tối ưu cho vỏ trục đùn nhằm giảm truyền nhiệt không mong muốn, giúp duy trì trạng thái bột ở vùng cấp liệu, tránh hiện tượng nóng chảy sớm gây tắc nghẽn. Việc bổ sung vòng chữ O Teflon làm tăng hiệu quả cách nhiệt, phù hợp với yêu cầu vận hành liên tục của máy in 3D sinh học.

Thí nghiệm thực tế xác nhận ảnh hưởng rõ rệt của tốc độ in đến kích thước đường in và độ xốp khung hỗ trợ, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về kiểm soát cấu trúc vi mô của khung in 3D. Độ xốp cao hơn khi tăng tốc độ in tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập và phát triển của tế bào trong ứng dụng mô sinh học.

Việc sử dụng vật liệu trộn PCL-TCP không chỉ giữ được tính chất cơ học mà còn cải thiện tính sinh học của khung hỗ trợ, mở rộng ứng dụng trong tái tạo mô xương. So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp đùn bột trực tiếp với thiết kế trục vít và điều khiển nhiệt độ chính xác đã nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm in.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ tại các điểm dọc trục vít, bảng so sánh kích thước đường in và lỗ rỗng ở các tốc độ in khác nhau, cũng như hình ảnh kính hiển vi mẫu in bột trộn PCL-TCP.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu Teflon cho vỏ trục đùn: Khuyến nghị sử dụng vật liệu Teflon kết hợp vòng chữ O để giảm truyền nhiệt không mong muốn, đảm bảo trạng thái bột ổn định trong vùng cấp liệu. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất đầu in 3D sinh học.

2. Tối ưu hóa tốc độ in và nhiệt độ gia nhiệt: Đề xuất duy trì tốc độ in khoảng 6 mm/s và nhiệt độ 100℃ để đạt độ chính xác kích thước đường in và lỗ rỗng phù hợp, nâng cao chất lượng khung hỗ trợ. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành máy in 3D.

3. Phát triển vật liệu trộn đa dạng: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu trộn như PCL-TCP để cải thiện đặc tính sinh học và cơ học của khung hỗ trợ, phù hợp với các loại mô khác nhau. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu sinh học.

4. Hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động: Nâng cấp phần mềm điều khiển đầu in sử dụng Python và QT-Designer để tích hợp các thuật toán điều khiển nhiệt độ và tốc độ in thông minh, giảm thiểu lỗi vận hành. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm và kỹ thuật điều khiển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ mô sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức về thiết kế khung hỗ trợ và ứng dụng công nghệ in 3D dạng bột, hỗ trợ phát triển các mô kỹ thuật có tính ứng dụng cao.

2. Kỹ sư phát triển máy in 3D sinh học: Tham khảo thiết kế trục vít đùn, mô phỏng nhiệt và hệ thống điều khiển đầu in để cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và chất lượng in.

3. Chuyên gia vật liệu sinh học: Nghiên cứu về vật liệu PCL và các hỗn hợp ceramic như TCP, giúp phát triển vật liệu in phù hợp với yêu cầu sinh học và cơ học của mô.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ điện tử và công nghệ sinh học: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến in 3D và công nghệ mô.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn vật liệu PCL cho in 3D mô sinh học?
   PCL có khả năng phân hủy sinh học chậm, nhiệt độ nóng chảy khoảng 60℃, được FDA chứng nhận an toàn cho ứng dụng y tế. Điều này giúp PCL phù hợp làm vật liệu in khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học.

2. Ưu điểm của phương pháp đùn bột trực tiếp so với FDM truyền thống?
   Phương pháp đùn bột trực tiếp cho phép sử dụng vật liệu dạng bột đa dạng, không giới hạn ở dạng sợi như FDM, giúp mở rộng phạm vi vật liệu sinh học và tạo khung hỗ trợ có cấu trúc phức tạp hơn.

3. Làm thế nào để kiểm soát nhiệt độ trong đầu in bột?
   Nghiên cứu sử dụng mô phỏng FEM để thiết kế hệ thống gia nhiệt và lựa chọn vật liệu vỏ trục đùn như Teflon, kết hợp cảm biến nhiệt và vòng chữ O cách nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong khoảng 95-105℃.

4. Ảnh hưởng của tốc độ in đến chất lượng mẫu in như thế nào?
   Tốc độ in cao làm giảm kích thước đường in và tăng kích thước lỗ rỗng, dẫn đến độ xốp tăng. Tuy nhiên, tốc độ quá cao có thể làm đường in bị kéo giãn do nhựa PCL lâu khô, ảnh hưởng đến độ chính xác.

5. Có thể in các vật liệu trộn khác ngoài PCL-TCP không?
   Có thể, các loại ceramic như hydroxyapatite (HA) hoặc các vật liệu sinh học khác có thể được trộn với PCL để cải thiện đặc tính sinh học và cơ học, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công đầu in bột sử dụng trục vít với các thông số kỹ thuật phù hợp cho vật liệu PCL và hỗn hợp PCL-TCP.
• Mô phỏng nhiệt FEM cho thấy vật liệu Teflon và vòng chữ O giúp giảm truyền nhiệt không mong muốn, đảm bảo trạng thái bột ổn định.
• Thí nghiệm thực tế xác nhận ảnh hưởng của tốc độ in và nhiệt độ đến kích thước đường in, độ xốp và chất lượng mẫu in.
• Hệ thống điều khiển đầu in được phát triển dựa trên bộ điều khiển CNC, PLC và phần mềm Python với giao diện QT-Designer, đảm bảo vận hành ổn định.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ in 3D dạng bột đa vật liệu cho ứng dụng công nghệ mô sinh học, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả nuôi cấy mô.

Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thực tế trong các phòng thí nghiệm mô sinh học và mở rộng nghiên cứu vật liệu trộn đa dạng hơn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư liên quan tiếp cận và áp dụng kết quả để phát triển sản phẩm công nghệ mô sinh học tiên tiến.