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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• 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 Từ Sợi Carbon
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Hiệu quả trong giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về Composite
• 2.2. Quá trình hình thành và phát triển
• 2.3. Ưu điểm của vật liệu Composite
• 2.4. Nhược điểm của vật liệu Composite
• 2.5. Phân loại vật liệu Composite
• 2.6. Ứng dụng của vật liệu Composite
• 2.7. Tổng quan về sợi Carbon
• 2.8. Quá trình hình thành và phát triển
• 2.9. Ưu điểm của sợi Carbon
• 2.10. Nhược điểm của sợi Carbon
• 2.11. Phân loại sợi Carbon
• 2.12. Tính chất và ứng dụng của sợi Carbon
• 2.13. Đường cong tham số Bezier
• 2.14. Cấu tạo bàn chân
• 3. CHƯƠNG 3: NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Nhu cầu thực tế và nhiệm vụ của sản phẩm
• 3.2. Phương án thiết kế
• 3.3. Mẫu thiết kế
• 3.4. Lựa chọn mẫu thiết kế
• 3.5. Lựa chọn vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU CARBON COMPOSITE
• 4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu composite
• 4.2. Phương pháp chế tạo thủ công
• 4.3. Phương pháp phun hỗn hợp composite
• 4.4. Phương pháp đúc chuyển nhựa
• 4.5. Phương pháp đúc chân hông
• 4.6. Lựa chọn phương pháp
• 4.7. Quy trình chế tạo Carbon Composite
• 4.8. Chế tạo mẫu thử và đo đạc đặc tính vật liệu
• 4.9. Tính toán thông số vật liệu
• 4.10. Tiến hành thử nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG
• 5.1. Tính toán kích thước chân
• 5.2. Chế tạo – thử nghiệm
• 5.2.1. Chế tạo khuôn
• 5.2.2. Chế tạo chân giả
• 5.2.3. Thử nghiệm khả năng chịu tải trên máy kéo nén
• 5.2.4. Bố trí thí nghiệm
• 5.2.5. Kết quả thử nghiệm
• 5.2.6. Thử nghiệm thực tế trên người bệnh
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo bàn chân giả từ sợi carbon tại HCMUTE tập trung vào việc phát triển sản phẩm bàn chân giả với chất liệu mới, nhằm khắc phục những nhược điểm của các sản phẩm truyền thống. Các sản phẩm chân giả hiện nay thường được làm từ gỗ hoặc nhựa tổng hợp, có trọng lượng nặng và độ bền thấp. Việc sử dụng sợi carbon trong chế tạo bàn chân giả không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn tăng cường độ bền và khả năng chịu lực. Theo nghiên cứu, sợi carbon có nhiều ưu điểm vượt trội như nhẹ, bền, không gỉ và chịu hóa chất, điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc chế tạo bàn chân giả. HCMUTE đã tiến hành nghiên cứu và phát triển sản phẩm này với mục tiêu tạo ra một sản phẩm chất lượng cao, giá thành hợp lý cho người khuyết tật.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề chế tạo bàn chân giả đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các sản phẩm trước đây chưa tối ưu hóa về chi phí và khả năng hoạt động. Với sự phát triển của công nghệ, việc cải tiến bàn chân giả để giảm chi phí và tối ưu hóa tính năng là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ nhằm tạo ra sản phẩm nhẹ, bền mà còn giúp người khuyết tật có cơ hội tiếp cận với sản phẩm chất lượng với giá thành hợp lý. Việc áp dụng sợi carbon trong chế tạo bàn chân giả sẽ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào sản phẩm nhập khẩu, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm trong nước.

II. Cơ sở lý thuyết về vật liệu sợi carbon

Vật liệu sợi carbon là một trong những loại vật liệu composite tiên tiến, được biết đến với độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hàng không, ô tô và y tế. Trong nghiên cứu này, sợi carbon được lựa chọn để chế tạo bàn chân giả nhờ vào những đặc tính ưu việt của nó. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng sợi carbon trong chế tạo chân giả không chỉ cải thiện độ bền mà còn giúp giảm trọng lượng, từ đó nâng cao khả năng di chuyển cho người sử dụng. Hơn nữa, sợi carbon có khả năng chống lại sự ăn mòn và chịu được các tác động từ môi trường, điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo độ bền của sản phẩm trong thời gian dài.

2.1. Ưu điểm và nhược điểm của sợi carbon

Ưu điểm lớn nhất của sợi carbon là trọng lượng nhẹ và độ bền cao, giúp sản phẩm chế tạo từ nó có khả năng chịu lực tốt mà không làm tăng trọng lượng. Tuy nhiên, sợi carbon cũng có nhược điểm như chi phí sản xuất cao và yêu cầu kỹ thuật chế tạo phức tạp. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình chế tạo bàn chân giả từ sợi carbon tại HCMUTE nhằm mục đích tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng tiếp cận sản phẩm cho người khuyết tật mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo thiết bị y tế trong nước.

III. Quy trình chế tạo bàn chân giả

Quy trình chế tạo bàn chân giả từ sợi carbon bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc thiết kế mẫu đến sản xuất và thử nghiệm. Đầu tiên, việc thiết kế mẫu bàn chân giả được thực hiện bằng phần mềm CAD, giúp tối ưu hóa hình dáng và kích thước của sản phẩm. Sau đó, sợi carbon được cắt và gia công theo mẫu thiết kế. Quy trình sản xuất bao gồm các phương pháp như đúc, phun hỗn hợp và chế tạo thủ công, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng. Cuối cùng, sản phẩm sẽ được thử nghiệm để đánh giá khả năng chịu tải và độ bền, đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và nhu cầu sử dụng của người khuyết tật.

3.1. Thử nghiệm và đánh giá sản phẩm

Sau khi hoàn thành quy trình chế tạo, sản phẩm bàn chân giả sẽ được đưa vào thử nghiệm thực tế. Các thử nghiệm này bao gồm kiểm tra khả năng chịu tải, độ linh hoạt và độ bền của sản phẩm. Kết quả thử nghiệm sẽ được phân tích để đưa ra những điều chỉnh cần thiết nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc thử nghiệm và đánh giá sản phẩm không chỉ giúp đảm bảo tính an toàn cho người sử dụng mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu năm 2015 của Liên Hợp Quốc, trên thế giới có khoảng 1 tỷ người khuyết tật, chiếm 7,3% tổng dân số toàn cầu. Trong đó, 85% người khuyết tật sống tại các nước đang phát triển, đặc biệt khu vực Châu Á - Thái Bình Dương chiếm tỷ lệ cao với 10% dân số bị khuyết tật. Nhu cầu sử dụng chân giả tại các khu vực này là rất lớn, tuy nhiên các sản phẩm chân giả hiện nay chủ yếu được làm từ vật liệu truyền thống như gỗ, nhựa tổng hợp với trọng lượng lớn và độ bền thấp, gây khó khăn cho người sử dụng. Các mẫu chân giả làm từ vật liệu sợi Carbon đã xuất hiện và được đánh giá cao về tính năng như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chịu hóa chất và mài mòn tốt. Tuy nhiên, phần lớn các sản phẩm này đều nhập khẩu với giá thành cao, hạn chế khả năng tiếp cận của người khuyết tật trong nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu và chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon nhằm khắc phục các nhược điểm của chân giả truyền thống, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao chất lượng sử dụng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và chế tạo mẫu chân giả nhẹ, bền, dễ dàng lắp ráp, đồng thời sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng chuyển động, ứng suất và tính toán số lớp vải Carbon cần thiết. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon, áp dụng trong điều kiện người dùng có cân nặng từ 50kg đến 60kg, chiều cao từ 1m50 đến 1m60, di chuyển với vận tốc 1m/s. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển sản phẩm chỉnh hình trong nước, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật và giảm sự phụ thuộc vào sản phẩm nhập khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết về vật liệu Composite và sợi Carbon, cùng với mô hình đường cong Bezier để thiết kế hình dạng bàn chân giả. Vật liệu Composite được định nghĩa là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, tạo ra vật liệu mới với đặc tính cơ lý hóa ưu việt như nhẹ, chắc, bền, không gỉ và chịu được hóa chất. Trong đó, Composite cốt sợi Carbon được lựa chọn do có độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chịu nhiệt tốt.

Sợi Carbon là loại sợi chứa trên 90% nguyên tử carbon, có cấu trúc tinh thể lục giác, mang lại độ bền kéo và mô đun đàn hồi cao hơn nhiều so với thép nhưng trọng lượng nhẹ hơn. Sợi Carbon được phân loại theo nguyên liệu ban đầu gồm sợi PAN, sợi Rayon và sợi Pitch, với quy trình sản xuất gồm các giai đoạn ổn định oxy hóa, cacbon hóa và graphite hóa.

Đường cong Bezier được sử dụng để mô phỏng hình dạng bàn chân giả, với các điểm điều khiển giúp tạo ra đường cong mịn và chính xác. Đường cong Bezier bậc 2 với 3 điểm điều khiển được áp dụng để thiết kế các phần cong của bàn chân, đảm bảo tính linh hoạt và thẩm mỹ.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Vật liệu Composite và các loại cốt sợi (liên tục, gián đoạn)
• Tính chất cơ lý của sợi Carbon (độ bền kéo, mô đun đàn hồi, trọng lượng riêng)
• Đường cong Bezier và ứng dụng trong thiết kế hình học
• Cấu tạo giải phẫu bàn chân (xương, khớp, dây chằng) và chu kỳ bước chân

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu khoa học về vật liệu Composite, sợi Carbon, các nghiên cứu chỉnh hình trong và ngoài nước, cùng số liệu thực nghiệm từ quá trình chế tạo và thử nghiệm mẫu chân giả. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và mô phỏng số.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình bàn chân giả được thiết kế phù hợp với đối tượng người dùng có cân nặng 50-60kg, chiều cao 1,5-1,6m. Mẫu được chế tạo từ vật liệu sợi Carbon theo phương pháp thủ công kết hợp kỹ thuật đúc chân không, đảm bảo độ chính xác và chất lượng sản phẩm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn thiết kế dựa trên các mô hình chân giả hiện có, ưu tiên mẫu có cấu trúc nguyên khối, nhỏ gọn, dễ thay thế và có khả năng chịu tải phù hợp. Phân tích mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán ứng suất, chuyển vị và tối ưu hóa số lớp vải Carbon nhằm đảm bảo độ bền và linh hoạt.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2018, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, thiết kế mẫu, chế tạo vật liệu Composite Carbon, thử nghiệm cơ lý, mô phỏng và đánh giá hiệu quả sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng cường độ bền kéo của vật liệu Composite khi gia cố sợi Carbon: Kết quả thử nghiệm cho thấy độ bền kéo của vật liệu tăng lên khoảng 30-40% so với vật liệu truyền thống, đồng thời độ giãn dài cũng được cải thiện đáng kể, giúp bàn chân giả có khả năng chịu lực tốt hơn trong quá trình sử dụng.

2. Khả năng chịu tải của bàn chân giả: Thử nghiệm trên máy kéo nén cho thấy mẫu chân giả bằng sợi Carbon có thể chịu tải trọng lên đến 600N, tương đương với trọng lượng người dùng trong khoảng 50-60kg, đảm bảo an toàn khi di chuyển với vận tốc 1m/s.

3. Mô phỏng ứng suất và chuyển vị bằng phần mềm ANSYS: Biểu đồ ứng suất tại các giai đoạn tiếp xúc gót, bàn và mũi chân cho thấy ứng suất phân bố đều, không có điểm tập trung ứng suất lớn gây hư hỏng. Chuyển vị tối đa đo được dưới 2mm, đảm bảo tính linh hoạt và độ bền của sản phẩm.

4. So sánh chi phí sản xuất: Chi phí chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon trong nước thấp hơn khoảng 9 lần so với sản phẩm nhập khẩu cùng loại, giúp tăng khả năng tiếp cận cho người khuyết tật Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng cường độ bền và giảm trọng lượng là do đặc tính ưu việt của sợi Carbon với mô đun đàn hồi cao và trọng lượng riêng thấp. Việc sử dụng phương pháp đúc chân không kết hợp kỹ thuật thủ công giúp giảm thiểu khuyết tật vật liệu, tăng độ đồng nhất và chất lượng sản phẩm.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng và thử nghiệm của luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về ứng dụng sợi Carbon trong chỉnh hình, đồng thời mở rộng khả năng sản xuất trong nước với chi phí hợp lý hơn. Việc phân bố ứng suất đều và chuyển vị nhỏ cho thấy thiết kế bàn chân giả đã tối ưu hóa được cấu trúc, đảm bảo sự linh hoạt cần thiết cho chu kỳ bước chân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ ứng suất và chuyển vị tại các giai đoạn tiếp xúc gót, bàn và mũi chân, cùng bảng so sánh chi phí sản xuất và trọng lượng sản phẩm so với các vật liệu truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển dây chuyền sản xuất bàn chân giả bằng sợi Carbon quy mô công nghiệp: Tăng cường đầu tư máy móc và công nghệ đúc chân không để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, hướng tới giảm giá thành thêm 15% trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và cơ khí trong nước.

2. Đào tạo kỹ thuật viên chuyên sâu về công nghệ Composite và sợi Carbon: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên môn nhằm nâng cao tay nghề cho đội ngũ kỹ thuật viên, đảm bảo quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng đạt chuẩn quốc tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng sợi Carbon cho các loại chân tay giả khác: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các bộ phận giả khác như khớp gối, khớp mắt cá chân để hoàn thiện hệ thống chỉnh hình bằng vật liệu sợi Carbon. Thời gian nghiên cứu: 18 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Hỗ trợ chính sách và tài chính cho người khuyết tật tiếp cận sản phẩm: Đề xuất các chương trình hỗ trợ tài chính, bảo hiểm y tế và chính sách ưu đãi để người khuyết tật có thể sở hữu chân giả chất lượng với chi phí hợp lý. Chủ thể thực hiện: Bộ Y tế, Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu composite: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu sợi Carbon, phương pháp chế tạo và mô phỏng kỹ thuật, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị chỉnh hình và phục hồi chức năng: Tham khảo để áp dụng công nghệ mới, cải tiến sản phẩm chân giả, giảm chi phí và nâng cao chất lượng phục vụ khách hàng.

3. Bác sĩ chỉnh hình và chuyên viên phục hồi chức năng: Hiểu rõ về cấu tạo, tính năng và ưu điểm của chân giả bằng sợi Carbon để tư vấn và lựa chọn sản phẩm phù hợp cho bệnh nhân.

4. Các tổ chức hỗ trợ người khuyết tật và chính sách y tế: Sử dụng thông tin để xây dựng chương trình hỗ trợ, chính sách phát triển sản phẩm trong nước, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu sợi Carbon có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống trong chế tạo chân giả?
   Sợi Carbon có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với gỗ và nhựa tổng hợp, đồng thời có độ bền kéo và khả năng chịu mài mòn cao, giúp chân giả nhẹ, bền và linh hoạt hơn khi sử dụng.

2. Phương pháp chế tạo chân giả bằng sợi Carbon được thực hiện như thế nào?
   Phương pháp chủ yếu là đúc chân không kết hợp kỹ thuật thủ công (hand lay-up), giúp đảm bảo độ đồng nhất của vật liệu, giảm bọt khí và tăng chất lượng sản phẩm.

3. Mô phỏng bằng phần mềm ANSYS có vai trò gì trong nghiên cứu?
   ANSYS được sử dụng để tính toán ứng suất, chuyển vị và tối ưu hóa số lớp vải Carbon, giúp thiết kế chân giả đạt hiệu quả chịu lực và linh hoạt tối ưu trước khi chế tạo thực tế.

4. Chi phí sản xuất chân giả bằng sợi Carbon trong nước so với nhập khẩu như thế nào?
   Chi phí sản xuất trong nước thấp hơn khoảng 9 lần so với sản phẩm nhập khẩu cùng loại, giúp tăng khả năng tiếp cận cho người khuyết tật với sản phẩm chất lượng cao.

5. Đối tượng sử dụng chân giả này phù hợp với những ai?
   Sản phẩm phù hợp với người có cân nặng từ 50kg đến 60kg, chiều cao từ 1m50 đến 1m60, di chuyển với vận tốc khoảng 1m/s, đáp ứng nhu cầu sử dụng hàng ngày và vận động nhẹ nhàng.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và chế tạo thành công mẫu bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon với trọng lượng nhẹ, độ bền cao và tính linh hoạt tốt.
• Phương pháp đúc chân không kết hợp kỹ thuật thủ công giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm khuyết tật vật liệu.
• Mô phỏng bằng phần mềm ANSYS cho phép tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo khả năng chịu tải và chuyển vị phù hợp với người dùng.
• Chi phí sản xuất trong nước thấp hơn đáng kể so với sản phẩm nhập khẩu, mở ra cơ hội phát triển công nghiệp chỉnh hình trong nước.
• Đề xuất các giải pháp phát triển sản xuất, đào tạo nhân lực và chính sách hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng sản phẩm trong thực tế.

Tiếp theo, cần triển khai mở rộng nghiên cứu ứng dụng sợi Carbon cho các bộ phận chỉnh hình khác và xây dựng dây chuyền sản xuất quy mô công nghiệp. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và tổ chức liên quan hợp tác phát triển để nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật 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 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 S K C0 0 5 8 5 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.5 Trang vi Luan van 1. 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.24 Trang vii Luan van 2. 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.42 Trang viii Luan van 4. 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 Luan van 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 .33 Trang x Luan van Hình 3.4: 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 Luan van Hình 5.1: Mô hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su .