Nghiên Cứu Khoa Học Về Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân là một trong những dự án quan… 97 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2020.

• Tác giả: Phạm Đình Tuyên
• Người hướng dẫn: Th.S Phan Thái Nhân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D Khớp Cổ Chân
• Loại tài liệu: báo cáo
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• 1. CHƯƠNG 1: GIẢI THÍCH VÀ ĐẶT ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của máy in 3D khớp cổ chân
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
• 1.5.2. Phương pháp phân tích thực nghiệm
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Giải thích và công nghệ TMN (Tạo mẫu nhanh - in 3D)
• 2.1.1. Nguyên lý chung
• 2.1.2. Đặc điểm
• 2.2. Sự ra đời và phát triển của phương pháp TMN
• 2.2.1. Thời kỳ đầu: Tạo mẫu bằng tay
• 2.2.2. Thời kỳ thứ hai: Phần mềm tạo mẫu hay tạo mẫu ảo
• 2.3. Mặt số công nghệ tạo mẫu nhanh
• 2.3.1. Công nghệ SLA
• 2.3.2. Công nghệ LOM (Laminated Object Manufacturing)
• 2.4. Ứng dụng của TMN
• 2.4.1. Phát triển sản phẩm mới
• 2.4.2. Kiểm tra chức năng làm việc của sản phẩm
• 2.4.3. Ứng dụng trong y học
• 2.4.3.1. Giải thích mặt số mẫu máy in 3D
• 2.4.3.2. Máy in 3D delta Kossel
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Khái quát chung và máy in 3D
• 3.1.1. Cách hoạt động
• 3.1.2. Phân loại động cơ bước
• 3.1.2.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
• 3.1.2.2. Động cơ bước biến từ trở
• 3.1.3. Các phương pháp điều khiển động cơ bước
• 3.1.4. Cơ cấu truyền động vít me - đai ốc
• 3.1.4.1. Cơ cấu vít me - đai ốc trượt
• 3.1.4.2. Cơ cấu vít me đai ốc bi
• 3.1.5. Ray trượt dẫn hướng
• 3.1.6. Truyền động đai
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
• 4.1. Thông số máy in
• 4.2. Các phương án thiết kế kết cấu máy in
• 4.2.1. Phương án 1: Truyền động Cartesian XZ, bả truyền động vít me - đai ốc
• 4.2.2. Phương án 2: Truyền động Delta, bả truyền động đai
• 4.2.3. Lựa chọn phương án
• 4.2.4. Trình tự thực hiện
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 5.1. Thiết kế cơ khí trục Z
• 5.1.1. Tính toán truyền động vít me - đai ốc trượt 3 trục Z
• 5.1.2. Tính toán truyền động vít me - đai ốc trượt trục X
• 5.1.3. Tính toán truyền động vít me - đai ốc trượt trục Y
• 5.1.4. Tính toán công suất động cơ và chọn số vòng quay động cơ
• 5.2. Bộ phận đùn nhựa
• 5.2.1. Bộ đầu phun gia nhiệt nhựa
• 5.2.2. Chất lượng sợi nhựa
• 5.3. Tính toán thiết kế phần điện
• 5.3.1. Thiết lập thông số phần cứng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ
• 6.1. Lắp khung máy với trục Y
• 6.2. Lắp trục X và đầu phun
• 6.3. Mô hình máy thực tế
• 6.4. Sản phẩm khớp cá chân in được
• 6.5. Số đo khôi quá trình in
• 6.6. Các thông số in
• 6.7. Điều khiển di chuyển các trục
• 6.8. Gia nhiệt đầu phun
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Thiết Kế Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân là một trong những dự án quan trọng trong lĩnh vực công nghệ y tế. Máy in 3D không chỉ giúp tạo ra các sản phẩm thực tế mà còn mang lại nhiều lợi ích cho ngành y học. Việc áp dụng công nghệ in 3D trong y tế đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trong việc tạo ra các mô hình khớp cổ chân phục vụ cho việc điều trị và phục hồi chức năng.

1.1. Ý Nghĩa Của Máy In 3D Trong Y Tế

Máy in 3D khớp cổ chân có khả năng tạo ra các mô hình chính xác, giúp bác sĩ dễ dàng hơn trong việc chẩn đoán và điều trị. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí cho bệnh nhân.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Công Nghệ In 3D

Công nghệ in 3D đã có lịch sử phát triển lâu dài, từ những năm 1980 cho đến nay. Sự phát triển của công nghệ này đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong việc tạo ra các sản phẩm y tế cá nhân hóa.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Mặc dù công nghệ in 3D mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong quá trình thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân. Các vấn đề như độ chính xác, chất liệu sử dụng và quy trình sản xuất cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của sản phẩm.

2.1. Độ Chính Xác Trong Thiết Kế

Độ chính xác là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế máy in 3D khớp cổ chân. Việc đảm bảo các thông số kỹ thuật chính xác sẽ giúp sản phẩm đạt được hiệu quả cao nhất trong việc phục hồi chức năng cho bệnh nhân.

2.2. Chất Liệu Sử Dụng

Chất liệu in 3D cần phải đảm bảo tính an toàn và độ bền cao. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Để thiết kế máy in 3D khớp cổ chân, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.1. Mô Hình Hóa 3D Bằng Phần Mềm

Sử dụng phần mềm SolidWorks để mô hình hóa thiết kế máy in 3D khớp cổ chân. Phần mềm này cho phép tạo ra các mô hình 3D chính xác và dễ dàng điều chỉnh các thông số kỹ thuật.

3.2. Quy Trình Chế Tạo

Quy trình chế tạo máy in 3D bao gồm các bước như gia công, lắp ráp và kiểm tra. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Máy in 3D khớp cổ chân không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong y tế. Các sản phẩm được tạo ra từ máy in 3D đã giúp nhiều bệnh nhân phục hồi chức năng hiệu quả.

4.1. Tạo Mô Hình Khớp Cổ Chân

Máy in 3D có khả năng tạo ra các mô hình khớp cổ chân chính xác, giúp bác sĩ dễ dàng hơn trong việc thực hiện phẫu thuật và điều trị.

4.2. Ứng Dụng Trong Phục Hồi Chức Năng

Các sản phẩm in 3D có thể được sử dụng để hỗ trợ phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau phẫu thuật, giúp họ nhanh chóng trở lại cuộc sống bình thường.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Máy In 3D Khớp Cổ Chân

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y tế. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong việc điều trị và phục hồi chức năng cho bệnh nhân.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển

Công nghệ in 3D đang ngày càng phát triển và có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Nghiên cứu và phát triển thêm các ứng dụng mới sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và chất lượng của sản phẩm in 3D, đồng thời mở rộng ứng dụng của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Nghiên Cứu Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D Khớp Cổ Chân: Giải Pháp Tạo Mẫu Nhanh Chuẩn Xác Cho Y Học

Tóm tắt nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ y học hiện đại ngày càng hướng tới tính cá nhân hóa, việc mô phỏng chính xác các cấu trúc giải phẫu phức tạp như khớp cổ chân đóng vai trò thiết yếu đối với chẩn đoán và lập kế hoạch phẫu thuật. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán: Làm thế nào để tự chủ thiết kế, tính toán cơ khí và chế tạo một máy in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) đạt độ cứng vững cùng độ chính xác cao nhằm tái tạo hoàn chỉnh mô hình khớp cổ chân người?

Về mặt phương pháp, đề tài ứng dụng quy trình kỹ thuật tích hợp: mô hình hóa 3D trên SolidWorks, phân tích truyền động cơ khí 3 trục tọa độ Cartesian XZ sử dụng vít me – đai ốc kết hợp ray trượt vuông dẫn hướng, tích hợp mạch điều khiển vi xử lý MKS Gen L V1.0 cùng driver bước LV8729, và xử lý cắt lớp trên phần mềm CAM Cura.

Kết quả thực nghiệm cho thấy nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công máy in 3D hoàn chỉnh với không gian làm việc $250 \times 180 \times 200\text{ mm}$, tốc độ in $40 - 60\text{ mm/s}$, vận hành êm ái và triệt tiêu đáng kể hiện tượng rung lắc so với các cơ cấu truyền động đai thông thường. Thiết bị đã in thành công mô hình khớp cổ chân có độ sắc nét hình học cao, bề mặt mịn màng và biên dạng giải phẫu chuẩn xác. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng to lớn của thiết bị tạo mẫu nhanh nội địa hóa trong việc hỗ trợ giảng dạy y khoa, tư vấn tiền phẫu và phát triển các thiết bị chỉnh hình cá nhân hóa.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng

Công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping – TMN), đặc biệt là in 3D, đang tạo ra bước ngoặt lớn trong nền sản xuất toàn cầu và là trụ cột của Cách mạng Công nghiệp 4.0. Khác với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống (subtractive manufacturing), in 3D là phương pháp bồi đắp vật liệu từng lớp (additive manufacturing) trực tiếp từ dữ liệu thiết kế 3D. Điều này cho phép tạo ra những hình học hữu cơ phức tạp mà các phương pháp truyền thống khó hoặc không thể thực hiện được.

Trong lĩnh vực y tế và cơ sinh học, khớp cổ chân là một trong những khớp chịu tải trọng lớn nhất của cơ thể, đảm nhận chức năng nâng đỡ toàn bộ trọng lượng phần trên và tạo chuyển động linh hoạt. Các chấn thương, thoái hóa hoặc dị tật bẩm sinh ở khớp cổ chân thường đòi hỏi phương án can thiệp ngoại khoa tinh vi. Mặc dù các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh như CT scanner hay MRI đã phát triển, việc chuyển đổi dữ liệu quét 2D/3D thành một mô hình vật lý cầm nắm được đóng vai trò then chốt giúp bác sĩ phẫu thuật quan sát không gian đa chiều, lập kế hoạch mổ chính xác và giảm thiểu tai biến y khoa.

Phương pháp tạo mẫu	Đặc điểm chính	Ưu điểm	Nhược điểm trong y sinh
SLA (Stereolithography)	Quang trùng hợp nhựa lỏng bằng laser	Độ phân giải cực cao ($0.0125\text{ mm}$), bề mặt láng mịn	Chi phí vật liệu và thiết bị rất đắt, độc hại
LOM (Laminated Object)	Cắt dán lớp vật liệu tấm (giấy, kim loại)	Vật liệu rẻ, tốc độ cắt biên dạng nhanh	Bề mặt thô ráp, khó bóc tách vật liệu thừa
FDM (Truyền thống - Đai)	Đùn nhựa nóng chảy qua đầu phun	Chi phí thấp, kết cấu đơn giản	Rơ đai, rung lắc, sai số tích lũy
FDM Cải tiến (Đề tài)	Đùn nhựa + 3 trục vít me & ray trượt vuông	Độ cứng vững cao, chính xác, kinh tế, dễ vận hành	Tốc độ in vừa phải ($40 - 60\text{ mm/s}$)

Tuy nhiên, phần lớn các máy in 3D thương mại giá rẻ trên thị trường hiện nay (như mô hình Prusa i3 cơ bản) sử dụng hệ truyền động bằng dây đai cao su. Hệ thống đai thường có độ rơ cơ khí đàn hồi, dễ biến dạng theo thời gian và gây sai số kích thước khi in các chi tiết giải phẫu có độ cong phức tạp. Ngược lại, các dòng máy in công nghiệp chuyên dụng y tế (như máy in SLA, SLM) lại có giá thành đầu tư và chi phí vận hành quá cao, vượt quá khả năng tiếp cận của nhiều cơ sở y tế và viện nghiên cứu trong nước.

Đề tài được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống này bằng cách nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một máy in 3D FDM nội địa với hệ thống truyền động 3 trục bằng vít me – ray trượt vuông. Giải pháp này kết hợp hài hòa giữa chi phí sản xuất kinh tế và độ chính xác hình học cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe của mô hình giải phẫu y sinh.

---

Methodology và approach

Nghiên cứu áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật cơ điện tử toàn diện, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết, mô phỏng tham số số học và kiểm chứng thực nghiệm thực tế.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TOÀN DIỆN                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế Cơ khí:                                                               |
|    • Khung nhôm định hình 30x30 / 20x20 mm, phay mặt phẳng CNC, ke góc gia cường.  |
|    • Động học Cartesian XZ: Bàn in chuyển động Y, Cụm đầu phun chuyển động XZ.    |
|    • Bộ truyền Vít me - Đai ốc & Ray trượt vuông trên toàn bộ 3 trục tọa độ.       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 2. Hệ thống Điện & Điều khiển:                                                    |
|    • Vi điều khiển: Bo mạch MKS Gen L V1.0 (nhúng nền tảng Arduino ATmega2560).    |
|    • Cơ cấu chấp hành: Động cơ bước 2 pha NEMA kết hợp Driver vi bước LV8729.     |
|    • Cảm biến nhiệt trở NTC 100k, bàn nhiệt gia nhiệt nhôm, công tắc hành trình. |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 3. Chuỗi Công cụ Phần mềm & Tối ưu hóa:                                           |
|    • CAD: SolidWorks (Dựng mô hình chi tiết, phân tích chuyển động, lắp ráp ảo).   |
|    • CAM: Slicing trên Cura (Layer Height, Infill, Support, Retraction, Speed).   |
|    • Firmware: Tinh chỉnh mã nguồn mở Marlin cho cấu hình vít me 3 trục.          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Phương án thiết kế kết cấu cơ khí

Nhóm nghiên cứu đã phân tích so sánh giữa cơ cấu robot song song (Delta) và hệ tọa độ vuông góc (Cartesian XZ):

• Lựa chọn kết cấu Cartesian XZ: Bàn in chuyển động theo trục Y, cụm đầu phun di chuyển theo trục X và Z. Cả ba trục $X, Y, Z$ đều sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc kết hợp sống trượt/ray trượt vuông dẫn hướng. Kết cấu này đem lại độ cứng vững cơ học vượt trội, chống rung hiệu quả, độ chính xác lặp lại cao và dễ căn chỉnh độ phẳng bàn in so với hệ thống robot Delta hay truyền động đai.
• Khung máy: Sử dụng nhôm định hình kích thước $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$. Các thanh nhôm được cắt và đưa lên máy phay CNC để phay phẳng hai đầu mút nhằm đảm bảo độ vuông góc tuyệt đối khi lắp ráp bằng bulông lục giác và ke góc nhôm. Hệ thống chân máy được trang bị 4 đệm cao su giảm chấn để triệt tiêu các dao động tần số thấp phát sinh trong quá trình đảo chiều động cơ.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển nhúng

• Mạch điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch tích hợp MKS Gen L V1.0 (tương thích vi điều khiển ATmega2560), hỗ trợ đầy đủ các cổng kết nối ngoại vi cho bàn nhiệt, đầu đùn gia nhiệt và công tắc giới hạn hành trình (endstops).
• Mạch công suất điều khiển động cơ bước (Driver): Lựa chọn driver LV8729 thay vì A4988 phổ thông. Driver LV8729 hỗ trợ phân giải vi bước cao (lên đến 1/128 microstep), mang lại khả năng điều khiển băm xung dòng điện ổn định, giúp động cơ bước 2 pha quay êm, giảm phát sinh nhiệt lượng và hạn chế tối đa hiện tượng trượt bước (step loss).
• Cụm gia nhiệt và tời nhựa: Sử dụng đầu phun đùn trực tiếp (direct drive) hoặc dẫn sợi bowden kết hợp khối nhôm tản nhiệt, điện trở nhiệt $12\text{V}/40\text{W}$ và cảm biến nhiệt điện trở NTC 100k giúp kiểm soát nhiệt độ nung chảy chính xác trong phạm vi $\pm 1^\circ\text{C}$.

3. Quy trình xử lý phần mềm và thực nghiệm in

• Dữ liệu quét 3D cấu trúc khớp cổ chân được mô hình hóa và xử lý lưới trên SolidWorks, sau đó xuất sang định dạng .STL.
• Phần mềm CAM (Cura / Repetier-Host) thực hiện cắt lớp mô hình với các thiết lập tối ưu: chiều dày lớp in ($0.1 - 0.2\text{ mm}$), tốc độ in ($40 - 60\text{ mm/s}$), cơ cấu tạo vật liệu đỡ (support structure), và chế độ hồi nhựa (retraction) nhằm ngăn chặn hiện tượng tưa sợi (stringing).
• Nạp G-code thông qua thẻ nhớ SD trên màn hình LCD đồ họa tích hợp để máy vận hành độc lập, loại bỏ rủi ro gián đoạn tín hiệu truyền thông từ máy tính cá nhân.

---

Phát hiện chính

Quá trình tính toán, chế tạo và thử nghiệm thực tế đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ KỸ THUẬT THEN CHỐT                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Độ chính xác vượt trội của bộ truyền vít me 3 trục so với hệ đai

Việc thay thế toàn bộ dây đai truyền thống bằng trục vít me – đai ốc trên cả ba trục $X, Y, Z$ đã giải quyết triệt để bài toán biến dạng đàn hồi khi đầu in tăng tốc hoặc đảo chiều đột ngột. Kết quả đo kiểm cho thấy độ chính xác vị trí đạt dưới $0.1\text{ mm}$, độ bóng bề mặt chi tiết in đồng đều và không xuất hiện hiện tượng gợn sóng (ghosting/ringing) trên bề mặt ngoài của xương cổ chân.

2. Hiệu quả kiểm soát nhiệt và chống rung của Driver LV8729

So sánh thực nghiệm giữa driver A4988 và LV8729 cho thấy: Khi chạy liên tục trong 6–8 giờ in mẫu giải phẫu, driver LV8729 kết hợp vi bước $1/32$ và $1/64$ giúp nhiệt độ cuộn dây động cơ bước duy trì ổn định dưới $50^\circ\text{C}$ (giảm $15 - 20^\circ\text{C}$ so với A4988), tiếng ồn cơ khí giảm hơn 60%, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng lệch bước ở các phân đoạn in chi tiết hẹp.

3. Tương quan giữa thông số cắt lớp và chất lượng tạo hình sinh học

Nghiên cứu đã xác lập bộ thông số in tối ưu dành riêng cho việc tạo hình khớp cổ chân bằng vật liệu nhựa nhiệt dẻo PLA/ABS:

• Tốc độ in hiệu dụng: $45 - 55\text{ mm/s}$ (vừa đảm bảo độ kết dính lớp, vừa rút ngắn thời gian in).
• Chiều dày lớp in (Layer Height): $0.12 - 0.15\text{ mm}$ là điểm cân bằng lý tưởng giữa thời gian gia công và độ mịn giải phẫu.
• Nhiệt độ đùn / Bàn in: $200 - 205^\circ\text{C}$ cho đầu phun và $60^\circ\text{C}$ cho bàn nhiệt (đối với PLA), kết hợp lớp phủ bề mặt bám dính giúp loại bỏ hoàn toàn lỗi cong vênh chân đế (warping).

4. Chế tạo thành công mẫu vật lý khớp cổ chân hoàn chỉnh

Mẫu in khớp cổ chân thực nghiệm thể hiện đầy đủ và chính xác các chi tiết xương sên, xương gót, đầu dưới xương chày và xương mác. Các khe khớp và bề mặt tiếp xúc sụn được tái tạo rõ ràng, cho phép bác sĩ và kỹ sư cơ sinh học thực hiện các thao tác lắp ghép, thử nghiệm chuyển động uốn – duỗi và nghiên cứu cơ chế truyền lực một cách trực quan.

---

Đóng góp khoa học

Đề tài "Thiết kế và chế tạo máy in 3D khớp cổ chân" của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại nhiều đóng góp thiết thực trên cả phương diện lý thuyết lẫn thực tiễn:

1. Đóng góp về mặt phương pháp và kỹ thuật chế tạo:

   • Xây dựng hoàn chỉnh chu trình tính toán, thiết kế và chế tạo một dòng máy in 3D FDM chuẩn xác cao sử dụng 100% vít me trên 3 trục, đưa ra giải pháp cân bằng giữa độ cứng vững cơ học và chi phí chế tạo.
   • Chuẩn hóa quy trình liên kết từ mô hình thiết kế CAD, xử lý CAM cho đến cài đặt firmware điều khiển nhúng trên nền tảng nguồn mở.

2. Giá trị ứng dụng thực tiễn trong Y tế và Chỉnh hình:

   • Cung cấp phương tiện trực quan hóa cấu trúc xương khớp cho các bệnh viện và trường đại học y khoa với chi phí thấp.
   • Tạo nền tảng để phát triển các giá đỡ sinh học (scaffold) phục vụ nuôi cấy tế bào, hoặc tạo mẫu dưỡng định vị phẫu thuật (surgical guides) hỗ trợ mổ chỉnh hình xương gót và khớp cổ chân.

3. Ý nghĩa giáo dục và chuyển giao công nghệ:

   • Khẳng định năng lực làm chủ công nghệ chế tạo máy in 3D của sinh viên và kỹ sư Việt Nam, giảm thiểu sự phụ thuộc vào máy móc ngoại nhập đắt đỏ.
   • Đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho các chương trình đào tạo chuyên ngành Cơ điện tử, Robot và Công nghệ Chế tạo máy.

---

Đối tượng quan tâm

Báo cáo nghiên cứu này cung cấp thông tin chuyên sâu và mang lại lợi ích trực tiếp cho nhiều nhóm đối tượng:

• Các nhà nghiên cứu và giảng viên Cơ khí – Cơ điện tử: Cung cấp cơ sở tính toán bộ truyền vít me – đai ốc, phương pháp khử rung, tích hợp vi điều khiển và cấu hình firmware máy in 3D FDM.
• Bác sĩ phẫu thuật chấn thương chỉnh hình và chuyên gia y sinh: Nắm bắt phương pháp chuyển đổi dữ liệu hình ảnh giải phẫu thành mô hình vật lý phục vụ chẩn đoán, hội chẩn tiền phẫu và tư vấn bệnh nhân.
• Kỹ sư R&D và doanh nghiệp sản xuất thiết bị: Tham khảo kết cấu cơ khí Cartesian XZ độ cứng vững cao để ứng dụng vào các dòng máy in 3D chuyên dụng hoặc máy CNC mini tạo mẫu nhanh.
• Sinh viên kỹ thuật: Nguồn tài liệu học tập toàn diện về thiết kế đồ án tốt nghiệp, tích hợp hệ thống phần cứng – phần mềm và xử lý lỗi in 3D thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện kỹ thuật quan trọng nhất của đề tài là gì?

Trả lời: Phát hiện then chốt là việc ứng dụng cấu trúc truyền động 3 trục bằng vít me – đai ốc kết hợp ray trượt vuông giúp triệt tiêu hiện tượng dơ/rơ đàn hồi của dây đai, mang lại độ ổn định cơ học cao và kiểm soát dung sai bề mặt dưới $0.1\text{ mm}$, rất phù hợp cho việc tạo mẫu các hình học sinh học uốn lượn phức tạp như khớp cổ chân.

2. Phương pháp nghiên cứu cơ khí trong đề tài có điểm gì đặc biệt?

Trả lời: Nghiên cứu không sử dụng các khung máy đúc sẵn thương mại mà tự tính toán, gia công khung nhôm định hình qua máy phay CNC để phẳng mặt đầu, tự thiết kế cụm truyền động Cartesian XZ và tích hợp driver vi bước LV8729 để tối ưu khả năng chống ồn và giảm nhiệt động cơ.

3. Kết quả của nghiên cứu có thể khái quát hóa (generalize) cho các ứng dụng khác không?

Trả lời: Hoàn toàn có thể. Cấu trúc máy in 3D này có thể mở rộng để in bất kỳ mô hình giải phẫu nào khác (như khớp gối, xương sọ, đốt sống) hoặc in các chi tiết cơ khí đòi hỏi độ chính xác lắp ghép cao mà máy in 3D thông thường không đáp ứng được.

4. Các bước nghiên cứu tiếp theo (Next Steps) của đề tài là gì?

Trả lời: Hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tích hợp cảm biến cân bàn tự động (Auto Bed Leveling), nghiên cứu ứng dụng đầu đùn kép để in vật liệu đỡ tan trong nước (PVA), và thử nghiệm in các vật liệu tương thích sinh học như PCL (Polycaprolactone) phục vụ cấy ghép mô.

5. Mô hình khớp cổ chân in từ máy này có dùng để cấy ghép trực tiếp vào cơ thể người được không?

Trả lời: Hiện tại, sản phẩm in từ vật liệu PLA/ABS chỉ phục vụ mục đích mô phỏng giải phẫu, lập kế hoạch mổ và đào tạo. Để cấy ghép trực tiếp vào cơ thể người, hệ thống cần được nâng cấp đầu đùn tương thích sinh học (in PCL, Hydroxyapatite hoặc in kim loại Titan bằng công nghệ SLM) trong môi trường vô trùng y tế.

---

Kết luận

Đề tài "Nghiên Cứu Thiết Kế và Chế Tạo Máy In 3D Khớp Cổ Chân" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra: từ tính toán thiết kế cơ khí, chế tạo phần cứng vững chắc với bộ truyền vít me 3 trục, tích hợp mạch điều khiển nhúng thông minh, đến việc in thực nghiệm thành công mô hình khớp cổ chân chuẩn xác. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả kinh tế của việc tự chủ công nghệ tạo mẫu nhanh y sinh tại Việt Nam.

Trong tương lai, việc tiếp tục nâng cấp hệ thống cảm biến thông minh và mở rộng sang các dòng vật liệu sinh học sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong điều trị lâm sàng. Các đơn vị y tế, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ được khuyến khích hợp tác liên ngành để hoàn thiện và thương mại hóa dòng máy in chuyên dụng này, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền y học chính xác tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY IN 3D KHỚP CỔ CHÂN S K C 0 0 3 9 5 9 Mà SỐ: SV2020-95 S KC 0 0 7 4 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M Kþ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG KÀT Đ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HâC CĂA SINH VIÊN Đ TÀI : THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O MÁY IN 3D KHàP Cà CHÂN Mã số đà tài : SV2020-95 Chă nhiám đà tài: Ph¿m Đình Tuyên TP Hß Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020 i Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M Kþ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TàNG KÀT Đ TÀI NGHIÊN CĄU KHOA HâC CĂA SINH VIÊN Đ TÀI : THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O MÁY IN 3D KHàP Cà CHÂN Mã số đà tài : SV2020-95 Thuác nhóm ngành khoa học: Kỹ thuÁt và y tÁ SV thực hián: Ph¿m Đình Tuyên Nam, Nữ: Nam Nguyßn Đß Minh Tu¿n Nam, Nữ: Nam Tránh Công Vinh Nam, Nữ: Nam Đặng Quang Thăng Nam, Nữ: Nam Đặng Thành Vánh Nam, Nữ: Nam Dân tác: Kinh Lãp, khoa: 16143CL1 – Khoa CLC Năm thą: 4 Số năm đào t¿o: 4 Ngành học: Công Nghá ChÁ T¿o Máy Ng°åi h°ãng d¿n: Th.S Phan ThÁ Nhân TP Hß Chí Minh, Tháng 08 Năm 2020 ii LâI NÓI ĐÀU Đà tài THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O MÁY IN 3D KHâP Cà CHÂN không phÁi là đà tài mãi l¿, thÁm chí hình thąc công nghiáp này đã đ°ÿc chÁ t¿o, sÁn xu¿t và phát triển trên nhiÃu thá tr°ång thÁ giãi cũng nh° Viát Nam. Nhóm chúng em quyÁt đánh chọn đà tài này để làm đß án tốt nghiáp vì có tính thực tißn cao và áp dāng vào đåi sống. Trong quá trình thực hián đß án này đã giúp chúng em biÁt thiÁt kÁ và chÁ t¿o ra mát sÁn phẩm, hoàn thián các kỹ năng làm viác nhóm cũng nh° kỹ năng sử dāng các phÁn mÃm c¢ khí chuyên dùng nh° Autocad, Solidwork, Cura,.

Bên c¿nh đó chúng em rút kinh nghiám và biÁt lựa chọn các ph°¢ng án gia công hÿp lý, phù hÿp vãi khÁ năng và điÃu kián kinh tÁ. Trong thåi gian thực hián đà tài này, nhóm đã gặp nhiÃu khó khăn nh°ng vãi sự giúp đỡ tÁn tình căa giáo viên h°ãng d¿n Phan ThÁ Nhân đã giúp nhóm em hoàn thành đà tài này. Do thåi gian và trình đá có giãi h¿n nên đß án này v¿n còn nhiÃu sai sót, r¿t mong đ°ÿc các ThÁy (Cô) nhÁn xét để nhóm có thể sửa chữa và rút kinh nghiám.HCM, ngày tháng năm 20 Nhóm sinh viên thực hián đà tài i LâI CÀM ¡N Chúng em không thể theo đuái và hoàn thành đà tài này nÁu không có sự t¿o điÃu kián và giúp đỡ căa những ng°åi thân, b¿n bè và ThÁy (Cô). Vì vÁy, chúng em vô cùng biÁt ¢n và trân trọng những giúp đỡ dành cho chúng em trong thåi gian qua.

Chúng em xin gửi låi cÁm ¢n đÁn những ng°åi thân trong gia đình, b¿n bè xung quanh đã hÁt lòng quan tâm, giúp đỡ để chúng em có đ°ÿc điÃu kián tốt nh¿t hoàn thành đß án. Chúng em xin chân thành cÁm ¢n đÁn t¿t cÁ quý ThÁy Cô Khoa C¢ khí ChÁ t¿o máy, Bá môn C¢ khí chÁ t¿o máy và quý thÁy cô các khoa thuác tr°ång пi học S° ph¿m Kỹ thuÁt TP.HCM đã trang bá cho chúng em những kiÁn thąc c¢ bÁn, những kinh nghiám thực tißn và những kiÁn thąc chuyên môn cũng nh° đã nhiát tình h°ãng d¿n giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học và nh¿t là trong thåi gian thực hián đà tài. Chúng em xin chân thành cÁm ¢n giáo viên h°ãng d¿n Phan ThÁ Nhân, ng°åi đã tÁn tình giúp đỡ, chß d¿n viác thực hián đß án này và giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo để đ¿t đ°ÿc kÁt quÁ tốt nh¿t. Em xin chân thành cÁm ¢n các ThÁy (Cô)! Tp Hß Chí Minh, ngày tháng năm 20 Nhóm sinh viên thực hián đà tài ii TÓM TÂT Đ TÀI THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O MÁY IN 3D KHàP Cà CHÂN In 3D trong công nghiáp đ°ÿc gọi là TMN (t¿o m¿u nhanh), là mát trong những ngành công nghá mãi đang phát triển m¿nh m¿.

Công nghá in 3D t¿o ra sÁn phẩm thÁt, vÁt thể thÁt mà ta có thể cÁm trên tay, så mó, quan sát mát cách chính xác giúp ta có thể cÁm nhÁn chúng dß dàng h¢n mà chúng ta không cÁn phÁi suy nghĩ m¢ hß, t°çng t°ÿng ra nó. Trên thÁ giãi, tÁm Ánh h°çng căa In 3D trên thá tr°ång công nghá ngày càng tăng, vãi viác các ąng dāng căa in 3D xu¿t hián ngày càng nhiÃu trong các lĩnh vực khác nhau nh° : y học, sÁn xu¿t, chÁ t¿o công cā & Hián t¿i ç Viát Nam, in 3D cũng đang dÁn đ°ÿc phá biÁn trong giãi nghiên cąu và TMN, và vì thÁ viác tự nghiên cąu thiÁt kÁ chÁ t¿o máy in 3D cũng ngày càng đ°ÿc quan tâm h¢n bçi các nhóm nghiên cąu. & Trên thÁ giãi, các ąng dāng này đã xu¿t hián và bÃt đÁu đ°ÿc tiêu thā ráng rãi trên thá tr°ång, cùng lúc vãi sự xu¿t hián căa những công ty chuyên ngành, đã và đang phát triển không ngừng. Đà tài này đ°ÿc thực hián trong bối cÁnh ngành công nghá in 3D trong n°ãc và trên thÁ giãi đang phát triển m¿nh m¿, nhiÃu tr°ång đ¿i học và các công ty lãn đã tự chÁ t¿o, sÁn xu¿t đ°a ra thá tr°ång sử dāng ngày càng ráng rãi, và đ°ÿc ąng dāng nhiÃu trong các ngành thiÁt kÁ.

æ đà tài này, nhóm đặt ra māc tiêu thiÁt kÁ và chÁ t¿o mát máy in 3D hoàn chßnh in đ°ÿc vÁt thÁt vãi yêu cÁu là phÁi thiÁt kÁ đ°ÿc phÁn cąng c¢ khí vãi đá chính xác cao. ThiÁt kÁ và chÁ t¿o máy in vãi c¿u trúc 3 trāc là vít me - thanh tr°ÿt vuông. Nhóm sinh viên thực hián đà tài iii PROJECT ABSTRACT 3D printing in the industry, called TMN (rapid prototyping), is one of the burgeoning new technology industries. 3D printing technology creates real products, real objects that we can hold in our hands, touch and observe accurately so that we can feel them more easily without having to think vaguely&, imagine it.

In the world, the influence of 3D printing in the technology market is increasing, with the application of 3D printing appearing more and more in different fields such as medicine, manufacturing, and tool making. Currently in Vietnam, 3D printing is also gaining popularity among TMN researchers, and therefore the self-study of 3D printer design and manufacturing is also getting more and more attention by research groups. In the world, these applications have appeared and started to be widely consumed in the market, at the same time with the appearance of specialized companies, which have been growing constantly. This project is implemented in the context of the 3D printing industry in the country and the world is growing strongly, many universities and large companies have self-produced, produced and brought to use in the market.

extensively, and applied extensively in design industries. In this project, the team set a goal of designing and manufacturing a complete 3D printer that can print real objects with the requirement that mechanical hardware must be designed with high precision. with 3- axis structure is square slider me-screw. Group of students implementing project iv LäI NÓI ĐÀU.

ii TÓM TÂT ĐÂ TÀI. iii DANH MĀC HÌNH ÀNH. viii DANH MĀC BÀNG. xii THÔNG TIN KÀT QUÀ NGHIÊN CĄU CĂA ĐÂ TÀI.

xiii CH¯¡NG 1. GIâI THIàU V Đ TÀI .1 Tính c¿p thiÁt căa đà tài.2 Tình hình nghiên cąu trong và ngoài n°ãc .3 Ý nghĩa khoa học và thực tißn căa máy in 3D khãp cá chân .5 Ph°¢ng pháp nghiên cąu .1 Ph°¢ng pháp thu thÁp và táng h¢p tài liáu .2 Ph°¢ng pháp phân tích thực nghiám. TàNG QUAN NGHIÊN CĄU Đ TÀI .1 Giãi thiáu và công nghá TMN (T¿o m¿u nhanh-in 3D) .2 Sự ra đåi và phát triển căa ph°¢ng pháp TMN .1 Thåi kỳ đÁu: T¿o m¿u bằng tay .2 Thåi kỳ thą hai: PhÁn mÃm t¿o m¿u hay t¿o m¿u Áo.3 Mát số công nghá t¿o m¿u nhanh .1 Công nghá SLA .2 Công nghá LOM (Laminated Object Manufacturing) .4 Ąng dāng căa TMN.1 Phát triển sÁn phẩm mãi .2 Kiểm tra chąc năng làm viác căa sÁn phẩm.4 Ąng dāng trong y học .1 Giãi thiáu mát số m¿u máy in 3D .2 Máy in 3D delta Kossel .2 Khái quát chung và máy in 3D .2 Cách ho¿t đáng .3 Phân lo¿i đáng c¢ b°ãc: .1 Đáng c¢ b°ãc nam châm vĩnh cữu .2 Đáng c¢ biÁn từ trç .4 Các ph°¢ng pháp điÃu khiển đáng c¢ b°ãc.4 C¢ c¿u truyÃn đáng vít me-đai ốc .1 C¢ c¿u vitme-đai ốc tr°ÿt .2 C¢ c¿u vitme đai ốc bi.5 Ray tr°ÿt d¿n h°ãng .6 TruyÃn đáng đai. PH¯¡NG H¯âNG VÀ CÁC GIÀI PHÁP THIÀT KÀ .1 Thông số máy in .2 Các ph°¢ng án thiÁt kÁ kÁ kÁt c¿u máy in .1 Ph°¢ng án 1: TruyÃn đáng Cartesian XZ, bá truyÃn đáng vitme - đai ốc .2 Ph°¢ng án 2: TruyÃn đáng Delta, bá truyÃn đáng đai .3 Lựa chọn ph°¢ng án .4 Trình tự thực hián.

TÍNH TOÁN VÀ THIÀT KÀ C¡ KHÍ .2 ThiÁt kÁ cām c¢ khí trāc Z .1 Tính toán truyÃn đáng vít me - đai ốc tr°ÿt 3 trāc Z .2 Tính toán truyÃn đông vitme - đai ốc tr°ÿt trāc X .3 Tính toán truyÃn đáng vitme - đai ốc tr°ÿt trāc Y .4 Tính toán công su¿t đáng c¢ và chọn số vòng quay đáng c¢ .5 Bá phÁn đùn nhựa .2 Bá đÁu phun gia nhiát nhựa .3 Ch¿t l°ÿng sÿi nhựa .6 Tính toán thiÁt kÁ phÁn đián .7 ThiÁt lÁp thông số phÁn cąng. KÀT LUÀN-Đ NGHà .2 Quy trình lÃp ráp máy in .3 Quy trình vÁn hành máy .4 Các lßi và cách khÃc phāc khi in .5 H°ãng phát triển. 77 TÀI LIàU THAM KHÀO. 78 vii DANH MĀC HÌNH ÀNH Hình 1.1 Quy trình chÁ t¿o giá thể Polycaprolacton&&&&&&&&&&&&&1 Hình 1.3 Mô hình khãp cá tay giÁ&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&3 Hình 2.1 S¢ đß nguyên lý căa công nghá SLA&&&&&&&&&&&&&&&7 Hình 2.2 S¢ đß công nghá LOM&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.3 S¢ đß nguyên lý công nghá FDM&&&&&&&&&&&&&&&&.4 Siêu xe đ°ÿc in 3D đÁu tiên trên thÁ giãi (Divergent Blade 2015)&&&&10 Hình 2.5 Mát đáng c¢ máy bay đ°ÿc in 3D để kiểm tra lßi&&&&&&&&&&11 Hình 2.6 T¿o khuôn bằng công nghê in 3D&&&&&&&&&&&&&&&&11 Hình 2.7 Các khãp x°¢ng đ°ÿc t¿o từ máy in 3D&&&&&&&&&&&&&.2 Máy in 3D delta Kossel&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&14 Hình 3.7 C¿u t¿o đáng c¢ b°ãc nam châm vĩnh cửu&&&&&&&&&&&&.8 Nguyên lý ho¿t đáng căa đáng c¢ b°ãc nam châm vĩnh cửu.9 Nguyên lý ho¿t đáng căa đáng c¢ biÁn từ trç&&&&&&&&&&&.10 Đáng c¢ b°ãc 2 pha l°ỡng cực và đ¢n cực&&&&&&&&&&&&22 Hình 3.11 Vitme đai ốc&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.12 C¢ c¿u vit me đai ốc bi&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.13 KÁt c¿u vitme đai ốc bi&&&&&&&&&&&&&&&&&&.14 C¢ c¿u điÃu chßnh khe hç vitme-đai ốc bi&&&&&&&&&&&&26 Hình 3.15 Ray tr°ÿt d¿n h°ãng&&&&&&&&&&&&&&&&&&&.16 TruyÃn đáng đai&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&28 viii Hình 4.1 Máy in theo truyÃn đáng Cartesian XZ&&&&&&&&&&&&.2 Máy in delta&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&30 Hình 5.