Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo bàn chân giả bằng sợi carbon

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quy trình thiết kế và chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon composite, nâng cao độ bền và hỗ trợ phục hồi vận động.

• Tác giả: Hồ Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bàn chân giả và vật liệu sợi carbon

Bàn chân giả là thiết bị hỗ trợ quan trọng cho người mất chân do tai nạn, bệnh tật hoặc bẩm sinh. Các vật liệu truyền thống như gỗ, nhựa hoặc kim loại thường gây khó khăn trong việc di chuyển do trọng lượng cao và độ bền kém. Sợi carbon thay thế chúng với tỷ trọng riêng thấp, độ bền kéo cao và khả năng chống mài mòn. Vật liệu này còn giảm tiếng ồn và cải thiện độ chính xác khi di chuyển. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng sợi carbon trong chế tạo chân giả, tối ưu hóa cấu trúc và tính năng cho người bệnh.

1.1. Tính chất vật lý của sợi carbon trong chỉnh hình

Sợi carbon có độ bền kéo gấp 5-10 lần thép nhưng trọng lượng chỉ bằng 1/4. Cấu trúc lớp lớp của nó phân tán lực tác động, ngăn ngừa biến dạng và gãy. Độ đàn hồi cao giúp chân giả phù hợp với các chuyển động khác nhau, từ đứng yên đến chạy. Ngoài ra, sợi carbon kháng hóa chất và không bị ăn mòn, đảm bảo tuổi thọ dài. Tuy nhiên, giá thành cao và khó gia công là những hạn chế cần giải quyết.

1.2. So sánh với vật liệu truyền thống trong chế tạo chân giả

So với nhựa hoặc kim loại, sợi carbon giảm trọng lượng gấp 2-3 lần nhưng tăng độ bền gấp 3-5 lần. Chân giả bằng nhựa thường nặng và dễ biến dạng, trong khi kim loại gây mệt mỏi do trọng lượng. Sợi carbon còn cho phép thiết kế hình dạng phức tạp, phù hợp với cấu trúc chân tự nhiên. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao hơn và yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình chế tạo.

II. Vấn đề và hạn chế trong chế tạo bàn chân giả hiện nay

Hiện nay, chân giả truyền thống gặp nhiều vấn đề như độ bền thấp, trọng lượng cao và khó khăn trong việc thích ứng với các chuyển động. Các vật liệu như nhựa hoặc gỗ không chịu được lực tác động lớn, dẫn đến hư hỏng nhanh. Thiết kế nguyên khối cũng làm tăng khó khăn trong gia công và sửa chữa. Ngoài ra, độ cứng không phù hợp với người bệnh, gây mệt mỏi và giảm khả năng di chuyển. Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu để khắc phục những hạn chế này.

2.1. Thách thức trong thiết kế cấu trúc chân giả

Thiết kế chân giả phải đảm bảo độ cứng, độ đàn hồi và khả năng hấp thụ lực tác động. Các mẫu hiện nay thường thiếu tính linh hoạt, gây khó khăn khi di chuyển trên địa hình phức tạp. Ngoài ra, việc kết nối giữa chân giả và chân tự nhiên cũng là một thách thức, cần tối ưu hóa để giảm ma sát và tăng độ bền. Thiết kế nguyên khối làm gia công phức tạp và tăng chi phí sản xuất.

2.2. Hạn chế của vật liệu truyền thống trong ứng dụng

Nhựa và kim loại thường không đáp ứng được yêu cầu về độ bền và trọng lượng. Nhựa dễ biến dạng, trong khi kim loại nặng và gây mệt mỏi. Ngoài ra, các vật liệu này không kháng hóa chất và dễ bị ăn mòn, giảm tuổi thọ của chân giả. Sợi carbon là giải pháp nhưng yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình chế tạo, bao gồm lựa chọn nguyên liệu, gia công và kiểm tra chất lượng.

III. Giải pháp chế tạo bàn chân giả bằng sợi carbon

Giải pháp chế tạo chân giả bằng sợi carbon tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và quá trình gia công. Đầu tiên, lựa chọn sợi carbon với tỷ lệ dày đặc phù hợp để đảm bảo độ bền và trọng lượng. Sau đó, áp dụng kỹ thuật đúc nguyên khối hoặc phân tấm để giảm khó khăn trong gia công. Quá trình polymer hóa và vinylester được sử dụng để tạo độ cứng và đàn hồi. Ngoài ra, thiết kế mô phỏng bằng phần mềm CAD/CAM giúp tối ưu hóa hình dạng và phân bố lực.

3.1. Kỹ thuật chế tạo và quá trình gia công

Quá trình chế tạo bắt đầu từ việc chuẩn bị hỗn hợp sợi carbon với nhựa epoxy hoặc vinylester. Hỗn hợp này được phân tán đều và khuấy trộn cẩn thận để loại bỏ bọt khí. Sau đó, hỗn hợp được đúc vào khuôn theo hình dạng chân giả. Quá trình polymer hóa diễn ra trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ và áp suất để đảm bảo cấu trúc đồng nhất. Kỹ thuật phân tấm cho phép gia công dễ dàng và sửa chữa nhanh chóng khi cần.

3.2. Ứng dụng mô phỏng và thiết kế tối ưu

Phần mềm mô phỏng như ANSYS hoặc SolidWorks được sử dụng để thiết kế và kiểm tra cấu trúc chân giả. Điều này giúp tối ưu hóa hình dạng và phân bố lực, đảm bảo chân giả phù hợp với người bệnh. Thiết kế mô phỏng cũng giúp giảm thời gian và chi phí trong quá trình chế tạo. Ngoài ra, mô phỏng còn giúp dự đoán khả năng chịu lực và độ bền của chân giả trước khi sản xuất thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng của bàn chân giả sợi carbon

Bàn chân giả bằng sợi carbon là giải pháp hiệu quả trong chỉnh hình, cung cấp độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Nghiên cứu này chứng minh rằng vật liệu này cải thiện đáng kể khả năng di chuyển và giảm mệt mỏi cho người bệnh. So với các vật liệu truyền thống, sợi carbon giảm trọng lượng và tăng độ bền, đồng thời cho phép thiết kế hình dạng phức tạp. Ứng dụng rộng rãi trong y tế và công nghiệp, đặc biệt là cho người mất chân do tai nạn hoặc bệnh tật.

4.1. Ưu điểm và ứng dụng trong thực tế

Ưu điểm chính của chân giả sợi carbon là độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chịu lực vượt trội. Nó phù hợp với người bệnh cần di chuyển thường xuyên và trên các địa hình khác nhau. Ứng dụng trong y tế bao gồm cả người mất chân do tai nạn và bệnh tật. Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng trong công nghiệp, như chế tạo bộ phận máy móc nhẹ và chịu lực cao.

4.2. Tiềm năng phát triển và hướng nghiên cứu tiếp theo

Tiềm năng phát triển của chân giả sợi carbon nằm ở việc cải thiện kỹ thuật chế tạo và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển vật liệu composite mới, như sợi carbon kết hợp với nano vật liệu, để tăng độ bền và tính linh hoạt. Ngoài ra, nghiên cứu về thiết kế thông minh và hệ thống điều khiển tự động cũng là hướng phát triển quan trọng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH HIẾU NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ BẰNG VẬT LIỆU SỢI CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 SKC005858 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH HIẾU NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ BẰNG VẬT LIỆU SỢI CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ MINH HIẾU NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BÀN CHÂN GIẢ BẰNG VẬT LIỆU SỢI CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS. PHẠM HUY TUÂN Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ và tên: Hồ Minh Hiếu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/03/1993 Nơi sinh: Hải Phòng Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 65 Linh Đông, quận Thủ Đức, Tp.HCM Điện thoại: [phone] E-mail: hominhhieu1993@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Cao Đẳng Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 2011 đến 2014 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng Kinh Tế - Kỹ Thuật Vinatex Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí 2.

Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2015 đến 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 tốt nghiệp: Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2017 đến 04/2018 Công ty Nidec Copal Precision Nhân viên 05/2018 đến nay Cty TNHH MTV Công Nghệ Quản lý sản xuất Hồ Phát Trang i 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. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Hồ Minh Hiếu Trang ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.

Phạm Huy Tuân giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tác giả. Ngoài ra tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ths.

Lê Minh Nhật – kỹ thuật viên hàng không và Bác sĩ Mai Văn Trình – chuyên viên chỉnh hình cấp II ISPO đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin kính chúc sức khỏe và xin chân thành cảm ơn. Tác giả Hồ Minh Hiếu Trang iii TÓM TẮT Trong lĩnh vực chỉnh hình hiện nay, các sản phẩm chân, tay giả thường được làm từ các loại vật liệu truyền thống như gỗ, nhựa tổng hơp. Các loại vật liệu này thường có trọng lượng cao và độ bền thấp.

Việc chế tạo chân giả từ các loại vật liệu này còn gặp nhiều hạn chế do phải cần tới máy móc phức tạp để tạo hình chân. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các mẫu chân được làm từ sợi Carbon dần ra đời, nhưng đa số những mẫu chân này đều được nhập khẩu nên giá thành vẫn còn khá cao. Nhằm mục đích khắc phục các nhược điểm của các mẫu chân giả truyền thống, hạn chế nhập khẩu chân giả từ nước ngoài, tiến tới giảm giá thành và nâng cao chất lượng sản phẩm, việc chế tạo mẫu chân giả bằng vật liệu sợi Carbon ngày càng được các nhà khoa học trong lĩnh vực chỉnh hình tại Việt Nam quan tâm… Việc sử dụng rộng rãi vật liệu sợi Carbon là do nó có rất nhiều ưu điểm so với các vật liệu truyền thống như: trọng lượng nhẹ, chắc, bền, không gỉ, chịu hóa chất, chịu mài mòn. Nội dung nghiên cứu của luận văn tập trung vào việc chế tạo một mẫu chân giả mới bằng vật liệu sợi, ưu điểm của mẫu chân này là nhẹ, dễ dàng chế tạo và lắp ráp nhưng vẫn đảm bảo được độ linh hoạt trong quá trình sử dụng.

Trang iv ABSTRACT In the field of orthopedics, prosthetics products are often made from traditional materials such as wood, plastic. These materials are usually of high weight and low strength. The manufacture of artificial limbs from these materials is also limited because of the need for complex machinery to shape the leg. Along with the development of science and technology, foot samples were made from carbon fiber gradually, but most of these samples are imported so the price is still quite high.

In order to overcome the disadvantages of traditional prosthetics, to restrict the import of prosthetics from abroad, to reduce cost and improve the quality of products, the production of false prostheses made of carbon fiber more and more scientists in the field of orthopedics in Vietnam… The widespread use of carbon fiber material is because it has many advantages than traditional materials such as light weight, durable, stainless, chemical resistant, wear resistant. The research content of the thesis focuses on the fabrication of a new prosthetic limb made of fiber material. The strength of this leg is light weight, easy to fabricate and assemble but still ensures flexibility in the process. Trang v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC.

i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN. vi DANH MỤC HÌNH. x DANH MỤC BẢNG.

xiv CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Các nghiên cứu ngoài nƣớc.

Các nghiên cứu trong nƣớc. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích của đề tài. Nhiệm vụ, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Nhiệm vụ của đề tài. Đối tƣợng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu.

Cách tiếp cận. Phƣơng pháp nghiên cứu. Hiệu quả trong giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội. 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Tổng quan về Composite. Quá trình hình thành và phát triển:. Ƣu điểm của vật liệu Composite. Nhƣợc điểm của vật liệu Composite.

Phân loại vật liệu Composite. Phân loại theo hình dạng:. Phân loại theo bản chất, thành phần. Cấu tạo của vật liệu Composite.

Các chất phụ gia khác:. Ứng dụng của vật liệu Composite. Tổng quan về sợi Carbon. Quá trình hình thành và phát triển:.

Ƣu điểm của sợi Carbon. Nhƣợc điểm của sợi Carbon. Phân loại sợi Carbon. Tính chất và ứng dụng của sợi Carbon.

Tính chất của sợi Carbon. Ứng dụng của sợi Carbon. Đƣờng cong tham số Bezier. Đƣờng cong tuyến tính (bậc 1 linenear).

Đƣờng cong Bezier bậc 2. Các tính chất của đƣờng cong Bezier. Cấu tạo bàn chân. Xƣơng bàn chân.

Chu kỳ bƣớc chân. 30 CHƢƠNG 3: NHIỆM VỤ VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ. Nhu cầu thực tế và nhiệ vụ của ản phẩm. Phƣơng án thiết ế.

Mẫu thiết kế. Lựa chọn mẫu thiết kế. Lựa chọn vật liệu. 35 CHƢƠNG 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU CAR ON COPOSIT.

Phƣơng pháp chế tạo vật liệu co po ite. Phƣơng pháp chế tạo thủ công. Phƣơng pháp phun hỗn hợp composite. Phƣơng pháp đúc chuyển nhựa.

Phƣơng pháp đúc chân hông. Lựa chọn phƣơng pháp. Quy trình chế tạo Carbon Composite. Chế tạo ẫu thử và đo đạc đ c tính vật liệu.

Tính toán thông số vật liệu. Tiến hành thử nghiệm:. Tính toán thông số:. 50 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG.

Tính toán ích thƣớc chân. CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM. Chế tạo khuôn. Chế tạo chân giả.

Thử nghiệm khả năng chịu tải trên máy kéo nén. Bố trí thí nghiệm. Kết quả thử nghiệm. Thử nghiệm thực tế trên ngƣời bệnh.

70 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 74 Trang ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sự thay đổi độ bền kéo và độ giãn dài khi gia cố thêm sợi Carbon (Hadi and Oleiwi, 2015).2: Độ chịu nén và độ bền kéo giữa các loại vật liệu (K.3: Một số loại ống và bàn chân giả đang thịnh hành.4: Một bệnh nhân dùng ống chân giả bằng composite carbon.1: Vật liệu Composite.2: Composite sợi liên tục và sợi gián đoạn [1].3: Một số loại Composite cốt sợi [1].4: Một số loại Composite cốt hạt [1].5: Ứng dụng của vật liệu Composite trong hàng không.6: Hình ảnh mô phỏng sợi Carbon phóng to [1].7: Đường cong Bezier tuyến tính.8: Đường cong Bezier bậc 2.9: Phân bố của xương bàn chân [5].10: Các xương của bàn chân (nhìn từ bên ngoài) [5].11: Các dây chằng cổ và bàn chân [6].12: Gấp lòng bàn chân (PF) và gấp mu bàn chân (DF) xảy ra quanh một trục trong- ngoài qua khớp cổ chân.13: Chu kỳ hoạt động của chân khi di chuyển [10].1: Mô hình chân giả bằng cơ cấu mềm (Pham Huy-Tuan, Nguyen Van- Khien, 2013) [11].2: Mô hình chân giả của hãng Freedom Innovations.3: Mô hình chân giả kết hợp bởi 3 tấm Carbon Composite.4: Mô hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su .5: Mẫu chân giả Rush Hipro của hang Rush Foot .1: Các lớp Carbon trong phương pháp chế tạo thủ công [1] .2: Chế tạo theo phương pháp thủ công [1] .3: Phun hỗn hợp Composite [1] .4: Sơ đồ quá trình đúc [1] .5: Một sản phẩm được làm từ phương pháp đúc chuyển nhựa.6: Sơ đồ công nghệ đúc chân không [1] .8: Đặt vải Carbon lên kính, quét keo và đậy tấm kính còn lại lên để cố định sản phẩm .10: Đưa sản phẩm vào màng nhựa và tiến hành hút chân không trong vòng 45 phút .11: Sản phẩm khi pha không đủ chất đóng rắn .12: Sản phẩm khi tách khuôn sớm .13: Sản phẩm khi pha keo với lượng đóng rắn và thời gian phù hợp .14: Sản phẩm khi pha trộn keo không đều .15: Phương pháp 3 điểm uốn .16: Thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn .17: Kích thước thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn theo tiêu chuẩn ISO 14125:1998 [14] .18: Kích thước mẫu thử dựa trên ISO 14125:1998 [14] .19: Thiết bị thí nghiệm đo bằng phương pháp uốn 3 điểm .20: Đồ thị chuyển vị. 50 Trang xi Hình 5.1: Mô hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su 52 Hình 5.2: (a) Giai đoạn tiếp xúc gót; (b) Giai đoạn tiếp xúc bàn; (c) Giai đoạn tiếp xúc mũi.3: Biểu đồ thể hiện ứng suất của các giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi và tiếp xúc gót.4: Biểu đồ thể hiện chuyển vị của các giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi và tiếp xúc gót.5: Chọn Modul “Direct Optimization” để thực hiện tối ưu hóa.6: Thiết lập các biến và điều kiện biên.7: Ràng buộc cận trên của điều kiện biên.