Nghiên cứu quy trình chế tạo khớp mắt cá chân giả từ vật liệu carbon composite

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu đề xuất quy trình chế tạo cơ cấu khớp mắt cá bàn chân giả bằng vật liệu carbon, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: PGS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Quy Trình Chế Tạo Khớp Mắt Cá Chân Giả Bằng Vật Liệu Carbon Composite
• Loại tài liệu: Công Trình NCKH
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
• DANH MỤC HÌNH
• THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 0.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.3. Mục đích của đề tài
• 0.4. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Hiệu quả trong giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về Composite
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Quá trình hình thành và phát triển
• 1.3. Ưu điểm của vật liệu Composite
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Khớp Mắt Cá Chân Giả và Vật liệu Carbon Composite

Phần này trình bày tổng quan về khớp mắt cá chân giả, nhu cầu cấp thiết về thiết bị y tế này và vai trò của vật liệu carbon composite trong việc chế tạo ra sản phẩm chất lượng cao. Số lượng người khuyết tật trên toàn cầu rất lớn, dẫn đến nhu cầu cao về các loại chân giả. Vật liệu composite, đặc biệt là carbon composite, nổi bật với các ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, và khả năng chịu lực tốt, đáp ứng yêu cầu khắt khe của khớp mắt cá chân giả. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng carbon composite để chế tạo khớp mắt cá chân giả, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất so với các vật liệu truyền thống như gỗ hay nhựa tổng hợp. Ứng dụng carbon composite trong lĩnh vực y sinh học đang được chú trọng phát triển, đặc biệt trong chế tạo các thiết bị chỉnh hình. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh hiệu quả của sợi carbon trong y học, đặc biệt trong việc gia cường độ bền kéo của polymer dùng làm chân giả. Vật liệu composite trong y sinh mang lại nhiều lợi ích đáng kể, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật.

1.1. Nhu cầu và Thách thức trong Chế tạo Khớp Mắt Cá Chân Giả

Nhu cầu về khớp mắt cá chân giả rất lớn do số người khuyết tật ngày càng tăng. Tuy nhiên, các sản phẩm hiện có trên thị trường thường gặp phải những hạn chế về trọng lượng, độ bền, và giá thành. Nhiều sản phẩm sử dụng vật liệu truyền thống, dẫn đến sản phẩm nặng, khó sử dụng, và giá thành cao. Việc tìm kiếm vật liệu mới, nhẹ và bền, là một thách thức lớn trong lĩnh vực này. Nghiên cứu này nhằm giải quyết các thách thức này bằng cách ứng dụng vật liệu carbon composite để chế tạo khớp mắt cá chân giả có trọng lượng nhẹ, độ bền cao, và giá thành hợp lý. Một trong những mục tiêu quan trọng là làm sao cho khớp mắt cá chân giả có độ bền cao, có thể chịu được lực tác động trong quá trình vận động của người sử dụng, đảm bảo an toàn và sự thoải mái. Khớp nối mắt cá chân giả cần thiết kế sao cho người dùng có thể vận động linh hoạt, gần giống như chân thật. Thiết kế khớp mắt cá chân giả cần phải tính toán kỹ lưỡng đến các yếu tố sinh học để đảm bảo sự phù hợp với cơ thể người sử dụng. An toàn khớp mắt cá chân giả là yếu tố hàng đầu cần được đảm bảo trong quá trình thiết kế và sản xuất.

1.2. Ưu điểm của Vật liệu Carbon Composite trong Chế tạo Khớp Giả

Vật liệu carbon composite sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Vật liệu composite này có trọng lượng nhẹ, giúp người dùng dễ dàng vận động. Độ bền cao của vật liệu composite đảm bảo sản phẩm có tuổi thọ dài, chịu được lực tác động lớn trong quá trình sử dụng. Tính chất cơ học của carbon composite cho phép thiết kế khớp giả với độ cứng và độ đàn hồi phù hợp, gần giống với khớp mắt cá chân tự nhiên. Ứng dụng carbon composite trong lĩnh vực y sinh ngày càng phổ biến nhờ tính sinh học tốt và khả năng tương thích sinh học cao. Quá trình gia công carbon composite khá phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao, nhưng lại cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, đáp ứng yêu cầu thiết kế khớp chân giả. Vật liệu chế tạo chi giả cần phải đáp ứng được những tiêu chí khắt khe về tính bền, tính an toàn và tính thẩm mỹ. Carbon composite đáp ứng tốt những yêu cầu này. Tính sinh học của vật liệu composite là một yếu tố quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng. Chi phí chế tạo khớp mắt cá chân giả bằng vật liệu carbon composite có thể cao hơn so với các vật liệu thông thường, nhưng bù lại, tuổi thọ và hiệu quả sử dụng cao hơn nhiều.

II. Quy trình Chế tạo Khớp Mắt Cá Chân Giả bằng Vật liệu Carbon Composite

Phần này trình bày chi tiết quy trình sản xuất khớp giả, bao gồm các bước thiết kế, lựa chọn vật liệu, gia công, và kiểm tra chất lượng. Quy trình chế tạo khớp giả cần đảm bảo độ chính xác cao để khớp giả hoạt động hiệu quả và an toàn. Thiết kế khớp mắt cá chân giả được thực hiện dựa trên phân tích hình học và cơ sinh học của khớp mắt cá chân người. Mô phỏng khớp mắt cá chân bằng phần mềm chuyên dụng giúp tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo khớp giả có độ bền và độ tin cậy cao. Lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng, trong trường hợp này là vật liệu carbon composite. Quá trình gia công composite bao gồm các bước như chuẩn bị vật liệu, định hình, gia cố, và xử lý bề mặt. Kiểm tra chất lượng khớp giả được thực hiện nghiêm ngặt, đảm bảo sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn. Đúc composite là một kỹ thuật quan trọng trong quá trình chế tạo. Ép khuôn composite cần được thực hiện chính xác để đảm bảo hình dạng và kích thước của khớp giả. Gia công composite đòi hỏi kỹ thuật và máy móc chuyên dụng. Cường độ độ khớp mắt cá chân giả cần được đánh giá kỹ lưỡng.

2.1. Thiết kế và Mô phỏng Khớp Mắt Cá Chân Giả

Thiết kế khớp mắt cá chân giả là bước quan trọng nhất. Thiết kế phải đảm bảo khớp giả hoạt động chính xác, phù hợp với kích thước và trọng lượng của người sử dụng. Phần mềm mô phỏng được sử dụng để kiểm tra độ bền và tính ổn định của khớp giả trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Mẫu thiết kế khớp mắt cá chân giả phải đáp ứng các yêu cầu về sinh học và công nghệ. Phân tích ứng suất của khớp giả giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm trọng lượng và tăng độ bền. Mô hình chân giả được xây dựng dựa trên dữ liệu hình ảnh y tế và các nghiên cứu về cơ sinh học. Tối ưu hóa thiết kế được thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu. Kiểm tra khả năng chịu lực của khớp giả là cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Khớp mắt cá chân giả hiện đại cần tích hợp nhiều tính năng thông minh để nâng cao hiệu quả sử dụng. Nghiên cứu khớp mắt cá chân giả luôn được cập nhật và cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

2.2. Gia công và Kiểm tra Chất lượng Khớp Giả

Sau khi thiết kế được hoàn thiện, quá trình chế tạo khớp mắt cá chân giả bắt đầu. Chế tạo khuôn composite là một công đoạn quan trọng, đòi hỏi độ chính xác cao. Gia công vật liệu composite cần kỹ thuật chuyên môn cao để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Kiểm tra chất lượng được thực hiện ở nhiều giai đoạn, từ kiểm tra vật liệu đến kiểm tra sản phẩm hoàn thiện. Các bài kiểm tra bao gồm kiểm tra độ bền, độ cứng, và khả năng chịu lực của khớp giả. Tiêu chuẩn chất lượng khớp giả phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về an toàn và hiệu quả sử dụng. Đo đạc đặc tính vật liệu là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Kiểm tra chất lượng khớp giả bao gồm các phép thử cơ học và sinh học. An toàn khớp mắt cá chân giả được đảm bảo bằng việc kiểm tra kỹ lưỡng các khía cạnh kỹ thuật và sinh học. Tuổi thọ khớp mắt cá chân giả phụ thuộc vào chất lượng vật liệu và quy trình chế tạo. Phục hồi chức năng khớp mắt cá chân là mục tiêu cuối cùng của quá trình chế tạo.

III. Kết luận và Hướng Phát triển

Phần này tóm tắt kết quả nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của quy trình chế tạo khớp mắt cá chân giả và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo khớp mắt cá chân giả bằng vật liệu carbon composite, đáp ứng được các yêu cầu về trọng lượng nhẹ, độ bền cao, và giá thành hợp lý. Khớp mắt cá chân giả bền và hiệu quả. Khớp mắt cá chân giả nhẹ và dễ sử dụng. So sánh vật liệu chế tạo khớp giả cho thấy carbon composite là lựa chọn tối ưu. Ưu điểm và nhược điểm vật liệu composite đã được đánh giá kỹ lưỡng. Nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc chế tạo các thiết bị chỉnh hình, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật. Ứng dụng công nghệ nano có thể được nghiên cứu để cải thiện thêm tính năng của khớp giả. In 3D khớp mắt cá chân giả có thể là một hướng phát triển trong tương lai. Nghiên cứu khớp mắt cá chân giả cần tiếp tục được đầu tư để tạo ra những sản phẩm tốt hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về Composite 1. Khái niệm: Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau. Mỗi thành phần lại có những đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt, khi tổng hợp chúng lại, sẽ cho một vật liệu hoàn toàn mới, khác so với những vật liệu ban đầu.

Vật liệu mới đó được gọi là vật liệu composite. Từ “Composite” xuất phát từ gốc Tiếng Anh có nghĩa là “hỗn hợp, tổng hợp, phức hợp…”. Trong nhiều tài liệu khoa học, thuật ngữ “vật liệu mới” đồng nghĩa với vật liệu composite. Vật liệu Composite 1.

Quá trình hình thành và phát triển: Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre chát bùn với rơm, dạ. Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà các nhà khoa học đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; sau đó họ đã dùng để gia cường cho Polyeste không NO và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai. Trang 18 Luan van Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện của nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv.

Ưu điểm 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 nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường.

Nhược điểm của vật liệu Composite. - Vật liệu Composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất. - Giá thánh nguyên liệu thô làm nên vật liệu Composite khá cao. Phương pháp gia công vật liệu Composite đòi hỏi mất nhiều thời gian - Việc phân tích mẫu vật liệu Composite và cơ, lý, hóa tính rất phức tạp.

Phân loại vật liệu Composite. Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần: 1. Phân loại theo hình dạng: Vật liệu Composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi là Composite độn dạng sợi. Sợi có tính cơ lý hóa cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên sợi có giá thành cao hơn.

Sợi có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với đường kính của nó. Tỉ lệ độ dài/đường kính (l/d) được biết đến như là tỉ số hướng và có thể thay đổi. Sợi liên tục có tỉ số hướng dài, trong khi đó sợi gián đoạn thì có tỉ số hướng ngắn hơn. Composite cốt sợi liên tục thường có hướng ưu tiên còn sợi gián đoạn lại thường có hướng ngẫu nhiên.

Trang 19 Luan van Hình 1. Composite sợi liên tục và sợi gián đoạn [1] Cốt sợi có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, xơ dừa, xơ tre, bông.), có thể là sợi nhân tạo (sợi thủy tinh, sợi vải, sợi carbon…). Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta chế tạo sơi thành nhiều dạng khác nhau: sợi ngắn, sợi dài, sợi rối, tấm sợi… Hình 1. Một số loại Composite cốt sợi [1] Việc trộn thêm các loại cốt sợi này vào hỗn hợp có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũng nhƣ độ bền hoá học của vật liệu như: khả năng chịu được va đập; độ giãn nở cao; khả năng cách âm tốt; tính chịu ma sát – mài mòn; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao; khả năng chịu được trong môi trường ăn mòn như: muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưu việt của hệ thống vật liệu mới so với các loại Polyme thông thường.

Vật liệu Composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào chất nền. Các loại hạt thường được sử dụng là: silica, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talic, hay graphite, carbon… Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên. Các composite cốt hạt có kích thước tương tự nhau ở tất cả các hướng. Chúng có thể ở dạng cầu, dạng tấm phẳng Trang 20 Luan van hoặc ở bất kì các hình dạng thông thường hay không thông thường khác.

Composite cốt hạt có xu hướng yếu hơn và độ cứng kém hơn so với composite cốt sợi liên tục, nhưng chúng lại rẻ hơn nhiều. Composite cốt hạt thường chứa chất gia cường ít (40- 50% thể tích) do đó khó gia công và dễ bị gãy. Chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau: - Giảm giá thành, tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường. - Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn. Một số loại Composite cốt hạt [1] 1. Phân loại theo bản chất, thành phần. Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (các tông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),.

Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao),.), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,.), sợi kim loại (Bo, nhôm,. Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C. Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,.), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,.

Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,. Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,.), sợi khoáng (cacbon, SiC,. Composite nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600÷1.000 °C (nền gốm tới 1. Cấu tạo của vật liệu Composite.

Chất nền: Trang 21 Luan van Là chất kết dính, tạo môi trƣờng phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Chất nền có vai trò: - Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất. - Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết thiêt kế.

- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường. - Vật liệu nền (pha nền) trong cấu trúc của vật composite không chịu trực tiếp tải trọng hay ứng suất tác dụng lên vật liệu. Nó chỉ đóng vai trò trung gian truyền dẫn ứng suất hay tải trọng vào bên trong cho vật liệu đóng vai trò là chất độn (pha cốt). Sự hòa hợp giữa pha nền và pha cốt cũng là một nhân tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite.

Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền: - Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy. - Nhựa nhiệt rắn: PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, Epoxy, Polyester không no, gia công dƣới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyester không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo. Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:  Polyester: Nhựa polyester được sử dụng rộng rãi trong công nghệ composite, Polyester loại này thường là loại không NO, đây là nhựa nhiệt rắn, có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc ở dạng rắn nếu có điều kiện thích hợp.

Thông thường người ta gọi polyester không NO là nhựa polyester hay ngắn gọn hơn là polyester. Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tính chất khác nhau. Sự khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ các chất sử dụng). - Phương pháp tổng hợp.

- Trọng lượng phân tử. Trang 22 Luan van - Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến). - Hệ chất độn. Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.

Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite. Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi. Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải. Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đóng rắn của nó sau một thời gian.

Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này. Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất. Quá trình đóng rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều.

Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được mà không bị giòn. Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trƣớc khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công.