Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAE và công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất răng giả

Chia sẻ: Tưởng Bách Xuyên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAE và công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất răng giả" nghiên cứu lập quy trình ứng dụng CAD/CAE, và công nghệ in 3D kim loại để sản xuất răng giả, phục vũ lĩnh vực y tế nha khoa. Đánh giá độ hoàn thiện của mẫu răng đã chế tạo và đưa ra khuynh hướng phát triển trong tương lai. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAE và công nghệ in 3D kim loại trong sản xuất răng giả

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD/CAE VÀ CÔNG NGHỆ IN 3D KIM LOẠI TRONG SẢN XUẤT RĂNG GIẢ Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Cường Sinh viên thực hiện: Trần Anh Hoàng Nguyễn Quốc Khánh Phạm Trung Thành Nguyễn Trường Hải Lớp: Kĩ thuật cơ khí 1 K62, Tự động hóa thiết kế cơ khí 1 K60, Kĩ sư tài năng cơ khí ô tô K60 Tóm tắt: Công nghệ in 3D kim loại (MAM-Metal Additive Manufacturing) mang đến nhiều ưu điểm so với các phương pháp sản xuất cơ khí truyền thống. Nó cho phép tạo ra các chi tiết có hình dáng mới, cấu trúc phức tạp và tự do trong việc lắp ráp, với sự giới hạn ít hơn về vật liệu. Các ngành công nghiệp hàng đầu áp dụng công nghệ in kim loại bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và nha khoa. Đề tài nghiên cứu lập quy trình ứng dụng CAD/CAE, và công nghệ in 3D kim loại để sản xuất răng giả, phục vũ lĩnh vực y tế nha khoa. Đánh giá độ hoàn thiện của mẫu răng đã chế tạo và đưa ra khuynh hướng phát triển trong tương lai. Từ khóa: Additive Manufacturing, Material Extrusion, dental crown and bridge 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ in 3D, hay còn được gọi là sản xuất bồi đắp (AM - Additive Manufacturing), là một công nghệ sản xuất tiên tiến, cho phép tạo ra các sản phẩm ba chiều từ dữ liệu mô hình số bằng cách bồi đắp từng lớp vật liệu khác nhau lên nhau để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Công nghệ in 3D kim loại (MAM-Metal Additive Manufacturing) mang đến nhiều ưu điểm so với các phương pháp sản xuất cơ khí truyền thống. Các ngành công nghiệp hàng đầu áp dụng công nghệ in kim loại bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và nha khoa. Gần đây, công nghệ in kim loại đã được quan tâm và áp dụng trong các lĩnh vực như dầu khí, điện tử, xây dựng và đường sắt, tạo ra những tiến bộ đáng kể trong thiết kế và sản xuất sản phẩm mới. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ in kim loại trong công nghiệp vẫn gặp nhiều khó khăn do các hạn chế về chất lượng in, xử lý sau in, yêu cầu sửa chữa và bảo dưỡng, giới hạn về vật liệu in, độ chính xác hình học, kích thước chi tiết, tiêu chuẩn hóa và chi phí. Các nghiên cứu gần đây về công nghệ in kim loại đã giúp vượt qua một số thách thức này, tăng cường sự ứng dụng của công nghệ này trong công nghiệp. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều vấn đề cần được nghiên cứu để cải thiện hiệu quả trong lĩnh vực này. 20
Công nghệ CAD/CAE (Computer-Aided Design/Computer-Aided Engineering) đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng sản phẩm chế tạo. Sử dụng công nghệ CAD/CAE, có thể so sánh mô hình kỹ thuật số với mô hình thiết kế ban đầu và phát hiện các sai số trong quá trình gia công. Công nghệ CAE có thể áp dụng các phương pháp phân tích và kiểm tra để đánh giá các sai số như độ cong, độ góc, kích thước, độ tròn và độ bằng phẳng. Điều này giúp kiểm tra và đảm bảo chất lượng của sản phẩm gia công. Sử dụng công nghệ CAD/CAE, có thể thực hiện tối ưu hóa quy trình gia công để giảm thiểu sai số. Bằng cách áp dụng các phân tích và mô phỏng, có thể đánh giá hiệu suất và tìm kiếm các thông số tối ưu trong quá trình in 3D kim loại. Việc tối ưu hóa quy trình in 3D kim loại giúp giảm thiểu sai số và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Bằng cách so sánh mô hình số với mô hình thiết kế ban đầu và áp dụng các phân tích, có thể xác định các sai số so với tiêu chuẩn. Điều này giúp đánh giá chất lượng sản phẩm và đảm bảo tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật được đặt ra. Trước đây khi nhắc đến công nghệ CAD/CAE người ta sẽ liên tưởng đến các thành tựu mà nó đã góp phần mang đến cho ngành công nghiệp ô tô, quân sự,...và được ứng dụng rộng rãi hơn. Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAE vào lĩnh vực nha khoa đã giúp tạo ra những sản phẩm đạt được độ thẩm mỹ, độ bền và chất lượng cao để ngày càng hoàn thiện hơn. Trên cơ sở những thông tin về bề mặt, hình ảnh những chiếc răng thật còn lại và sự liên hệ với xương hàm, khớp cắn của người trồng răng sứ, phần mềm sử dụng kỹ thuật CAD/CAE có thể tính toán và cho ra những đề xuất về thiết kế phục hình phù hợp với hình dạng của răng thật. Đó là lý do tại sao những chiếc răng sứ sản xuất từ công nghệ CAD/CAE có được hình dáng, màu sắc và độ tự nhiên như răng thật mà các công nghệ truyền thống không đạt được. 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Công nghệ in 3D kim loại và ứng dụng Công nghệ AM đã được áp dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, kỹ thuật cơ khí, ô tô, y sinh và năng lượng. Hình 1.1 thể hiện thị phần ứng dụng công nghệ in 3D trong các lĩnh vực vào năm 2018 [1]. Hình 1. 1.Ứng dụng công nghệ sản xuât bồi đắp (AM) 21
Các công nghệ AM chia ra thành bảy loại [2], được xác định bởi Ủy ban Quốc tế F42 của Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM). Các ứng dụng thương mại của cả bảy nhóm đều có mặt trong thị trường in AM kim loại. Theo dữ liệu được công bố bởi Cherdo [3], hình 1.2 thể hiện đa dạng công nghệ in AM kim loại trong công nghiệp sản xuất chế tạo năm 2020. Theo số liệu này, có năm công nghệ thường được sử dụng cụ thể như sau: Hình 1. 2. Thị phần các công nghệ trong nền Hình 1. 3. Công nghệ Material công nghiệp AM kim loại Extrusion - ME Trong đó Công nghệ đùn (Material Extrusion - ME) được dùng trong nghiên cứu thực nghiệm của đề tài. Đây là công nghệ in bằng cách đùn vật liệu nóng chảy sau đó hóa rắng từng lớp, tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối 2.2. Thực nghiệm ứng dụng công nghệ CAD/CAE và công nghệ in 3D kim loại ME để in mão răng kim loại 2.2.1. Thiết bị thực nghiệm - Thiết bị quét mẫu răng là Máy scan 3D cầm tay laser – cao cấp. Tại Công ty TNHH 3D MASTER - Hệ thống Máy in 3D kim loại Markforged Metal X gồm các bộ phận: bộ phận in, bộ phận rửa và bộ phận thiêu kết được thực hiện tại trường ĐH SPKT Vĩnh Long. a) Máy scan 3D cầm tay laser – cao b) Máy in 3D kim loại Markforged Metal cấp. Tại Công ty TNHH 3D X tại trường ĐH SPKT Vĩnh Long MASTER Hình 1. 4. Thiết bị thực nghiệm 22
2.2.2. Quy trình thực nghiệm Thực nghiệm lấy mẫu cầu răng, quét mẫu, phân tích mẫu, in mẫu, xử lý sau in cầu răng được thực hiện như hình 1.5. Hình 1. 5. Quy trình thực nghiệm in cầu răng kim loại Bước 1: Lấy mẫu răng Lấy mẫu răng trực tiếp: Bác sỹ chuyên khoa sẽ tiến hành thăm khám và lấy mẫu răng (hình 1.6). Bước 2. Quét mẫu Máy scan 3D sẽ tiến hành việc lấy dữ liệu về tình trạng hàm răng thông qua quét 3D và lưu lại file 3D. Để có thể thu về hình ảnh chi tiết và chính xác cần lấy dán điểm đính vào một số vị trí trên mẫu vật. Tùy từng loại máy scan 3D khác nhau thì khoảng cách các giấy dán điểm sẽ khác nhau. Cần chú ý đến vấn đề này để giúp hình ảnh thu về được rõ ràng và chính xác (hình 1.7) Hình 1. 6. Mẫu răng được lấy thực nghiệm 23
Hình 1. 7. Thực hiện quét mẫu ở nhiều góc độ Bước 3: Thiết kế 3D Sau khi thực hiện quét 3D, sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng nha khoa để xử lý hoàn thiện lại bản vẽ 3D đối với những chỗ mà máy quét 3D chưa quét hết hay còn sót lại do bị khuất sâu bên trong. Hình 1. 8. Đám mây điểm mẫu răng hàm trên và hàm dưới sau khi quét Tiếp theo, dùng phần mềm CAD /CAE để chỉnh sửa và thiết kế lại răng cho thẩm mỹ. Phần mềm thiết kế 3D chuyên dụng nha khoa có hỗ trợ nhiều công cụ để phân tích dữ liệu tổng quan hàm, từng khu vực hay từng răng. Một bản vẽ 3D hoàn chỉnh sẽ phục vụ hiệu quả cho việc gia công CNC hay in 3D tại bước tiếp theo. Sau khi phân tích tách cầu răng cần in. Bước 3: In sản phẩm trên hệ thống in 3D kim loại Markforged Metal X 24
Phương pháp in 3D được tiến hành dựa trên bản vẽ và máy in 3D sẽ vận hành cho ra sản phẩm một cách vô cùng đơn giản và tiết kiệm thời gian. Thiết lập thống số in theo thứ tự từ hình 1.9 đến 1.12. Hình 1. 9. Thiết lập chế độ in trên Cloud của hệ thống Hình 1. 10. Thông số in sau khi đã thiết Hình 1. 11. Quỹ đạo dịch chuyển lập đầu in Hình 1. 12. Sản phẩm sau in trên máy in 25
Hình 1. 131. Sản phẩm sau khi lấy ra khỏi máy in Bước 4: Rửa sản và thiêu kết hệ thống in 3D kim loại Markforged Metal X Rửa - Wash-1 của Markforged là chi tiết "green part" được in từ Metal X vào một chất lỏng chuyên dụng giúp loại bỏ vật liệu liên kết chính (polymer), để lại phần này ở trạng thái bán xốp để phần liên kết còn lại có thể dễ dàng cháy hết trong quá trình thiêu kết. Hình 1. 14. Rửa chi tiết in Hình 1. 15. Thiêu kết chi tiết Chi tiết khi cho vào thiêu kết được nung nóng từ nhiệt độ phòng đến khoảng 85% nhiệt độ nóng chảy của kim loại trong hỗn hợp khí trơ và khí hỗn hợp, sau đó được làm lạnh từ từ. Trong giai đoạn đầu của quá trình tăng nhiệt độ, lò đốt cháy chất kết dính còn lại thông qua các lỗ nhỏ do quá trình rửa tạo ra. Khi nhiệt độ đạt đến đỉnh điểm, chi tiết sẽ co lại khoảng 17% so với kích thước cuối cùng , các giá đỡ bằng gốm chuyển từ sợi thành bột. Máy nguội dần từ nhiệt độ cao nhất cho đến khi an toàn để lấy ra khỏi lò. Bước 5: Xử lý sau quá trình in Các chi tiết cầu răng sau khi được in bằng kim loại X được xử lý giống như các chi tiết được gia công theo các phương pháp truyền thống khác, như mài, đánh bóng... Tuy nhiên, có một số phương pháp phổ biến hơn các phương pháp khác:xử lý nhiệt, gia công mài, mạ hoặc bọc xứ theo yêu cầu: Hình 1.16. Sản phẩm sau khi bọc sứ 26
Bước 6. Lắp ráp Sau khi máy in 3D cho ra sản phẩm in, kỹ thuật viên sẽ tiến hành kiểm tra sản phẩm và hoàn thiện việc lắp ráp để phục vụ cho các công tác hỗ trợ tư vấn điều trị sau đó của bác sĩ. Hình 1.17. Sản phẩm được kiểm tra trên hàm răng 3. KẾT LUẬN Quá trình sản xuất răng giả truyền thống có thể mất nhiều thời gian, bao gồm việc tạo mô hình, chế tạo khuôn, và thao tác thủ công. Tuy nhiên, sử dụng công nghệ CAD/CAE và in 3D kim loại, quy trình sản xuất có thể được tự động hóa và thực hiện nhanh chóng hơn, giảm thiểu thời gian chờ đợi cho bệnh nhân. In 3D kim loại là một công nghệ mới mà công nghệ in 3D truyền thống không thể thực hiện. Nó cho phép tạo ra răng giả từ các nguyên liệu kim loại như titan hoặc hợp kim titan. Quá trình in 3D kim loại. Kỹ thuật này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm độ chính xác cao, tùy chỉnh linh hoạt và khả năng sản xuất hàng loạt nhanh chóng. Công nghệ CAD/CAE và in 3D kim loại cho phép tạo ra răng giả theo yêu cầu và hình dáng riêng của từng bệnh nhân. Nhờ đó, răng giả có thể được điều chỉnh một cách chính xác và phù hợp với mỗi trường hợp cá nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vafadar, A.; Guzzomi, F.;Rassau, A.; Hayward, K. Metal Additive Manufacturing: A Review of Common Processes, Industrial Applications, and Current Challenges. Appl. Sci. 2021, 11, 1213. https://doi.org/10.3390/app11031213 [2]. Ransikarbum, K.; Pitakaso, R.; Kim, N. A Decision‐Support Model for Additive Manufacturing Scheduling Using an Integrative Analytic Hierarchy Process and Multi‐Objective Optimization. Appl. Sci. 2020, 10, 5159. [3]. Cherdo, L. The Best Metal 3D Printers in 2020. Available online: https://www.aniwaa.com/best‐of/3d‐printers/best‐metal‐3d‐printer/ (accessed on 8 January 2021) 27