I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chân Giả Carbon Composite Hiện Nay
Hiện nay, các sản phẩm làm từ vật liệu composite xuất hiện rất nhiều trên thị trường với đa dạng mẫu mã và kiểu dáng. Mỗi loại composite được chế tạo từ chất nền và cốt khác nhau, tạo ra đặc tính riêng biệt. Nghiên cứu này tập trung vào vật liệu composite từ sợi carbon, hay còn gọi là carbon composite, và ứng dụng trong chế tạo chân giả. Theo số liệu năm 2015 của Liên Hợp Quốc, số người khuyết tật trên thế giới chiếm 7,3% tổng dân số, cho thấy nhu cầu lớn về chân giả. Các nghiên cứu trên thế giới và trong nước đang dần quan tâm đến việc ứng dụng vật liệu composite để cải thiện chất lượng và giảm giá thành chân giả.
1.1. Nghiên Cứu Quốc Tế Về Vật Liệu Composite Làm Chân Giả
Nhiều nghiên cứu quốc tế đã chứng minh ưu điểm của sợi carbon trong chế tạo chân giả. Hadi and Oleiwi (2015) [7] nghiên cứu về sự tăng cường độ bền kéo của vật liệu Polymer khi gia cố thêm sợi carbon. Walke và Pandure (2017) [8] so sánh ưu, nhược điểm của sợi carbon và sợi thủy tinh. Các nghiên cứu này giúp lựa chọn vật liệu phù hợp cho chân giả dựa trên mục đích sử dụng và yêu cầu kỹ thuật. Vật liệu composite sợi carbon được đánh giá cao về độ bền, trọng lượng nhẹ và khả năng ứng dụng trong ngành chỉnh hình.
1.2. Tình Hình Nghiên Cứu và Phát Triển Chân Giả Tại Việt Nam
Việc nghiên cứu và phát triển chân giả từ vật liệu composite trong nước chưa được quan tâm nhiều. Vật liệu chủ yếu được dùng là gỗ, nhựa tổng hợp, có trọng lượng lớn. TS Phan Văn An đã được cấp Bằng sáng chế cho ống chân giả bằng composite carbon. Sản phẩm này được Tổ chức Chỉnh hình Ngoại tuyến Hoa Kỳ (POF) kiểm nghiệm và xác nhận đạt yêu cầu kỹ thuật, với giá thành rẻ hơn 9 lần so với sản phẩm ngoại cùng loại. Điều này cho thấy tiềm năng phát triển chân giả carbon composite tại Việt Nam.
II. Tính Cấp Thiết Nghiên Cứu Quy Trình Chế Tạo Chân Giả
Vấn đề chế tạo chân giả đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các sản phẩm trước đây chưa tối ưu về chi phí và khả năng hoạt động. Với công nghệ hiện đại, việc cải tiến chân giả để giảm chi phí và tối ưu tính năng là cấp thiết. Việc chọn vật liệu phù hợp để đảm bảo khả năng hoạt động và tiết kiệm chi phí là một thách thức. Vật liệu composite carbon được chọn để thực hiện đề tài: Nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon.
2.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu Chế Tạo Chân Giả Carbon Composite
Mục tiêu chính của nghiên cứu là tạo ra sản phẩm nhẹ, bền, dễ sử dụng cho người khuyết tật. Đồng thời, giảm giá thành so với các sản phẩm trên thị trường và đưa vật liệu composite carbon áp dụng rộng rãi trong sản xuất chân giả. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện chất lượng cuộc sống của người khuyết tật thông qua việc cung cấp các giải pháp chân giả hiệu quả và kinh tế.
2.2. Nhiệm Vụ và Phạm Vi Nghiên Cứu Chân Giả Carbon
Nhiệm vụ của đề tài bao gồm nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon. Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng chuyển động, ứng suất khi sử dụng bàn chân giả. Tính toán số lớp vải carbon cần dùng để đảm bảo sản phẩm hoạt động tốt. Kiểm nghiệm lực, khả năng chịu tải để đưa ra sản phẩm hoàn thiện. Đối tượng nghiên cứu là bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon và ứng dụng composite carbon để sản xuất chân, tay giả.
III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Carbon Composite Tiên Tiến
Dựa trên các phương pháp chế tạo vật liệu composite carbon hiện nay, thiết kế, tạo bàn chân giả với các ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống. Cách tiếp cận là tham khảo lý thuyết, áp dụng các phương pháp chế tạo composite carbon hiện nay, kiểm tra đánh giá, tối ưu hóa, mô phỏng lực, ứng suất, chuyển vị bằng phần mềm ANSYS. Phương pháp thực hiện bao gồm tham khảo lý thuyết, áp dụng các phương pháp chế tạo composite carbon hiện nay, kiểm tra đánh giá và tối ưu hóa.
3.1. Tiếp Cận Thiết Kế Chân Giả Carbon Composite
Cách tiếp cận trong nghiên cứu này là dựa trên các phương pháp chế tạo vật liệu composite carbon hiện có. Mục tiêu là thiết kế và tạo ra bàn chân giả với các ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Điều này bao gồm việc cải thiện độ bền, giảm trọng lượng và tăng tính linh hoạt của sản phẩm.
3.2. Ứng Dụng Phần Mềm ANSYS Trong Mô Phỏng Chân Giả
Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng lực, ứng suất và chuyển vị của bàn chân giả. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo rằng sản phẩm có thể chịu được các tải trọng khác nhau trong quá trình sử dụng. Việc mô phỏng cũng giúp xác định số lớp vải carbon cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
3.3. Quy Trình Kiểm Tra và Đánh Giá Chất Lượng Chân Giả
Quy trình kiểm tra và đánh giá bao gồm kiểm tra lực, khả năng chịu tải và các yếu tố khác để đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng. Các kết quả kiểm tra được sử dụng để cải thiện thiết kế và quy trình sản xuất, đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng là an toàn và hiệu quả.
IV. Hiệu Quả Kinh Tế Xã Hội Của Chân Giả Carbon Composite
Việc nghiên cứu này nhằm tạo ra một sản phẩm thiết thực về khả năng hoạt động và chi phí sản xuất. Đối tượng trực tiếp hướng đến là người khuyết tật Việt Nam, sản phẩm được chế tạo từ loại vật liệu mới với nhiều ưu điểm vượt trội và giá thành phù hợp. Việc đưa sản phẩm vào thực tế nhằm giúp người khuyết tật có khả năng sở hữu và thay thế cho các sản phẩm giá thành đắt đỏ của nước ngoài với chức năng tương tự.
4.1. Tác Động Đến Giáo Dục và Đào Tạo Trong Ngành Y Tế
Hiện nay, việc nghiên cứu các thiết bị y tế trong lĩnh vực chỉnh hình vẫn chưa được phát triển mạnh, các sản phẩm sản xuất trong nước để phục vụ bệnh nhân là rất hiếm. Vì vậy với đề tài “Nghiên cứu, chế tạo khớp mắt cá chân giả bằng vật liệu sợi carbon.” tác giả muốn tìm ra một hướng đi mới trong việc chế tạo các sản phẩm chỉnh hình. Giúp người khuyết tật được sử dụng những sản phẩm chất lượng với mức giá hợp lý.
4.2. Lợi Ích Kinh Tế và Xã Hội Cho Người Khuyết Tật
Việc nghiên cứu này nhằm tạo ra một sản phẩm thiết thực về khả năng hoạt động và chi phí sản xuất. Đối tượng trực tiếp hướng đến là người khuyết tật Việt Nam, sản phẩm được chế tạo từ loại vật liệu mới với nhiều ưu điểm vượt trội và giá thành phù hợp. Việc đưa sản phẩm vào thực tế nhằm giúp người khuyết tật có khả năng sở hữu và thay thế cho các sản phẩm giá thành đắt đỏ của nước ngoài với chức năng tương tự.
V. Tổng Quan Vật Liệu Composite và Sợi Carbon Trong Chế Tạo
Vật liệu composite là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần có đặc trưng riêng. Khi tổng hợp lại, sẽ cho một vật liệu hoàn toàn mới. Vật liệu composite đã xuất hiện từ lâu, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên. Ưu điểm của vật liệu composite là khả năng chế tạo thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Các đặc tính chủ yếu là nhẹ - chắc – bền – không gỉ - chịu hóa chất – chịu thời tiết.
5.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Vật Liệu Composite
Tính ưu việt của vật liệu composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn. Các đặc tính chủ yếu của vật liệu composite là nhẹ - chắc – bền – không gỉ - chịu hóa chất – chịu thời tiết. Các thành phần cốt của composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu lực tốt.
5.2. Ứng Dụng Sợi Carbon Trong Vật Liệu Composite
Sợi carbon là một thành phần quan trọng trong vật liệu composite. Nó mang lại độ bền cao và trọng lượng nhẹ cho sản phẩm cuối cùng. Việc sử dụng sợi carbon trong chế tạo chân giả giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và sự thoải mái cho người sử dụng. Sợi carbon cũng có khả năng chịu được các tác động mạnh, làm cho chân giả bền hơn và an toàn hơn.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Chân Giả Carbon Composite
Nghiên cứu này đã đề xuất một quy trình chế tạo chân giả bằng vật liệu carbon composite với nhiều ưu điểm vượt trội. Sản phẩm có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống của người khuyết tật. Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa thiết kế, quy trình sản xuất và thử nghiệm trên nhiều đối tượng khác nhau để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của sản phẩm.
6.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế và Quy Trình Sản Xuất Chân Giả
Việc tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất là rất quan trọng để giảm chi phí và cải thiện hiệu suất của chân giả. Điều này bao gồm việc sử dụng các phần mềm mô phỏng tiên tiến, thử nghiệm các vật liệu khác nhau và áp dụng các kỹ thuật sản xuất hiệu quả. Mục tiêu là tạo ra một sản phẩm có giá thành hợp lý và đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng.
6.2. Thử Nghiệm và Đánh Giá Trên Nhiều Đối Tượng
Việc thử nghiệm và đánh giá trên nhiều đối tượng khác nhau là cần thiết để đảm bảo rằng chân giả phù hợp với nhiều loại hình khuyết tật và có thể đáp ứng được các yêu cầu khác nhau của người sử dụng. Điều này bao gồm việc thu thập dữ liệu về hiệu suất, sự thoải mái và an toàn của sản phẩm trong quá trình sử dụng thực tế.
