Luận văn Nghiên cứu công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng và ứng dụng in các mô hình sản phẩm y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

VÕ MINH HIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D TỪ VẬT LIỆU

LỎNG VÀ ỨNG DỤNG IN CÁC MÔ HÌNH

SẢN PHẨM Y SINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103

SKC0 0 6 3 5 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

VÕ MINH HIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D TỪ VẬT LIỆU LỎNG

VÀ ỨNG DỤNG IN CÁC MÔ HÌNH

SẢN PHẨM Y SINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

VÕ MINH HIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ IN 3D TỪ VẬT LIỆU LỎNG

VÀ ỨNG DỤNG IN CÁC MÔ HÌNH

SẢN PHẨM Y SINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103

Hướng dẫn khoa học:

TS. VŨ QUANG HUY

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

i

ii

iii

iv

v

vi

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Võ Minh Hiệp

Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1995

Quê quán: Ninh Thuận

Giới tính: Nam

Nơi sinh: Ninh Thuận

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Tổ 2, khu phố I, phường Đô Vinh, thành phố

Phan Rang Tháp Chàm, tỉnh Ninh Thuận.

Điện thoại cơ quan:

Fax:

Điện thoại nhà riêng:

E-mail: [email protected]

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1. Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo:

……

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2. Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2013 đến 8/2017

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Ngành học: Công nghệ chế tạo máy.

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cải tiến, chế tạo bộ phận

đóng bịch nấm (theo hướng tự động và tăng năng suất).

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 8/2017 tại trường Đại

học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Người hướng dẫn: TS.Văn Hữu Thịnh

3. Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 04/2018 đến 10/2019

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Ngành học: Kỹ thuật cơ khí.

i

Tên luận văn: Nghiên cứu công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng và ứng dụng in các

mô hình sản phẩm y sinh.

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 26/10/2019

Người hướng dẫn: TS.Vũ Quang Huy

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:

Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Thiết kế máy

Công ty TNHH sản xuất thương

mại dịch vụ Thế Hải

9/2018 - nay

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác .

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 9 năm 2019

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Võ Minh Hiệp

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy hướng dẫn khoa

học TS. VŨ QUANG HUY - giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

TP.HCM, Thầy đã rất nhiệt tình đóng góp ý kiến, giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn

thành chuyên đề một cách tốt nhất.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ

Thuật TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng và

chuyên môn cho tôi trong thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý

Thầy, Cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá

trình làm bài đến khi hoàn thành chuyên đề.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Võ Minh Hiệp

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên thế giới, công nghệ in 3D đang phát triển mạnh mẽ, các công nghệ in 3D và

thiết bị in 3D liên tục ra đời, với những tính năng vượt trội. Nhiều sản phẩm được

tạo ra từ công nghệ in 3D đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong

y học, một số bộ phận cơ thể người đã được chế tạo từ công nghệ in 3D như: sọ

người, tay người,… Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu

về công nghệ in 3D, đặc biệt là công nghệ in 3D từ vật liệu lỏng. Do đó, đề tài này

sẽ tập trung nghiên cứu nguyên lý in 3D từ vật liệu lỏng, từ đó sẽ lựa chọn công

nghệ phù hợp cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị in; ứng dụng in các mô hình sản

phẩm y sinh; và khảo sát ảnh hưởng của thông số in tới chất lượng sản phẩm.

v

ABSTRACT

In the world, 3D printing technology is developing strongly, 3D printing

technologies and 3D printing equipment are constantly being born, with outstanding

features. Many products made from 3D printing technology have been applied in

many fields, especially in medicine, some parts of the human body have been made

from 3D printing technology such as: human skull, human hands , ... However, in

our country there are not many researches on 3D printing technology, especially 3D

printing technology from liquid materials. Therefore, this topic will focus on

studying the principle of 3D printing from liquid materials, thereby selecting the

appropriate technology for designing and manufacturing printing equipment; print

application of biomedical product models; and investigate the influence of print

parameters on product quality.

vi

MỤC LỤC

Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học………………………………………………………………………….i

Lời cam

đoan……………………………………………………………………………iiii

Lời cảm ơn……………………………………………………………………………....iv

Tóm tắt……………………………………………………………….…………………..v

Mục lục…………………………………………………………………………….…...vii

Danh sách các hình……………………………………………………………..….….....x

Danh sách các bảng..………………………………….…………………………….…xvi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................1

1.1.Đặt vấn đề: .............................................................................................................1

1.2.Nội dung nghiên cứu: .............................................................................................1

1.3.Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài:.................................................................2

1.4.Phương pháp nghiên cứu: .......................................................................................2

1.5.Điểm mới của luận văn:..........................................................................................2

1.6.Giá trị thưc tiễn của luận văn:.................................................................................2

1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước:.....................................................................3

1.7.1. Các nghiên cứu trong nước:.............................................................................3

1.7.2. Các nghiên cứu ngoài nước:.............................................................................3

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ IN 3D..............................................................................5

2.1. Giới thiệu về in 3D: ...............................................................................................5

2.2. Công nghệ in 3D:...................................................................................................7

2.2.1. Giới thiệu về công nghệ in 3D: ........................................................................7

2.2.2. Khả năng của công nghệ in 3D: .....................................................................10

2.3. Vật liệu in 3D:.....................................................................................................16

2.3.1. Vật liệu nhựa PLA:........................................................................................16

2.3.2. Nhựa resin: ....................................................................................................18

vii

2.4. Các loại máy in 3D vật liệu lỏng có trên thị trường:.............................................23

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................26

3.1. Nguyên lý đóng rắn nhựa epoxy bằng tia UV: .....................................................26

3.1.1. Công thức hóa học nhựa epoxy :...................................................................26

3.1.2. Tia UV :........................................................................................................28

3.1.3. Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV :.................................................................30

3.2. Nguyên lý in 3D từ vật liệu lỏng:.........................................................................31

3.2.1. Công nghệ SLA:............................................................................................31

3.2.2. Công nghệ DLP:............................................................................................32

3.2.3. Công nghệ in 3D liên tục (CLIP): ..................................................................33

3.3. Lựa chọn công nghệ in 3D:..................................................................................34

3.4. Kết cấu thiết bị in 3D DLP: .................................................................................36

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .....................................................................41

4.1. Giới thiệu thiết bị:................................................................................................41

4.2. Tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị: ..................................................................42

4.2.1. Tính toán thiết bị dẫn động trục Z:.................................................................43

4.2.2. Các thiết bị điện:............................................................................................48

4.3. Phần mềm cắt lớp:...............................................................................................55

4.4. Thiết lập thiết bị in: .............................................................................................58

4.4.1. Vận hành thiết bị bằng màn hình LCD cảm ứng:............................................58

4.4.2. Các bước thiết lập thiết bị trước khi in:..........................................................59

CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ IN TỚI CHẤT LƯỢNG

SẢN PHẨM …………………………………………………………………………..62

5.1. Các thông số khảo sát:.........................................................................................62

5.2. Thông số các mẫu in:...........................................................................................64

5.3. Khảo sát độ bền uốn của các mẫu in: ...................................................................65

5.3.1. Thay đổi bề dày lớp in: ..................................................................................65

5.3.2. Thay đổi thời gian phơi sáng:.........................................................................69

5.3.3. Thay đổi góc in Alpha:...................................................................................74

viii

5.3.4. Thay đổi góc in Beta:.....................................................................................78

5.4. Xử lý kết quả đo: .................................................................................................83

5.5. Kết luận:..............................................................................................................86

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG IN CÁC MÔ HÌNH SẢN PHẨM Y SINH ......................87

6.1. Quy trình in mô hình 3D DLP: ............................................................................87

6.2. Ứng dụng in các mô hình sản phẩm y sinh:..........................................................89

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN..........................................................................................92

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................93

ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2.1: TV 3D ……………………………………………………………………… 5

Hình 2.2: Phim 3D …………………………………………………………………… .5

Hình 2.3: Các sản phẩm in 3D ……………………………………………………… ..6

Hình 2.4: CT sọ não qua các lớp cắt ………………………………………………… ..6

Hình 2.5: Hộp sọ được tạo bằng công nghệ in 3D …………………………………….7

Hình 2.6: Mực in 3D……………………………………………………………………7

Hình 2.7: Xe máy được chế tạo bằng công nghệ in 3D ……………………………… .8

Hình 2.8: Công nghệ in 3D FDM ……………………………………………………...9

Hình 2.9: Công nghệ in 3D Resin …………………………………………………......9

Hình 2.10: Công nghệ in 3D SLS …………………………………………………… 10

Hình 2.11: Máy bay được chế tạo bằng công nghệ in 3D …………………………....11

Hình 2.12: Tên lửa được chế tạo bằng công nghệ in 3D …………………………… .11

Hình 2.13: Ô tô được chế tạo bằng công nghệ in 3D ………………………………...11

Hình 2.14: Giày thể thao được chế tạo bằng công nghệ in 3D ……………………… 12

Hình 2.15: Ngôi nhà được xây bằng công nghệ in 3D ……………………………….12

Hình 2.16: Tai người được chế tạo bằng công nghệ in 3D ………………………… ..13

Hình 2.17: Thiết bị mô phỏng lòng ngực được chế tạo bằng công nghệ in 3D ………13

Hình 2.18: Tay người được chế tạo bằng công nghệ in 3D………………………… ..14

Hình 2.19: Cấy ghép đốt sống cổ từ máy in 3D ………………………………………14

Hình 2.20: Váy được làm từ công nghệ in 3D ……………………………………… .14

Hình 2.21: Các mô hình 3D socola được tạo bằng công nghệ in 3D …………………15

Hình 2.22: Công nghệ in 3D trong giáo dục và đào tạo ………………………………16

Hình 2.23: Nhựa PLA ……………………………………………………………… ..16

Hình 2.24: Sáng tạo nghệ thuật tranh treo tường bằng các loại keo resin ……………18

Hình 2.25: Nhẫn gỗ resin và mặt dây truyền resin ……………………………………19

Hình 2.26: Resin epoxy trong suốt …………………………………………………...20

x

Hình 2.27: Keo resin trong suốt và chất tạo cứng …………………………………… 20

Hình 2.28: Acrylic Resin ……………………………………………………………..21

Hình 2.29: Ứng dụng của Polyester resin …………………………………………… 21

Hình 2.30: Ứng dụng của polyurethane Resin ……………………………………....22

Hình 2.31: Resin tiêu chuẩn ………………………………………………………….22

Hình 2.32: Resin nha khoa ……………………………………………………………23

Hình 2.33: Resin đúc trang sức ……………………………………………………… 23

Hình 2.34: Máy 3d printer arm-10 ………………………………………………… ...23

Hình 2.35: Máy 3d printer kings 1700 pro …………………………………………...24

Hình 2.36: Máy in 3D iSLA-450 Pro …………………………………… ..................24

Hình 3.1: Nhựa Epoxy nền Bisphenol – A ……………………… .............................26

Hình 3.2: Thành phần nhựa Epoxy nền Bisphenol – A ………………………………27

Hình 3.3: Nhựa Epoxy nền Bisphenol – F ………………………………………… ...27

Hình 3.4: Nhựa Epoxy nền Novolac ……………………………………… ...............28

Hình 3.5: Nguyên lý hoạt động của máy in 3D sử dụng tia UV………………………29

Hình 3.6: Nguyên lý đóng rắn bằng tia UV ………………………………………… .30

Hình 3.7: Nguyên lý in 3D công nghệ SLA ………………………………………….31

Hình 3.8: Sản phẩm in bằng công nghệ SLA ………………………………………...32

Hình 3.9: Nguyên lý in công nghệ DLP ……………………………………… ..........32

Hình 3.10: Một sổ sản phẩm mẫu được in bằng phương pháp DLP …………………33

Hình 3.11: Công nghệ in 3D liên tục (CLIP)………………………………………… 33

Hình 3.12: Nguyên lý in 3D liên tục (CLIP) …………………………………………34

Hình 3.13: Động cơ bước …………………………………………............................36

Hình 3.14: Cấu tạo động cơ bước ………………………………………....................37

Hình 3.15: Vitme ……………………………………… ............................................37

Hình 3.16: Cấu tạo vitme …………………...............................................................38

Hình 3.17: Màn hình tinh thể lỏng ………………………………………… ..............38

Hình 3.18: Cấu trúc màn hình LCD ………………………………………….............39

Hình 3.19: Cấu trúc màn hình tinh thể lỏng đen trắng………………………………..40

xi