(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu,chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi carbon

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 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.TS PHẠM HUY TUÂN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ 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 riêng địa liên lạc: Số 65 Linh Đông, quận Thủ Đức, Tp.HCM Điện thoại: 0938826064 E-mail: hominhhieu1993@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 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: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí 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 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 Cty TNHH MTV Công Nghệ Quản lý sản xuất Hồ Phát Trang i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2018 (Ký tên 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.TS Phạm Huy Tuân giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tác giả suốt thời gian thực 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 giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện, môi trường học tập tốt cho tác giả Ngoài tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ths Lê Minh Nhật – kỹ thuật viên hàng không Bác sĩ Mai Văn Trình – chuyên viên chỉnh hình cấp II ISPO tận tình hướng dẫn giúp đỡ tác giả suốt q trình thực luận văn Xin kính chúc sức khỏe xin chân thành cảm ơn Tác giả Hồ Minh Hiếu Trang iii Luan van TÓM TẮT Trong lĩnh vực chỉnh hình nay, sản phẩm chân, tay giả thường làm từ loại vật liệu truyền thống gỗ, nhựa tổng hơp Các loại vật liệu thường có trọng lượng cao độ bền thấp Việc chế tạo chân giả từ loại vật liệu gặp nhiều hạn chế phải cần tới máy móc phức tạp để tạo hình chân Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, mẫu chân làm từ sợi Carbon dần đời, đa số mẫu chân nhập nên giá thành cao Nhằm mục đích khắc phục nhược điểm mẫu chân giả truyền thống, hạn chế nhập chân giả từ nước ngoài, tiến tới giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm, việc chế tạo mẫu chân giả vật liệu sợi Carbon ngày nhà khoa học lĩnh vực chỉnh hình Việt Nam quan tâm… Việc sử dụng rộng rãi vật liệu sợi Carbon có nhiều ưu điểm so với vật liệu truyền thống như: trọng lượng nhẹ, chắc, bền, khơng gỉ, chịu hóa chất, chịu mài mịn Nội dung nghiên cứu luận văn tập trung vào việc chế tạo mẫu chân giả vật liệu sợi, ưu điểm mẫu chân nhẹ, dễ dàng chế tạo lắp ráp đảm bảo độ linh hoạt 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 iii TÓM TẮT iv ABSTRACT .v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xiv CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.1.1.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.1.1.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài .5 1.4.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu .5 1.5 Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu .5 1.5.1 Cách tiếp cận 1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Trang vi Luan van 1.6 Hiệu giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan Composite 2.1.1 Khái niệm: 2.1.2 Quá trình hình thành phát triển: .7 2.1.3 Ƣu điểm vật liệu Composite 2.1.4 Nhƣợc điểm vật liệu Composite 2.1.5 Phân loại vật liệu Composite 2.1.5.1 Phân loại theo hình dạng: 2.1.5.2 Phân loại theo chất, thành phần 10 2.1.6 Cấu tạo vật liệu Composite 11 2.1.6.1 Chất nền: 11 2.1.6.2 Pha cốt: 14 2.1.6.3 Chất xúc tác – xúc tiến: 16 2.1.6.4 Các chất phụ gia khác: 18 2.1.7 Ứng dụng vật liệu Composite 20 2.2 Tổng quan sợi Carbon .21 2.2.1 Khái niệm: .21 2.2.2 Quá trình hình thành phát triển: .22 2.2.3 Ƣu điểm sợi Carbon 23 2.2.4 Nhƣợc điểm sợi Carbon .23 2.2.5 Phân loại sợi Carbon 23 2.2.6 Tính chất ứng dụng sợi Carbon 24 2.2.6.1 Tính chất sợi Carbon 24 Trang vii Luan van 6.2 Thử nghiệm khả chịu tải máy kéo nén 6.2.1 Bố trí thí nghiệm Tác giả sử dụng thiết bị đo hãng INSTRON 3367 sản xuất Mỹ Tải lớn 50 kN, không gian hoạt động 800 mm trọng lượng 37 kg sử dụng loadcell có seri 49246 trọng lượng 425g khả tải tĩnh ±30 kN (tại trường Đại học Nông Lâm TP.HCM) Hình 6.7: Hệ thống thiết bị đo INSTRON 3367 Bàn chân lắp đồ gá với vị trí tiếp xúc mũi, tiếp xúc bàn, tiếp xúc gót định vị sẵn  Vị trí tiếp xúc bàn: Tại vị trí tiếp xúc bàn ống chân vng góc với mặt phẳng nằm ngang, chân giả hợp với mặt phẳng tiếp xúc góc 00, vị trí chân gia tải máy với lực lớn 50 kg vận tốc mm/phút Thử nghiệm bố trí hình 6.8 Trang 63 Luan van Hình 6.8: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc bàn  Vị trí tiếp xúc mũi: Tại vị trí tiếp xúc mũi bàn chân hợp với mặt phẳng ngang góc 250, vị trí chân máy gia tải với lực lớn 25 kg, vận tốc gia tải mm/phút Thử nghiệm bố trí hình 6.9 Hình 6.9: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc mũi  Vị trí tiếp xúc gót: Trang 64 Luan van Tại vị trí tiếp xúc gót, chân hợp với mặt phẳng ngang góc -150 vị trí này, chân máy gia tải với lực lớn 25 kg Vận tốc gia tải máy mm/phút Thử nghiệm bố trí hình 6.10 Hình 6.10: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc gót 6.2.2 Kết thử nghiệm  Vị trí tiếp xúc bàn: Tại vị trí tiếp xúc bàn ống chân vng góc với mặt phẳng nằm ngang, chân giả hợp với mặt phẳng tiếp xúc góc 00, vị trí chân gia tải máy với lực lớn 50 kg vận tốc mm/phút ta thu giá trị chuyển vị lớn 12 mm Quan sát đồ thị thu từ thực nghiệm ta thấy đoạn gia tải 20 - 30kg biểu đồ thực nghiệm bị nhô lên, gia tải tới giai đoạn này, đệm cao su bắt đầu bị biến dạng lực tác động Giai đoạn gia tải 30 – 50kg, đệm cao su biến dạng theo tải trọng nên đồ thị dần trở lại đường thẳng Đồ thị thực nghiệm có chuyển vị nhỏ đồ thị mơ phỏng, nguyên nhân trình chế tạo phương pháp thủ cơng, sản phẩm có sai số kích thước bề dày khiến cho độ cứng chân có thay đổi Trang 65 Luan van Hình 6.11: Biểu đồ thực nghiệm vị trí tiếp xúc bàn  Vị trí tiếp xúc mũi: Tại vị trí tiếp xúc mũi bàn chân hợp với mặt phẳng ngang góc 250, vị trí chân bàn máy gia tải với lực lớn 22 kg vận tốc gia tải mm/phút thu giá trị chuyển vị lớn 30 mm Quan sát biểu đồ ta thấy vị trí gia tải 5kg, biểu đồ dốc hơn, nguyên nhân từ vị trí trở đi, đường cong mu bàn chân bắt đầu phải chịu lực tác động Khiến cho chân có khả tích trữ lượng, đưa thể tiến phía trước Trang 66 Luan van Hình 6.12: Biểu đồ thực nghiệm vị trí tiếp xúc mũi  Vị trí tiếp xúc gót: Tại vị trí tiếp xúc gót, gót bàn chân vị trí tiếp xúc với bàn gia tải, vị trí chân bàn máy gia tải với lực lớn 50 kg vận tốc gia tải mm/phút thu giá trị chuyển vị lớn 26,41 mm Quan sát đồ thị ta thấy, từ giai đoạn gia tải 25 kg trở đi, biểu đồ bắt đầu dốc hơn, tức độ cứng chân từ giai đoạn trở tăng Điều xảy từ giai đoạn gia tải 20kg, đệm cao su bắt đầu bị biến dạng cho lực tác động Bắt đầu trình giảm chấn cho chân để chuyển từ giai đoạn tiếp xúc gót sang tiếp xúc bàn Trang 67 Luan van Hình 6.13: Biều đồ thực nghiệm vị trí tiếp xúc gót 6.3 Thử nghiệm thực tế ngƣời bệnh Sau kiểm tra khả chịu tải hoạt động chân thiết bị đo, kiểm chứng độ tin cậy chân Tác giả tiến hành lắp đặt thử nghiệm trực tiếp người bệnh Trung Tâm Chỉnh Hình Hồi Phục Chức Năng TP.HCM Hình 6.14: Bàn chân lắp vào chân người bệnh Trang 68 Luan van Bàn chân lắp vào ống chân, ống chân có chiều dài phù hợp với bệnh nhân tùy vào vị trí cụt Sau ống chân lắp vào ống đỡ mõm cụt, mõm cụt có đai da dung để buộc ống đỡ kết nối chặt vào mõm cụt Bệnh nhân thử nghiệm bà Nguyễn Thị Út – 80 tuổi, chiều cao 1m55, cân nặng 50kg Bà bị thương mìn nên phải cắt 1/3 cẳng chân phải Hình 6.15: Bênh nhân sau lắp chân giả chế tạo từ sợi Carbon Hình 6.16: Bệnh nhân di chuyển chân giả chế tạo từ sợi Carbon Trang 69 Luan van CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 7.1 Kết luận Trong luận văn tác giả muốn giới thiệu thiết kế chân giả làm từ vật liệu Carbon Composite Với đặc tính vật liệu bền, nhẹ, chịu va đập, đặc tính lý hóa khác, có khả đáp ứng linh hoạt chuyển động chân di chuyển, khả giảm chấn tiếp xúc gót, khả uốn chuyển sang giai đoạn tiếp xúc bàn từ tiếp xúc bàn sang giai đoạn tiếp xúc mũi Sự linh hoạt giúp giảm ảnh hưởng tới chân bệnh nhân q trình di chuyển Thuật tốn tối ưu hóa Ansys áp dụng giúp chọn kích thước chân phù hợp với khoảng cân nặng bệnh nhân Việc tối ưu hóa giúp giảm bớt thời gian thử sai tiết kiệm vật liệu sử dụng để làm chân Điều có ý nghĩa giá thành sợi Carbon cao Việc thực thực nghiệm máy người với quy trình rõ ràng, khoa học giúp kiểm tra cách xác khả hoạt động chân nhằm tiến tới sản xuất thương mại tương lai 7.2 Kiến nghị Dựa vào kết đạt đề tài, nghiên cứu tính vượt trội vật liệu Composite chế tạo chân giả, dần đưa chân giả chế tạo từ vật liệu đến với bệnh nhân nước Nhưng giới hạn thời gian kinh phí thực hiện, đề tài cịn nhiều thiếu sót cần khắc phục phương pháp chế tạo sử dụng chân lĩnh vực thể thao Với mong muốn hoàn thiện thiết kế việc đáp ứng khả di chuyển nhiều trường hợp, ngồi cịn sử dụng thể thao Tác giả muốn đề xuất: - Về phần chế tạo: Phương pháp chế tạo mà tác giả sử dụng đề tài phương pháp thủ công Với phương pháp này, tác giả phải chế tạo khuôn mẫu chế tạo chân Phương pháp gặp khó khăn việc chế tạo chân có hình dạng phức tạp tính thẩm mỹ cao Ngồi phương pháp thủ công nên thời gian để làm chân lâu dẫn tới chưa thể tiến tới sản xuất thương mại Trang 70 Luan van - Về phần thiết kế: Thiết kế chân đề tài sử dụng với mục đích di chuyển, lại bình thường, chưa có linh hoạt để sử dụng việc di chuyển địa hình phức tạp tham gia hoạt động thể thao Hướng phát triển tiếp cho đề tài tiếp tục sử dụng vật liệu Carbon Composite d ng phương pháp chế tạo khác với phương pháp chế tạo đề tài để rút ngắn thời gian chế tạo giúp chế tạo chân với hình dáng phức tạp Thiết kế chân để sử dụng di chuyển địa hình phức tạp sử dụng hoạt động thể thao Trang 71 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2001) “Vật liệu Composite – Cơ học Công nghệ” NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Hữu Bằng (2010) “Phương pháp tính vẽ đường cong mềm thường dùng học” NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Đông Kỳ (2012) “Xây dựng mặt lưới tam giác 3D xấp xỉ mặt cong tham số Bezier” Luận văn thạc sĩ trường ĐH Đà Nẵng [4] Nguyễn Hữu Lộc (2010) Kỹ thuật CAD/CAE NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Trịnh Xuân Đàn (2007) “Bài Giảng Giải Phẫu Học – Tập 1” NXB Y Học, Hà Nội [6] Tôn Thất Minh Đạt (2015) “Đại cương sinh học” ĐH Y Dược Huế Tiếng Anh [7] Hadi and Oleiwi (2015) “Improving Tensile Strength of Polymer Blends as Prosthetic Foot Material Reinforcement by Carbon Fiber” Journal of Material Sciences & Engineering, Vol 4, ISSN: 2169-0022 [8] K M Walke, P S Pandure (2017) “Mechanical Properties of Materials Used For Prosthetic Foot: A Review,” IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE), p.61 – 65 [9] Autar K Kaw, (2006) “Mechanics of Composite Materials” Taylor and Francis Group p – 5, 81-99 [10] Lythgo, N., Wilson, C & Galea, M (2009) “Basic gait and symmetry measures for primary school-aged children and young adults whilst walking barefoot and with shoes” Gait & Posture, 30, p.502-506 [11] Pham Huy-Tuan, Nguyen Van-Khien, 2013 “A Monolithic Flexural-Based Prosthetic Foot For Amputee” Journal of Engineering Technology and Trang 72 Luan van Education, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Vol 9, pp 461-467 [12] Roland J Christensen (2008) “Prosthetic foot with energy transfer including variable orifice” US Patent, No 11,098,828 [13] Leslie Torburn, et al., (1990) “Below-knee amputee gait with dynamic elastic response prosthetic feet: A pilot study” Journal of Rehabilitation Research and Development Vol 27(4), pp 369-384 [14] BSI, 389 Chiswick High Road, London (2007) “Fibre-reinforced plastic composites - Determination of flexural properties (ISO 14125:1998)” Trang 73 Luan van PHỤ LỤC Trang 74 Luan van Trang 75 Luan van Trang 76 Luan van S K L 0 Luan van ... cứu - Bàn chân giả vật liệu sợi Carbon - Ứng dụng Composite Carbon để sản xuất chân, tay giả 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Mơ hình bàn chân giả vật liệu sợi Carbon Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên. .. - Đưa vật liệu Composite Carbon áp dụng rộng rãi việc sản xuất chân giả 1.4 Nhiệm vụ, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài - Nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả vật liệu sợi Carbon. .. khó Sau tìm hiểu thử nghiệm, tác giả chọn vật liệu Composite Carbon để thực đề tài: Nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả vật liệu sợi Carbon 1.3 Mục đích đề tài - Tạo sản phẩm nhẹ, bền, dễ dàng sử