Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối toàn phần ma sát trượt

Trong luận văn này, nội dung dé cap viécxây d ng một quy trình công nghệ nh m ph cv gia công khớp gối toàn phan ma sát trượtd a trên mô hình 3D thu đượct các nghiên c utrước.T đó tiến hà

B MONCH TAOMAY

NGUYEN VY LONG

THI TK VACH TAO MAU KHỚP GÓI

TOAN PHAN MA SAT TRUOT

Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV và trưởng khoa quản lý chuyên ngànhsau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nêu có).

CHỦ TICH H IĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : Nguyễn Vy Long MSHV: 13040390Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/ 1990 Nơi sinh: Phú YênChuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số : 60.52.01.03

I TÊN DE TÀI: THI TK VÀCH TẠO MẪU KHỚP GOI TOÀN PHAN MA SÁT

TRƯỢT

Il NHIEM VU VÀN IDUNG:

Tổng quan về khớp gối nhân tao.- _ Xây d ng quy trình gia công mẫu khớp gối- Gia công chế tạo mẫu

- Do đạc và phân tích- _ Kết luận và kiến nghịIll NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 17/06/2016V.CÁNB_ HƯỚNG DÂN : Tiến sĩ Trần Nguyên Duy Phương

- TP HCM, ngày tháng năm 2016

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Ho tén va chit ky) (Ho tên và chữ ky)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

Trong quá trình th c hiện luận văn tuy ban thân c n thiếu sót những kiến th c vẻ lýthuyết và kinh nghiệm th c tiễn nhưng nhờ cós giúp đ t thầy cô, ban b và người thânđã phần nào kh c ph c được đ tôi cóth hoản thành được bài luận hoàn chỉnh Em xin gửilời cảm ơn tới Thầy Trần Nguyên Duy Phương đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo và giúp đtrong quá trình th c hiện, anh Nguyễn Tan Khánh là ngườih trợ tham gia gia công chế taomẫu, bạn Dương Bảo Chiêu và Nguyễn Bảo Châu đã giúp đ trong quá trình thiết kế, đánh

giá mau mô hình và những người bạn người thân trong gia đình đã động viên, giúp s c đ

hoàn thiện luận văn.

TP HCM, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nguyễn Vy Long

Khớp gối nhân tạo là một sản ph m y sinhh trợ cho s van động của các bệnh nhânbị giảm hay mat ch c năng của khớp gốit nhiên Sản ph m khớp gối nhân tạo đã đượcnghiên c u, thiết kế, chế tạo và cải tiễn trên thé giới Tuy nhiên ở Việt Nam vẫn c n phảinhập kh ud sud ng với giá thành c n tương đối cao Vì vậy đ ih i phải có một sản ph mph cv trong quốc gia, nhu cầu đ tra là xây d ng những tiền dé nghiên c u thiết kế và chếtạo thử nghiệm ban đầu mẫu khớp gối nhân tạo Trong luận văn này, nội dung dé cap viécxây d ng một quy trình công nghệ nh m ph cv gia công khớp gối toàn phan ma sát trượtd a trên mô hình 3D thu đượct các nghiên c utrước.T đó tiến hành gia công phôi va

chế tạo mẫu thử nghiệm với vật liệu Inox 316L Kết quả dat được được dem phân tích va

đánh giá đ xác định tính khả thi trong việc áp d ng quy trình công nghệ đó vào việc giacông khớp gồi nhân tạo đ sử d ng trong y học sau nảy

TUkh a: Khop gối, khớp gối nhân tạo, toàn phan ma sat truot, Inox 316L, luong an dao,

toc độ c t, tôi ưu hóa.

TP Hồ Chí Minh tháng 6/2016

il

Artifical knee joint is a medical product which used to support for kinetics of patientwho losing the natural function of their own knee Many development countries haveinvestigated, designed, manufactured and improved them However, in Viet Nam, we stillhave purchased those products from aboard with a high cost So the requiremet is that wehave to make an own product which belongs and be served to patient in our country thatwill save money for us In this paper, reports about the manufacturing process which wasbuilt to make a sample based on 3D model from previous research Then we manufacturedthe product within stainless steel 316L material Finally, sample would be analyzed andexamined to determine feasibility to apply that manufacturing in real life.

Ho Chi Minh City, June 2016

Họ tên: Nguyễn Vy LongLớp: Cao học Kỹ Thuật Cơ Khí — K2013 - dot 1Mã số học viên: 13040390

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của ph ng Đảo tạo Sau đại học, Đạihọc Bách khoa TP.HCM, tôi đã th c hiện luận văn cao học với dé tài “Thiết kế v chếtạo m u khớp gối to n phan ma sát trư t” dưới s hướng dẫn của TS Trần NguyênDuy Phươngt ngày 11/01/2016 đến 17/06/2016

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi th c hiện Tôi đã th chiện luận văn đúng theo quy định của ph ng đào tạo sau đại học, Đại Học Bách KhoaTP.HCM và theo s hướng dẫn của TS Trần Nguyên Duy Phương

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trongquá trình th c hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình th c xu ly của ph ng dao tạosau đại học và Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hỗ Chí Minh

Học viên

Nguyễn Vy Long

IV

I.I Gila thí ù khip 9 nhân fL Ò ccccc 111111111111 11183335111 111111 rkrrrrrree1.1.1 C:utiokhipgiit nhinv s tho ih akh-p 1.1.2 KhipgLïi nhân tÍö to n phỉh 55111111 EEEssseeesssss1.2 Mits nghiên clu trong V ngO TƯ C cccĂĂSssssssesssesse1.2.1 Nghiên clu trên th lØ1i Ï - S290 1v vn cv.1.2.2 Nghiên Clu trong ñƯ' C cGG Q0 0000011311193 1 111111 1n ng v21.3 Thi ctr ng siding kh pg: Ì nhân fLÒ << ĂĂcSsrseseesssssss1.4 Mle tiduv ni dung nghiên CỈ lI 555511111 EEeseeessssss

L.5.1 0 ngh akhoa nh ằ 1.5.2 — nghathiCiTi cQQ Q1 01 1 vn ng và

CHƯƠNG 2: COS L THUY TT 5-55 S5 2S stexeeerxeeerrerrree

2.1 Chuy in dling khi giLÌ c1 00 1 vn.2.2 T nh Chit co BLO CLA XUON cGGGS 3133311131113 111111 1Eerrrree2.3 Ciut okh pbg_i nhan tlo to n phin mas † frưi f -55 <5+++22.4 Vit lil mkhlp gi nhân tl - 5552222223233 111 1Essssesee2.4.1 VELA Y SIMD ecccccsssssccceeeecceeeeessseessnsaeeeeeeeeceeseseseeesssaaeeeeess

li

iil

IV

vũ

3.2.1 Gia công chi tilt xương Qe cc ccsssssssseceeeeeeeeeeeessesssssseeeeeeeeeees 323.2.1.1 Nguyễn công Ì -c ca 343.2.1.2 Nguyễn CONG 2 c ca 353.2.2 Gia công chi tilt đ a đi †m G G5 S23 13 1113111355563 155111 1xkerrrree 373.2.2.1 Nguyễn CONG Ì -c cv xa 393.2.2.2 NguyÊn CONG 2 cv xa 403.2.2.3 NguyÊn CONG Ổ cọ xa 413.2.2.4 Nguyên CONG 4 c ca 433.2.3 Gia công chi tilt xương CH y - 555 1111111 kg 443.2.3.1 Nguyễn CONG Ì ca 463.2.3.2 NguyÊn CONG 2 ca 473.2.3.3 NguyÊn CONG Ổ cv xa 483.2.3.4 Nguyên CONG 4 cọ xa 503.2.3.5 NguyÊn CONG Š cọ xa 51

CHUONG 4: TOLUU H A DULING CHOY DAO < 5555 << 5s <e<2 53

Al Gii 1 thi ù chương tr nh €TICUẨ c7 5555222222333 5EEEssseree 534.2 (ng ding tliuuh a dul ng ch: y dao trong c c nguyên công 54

CHƯƠNG 5: ĐO DUC KOT QU: L St Hee, 61

hình) án 615.2 Phương Ph p do Kit oo ccccccsssssssssceeeeeeeeeeeeeeseeesssseeeeeeeseceeeeeseeeenaas 63

CHUONG 6: KL_TLU NV KIEN NGHI¡ 5 55555 << ssessssesse 66

Hình 1.4 — Quá trình thay thé khớp gối nhân tạO ¿+ 6s k+E+E+EsEsEsrererees 04Hình 1.5 - Khớp gối sau khi thay thẾ ¿2-2 + +E+E+E+E+EeEEEEEEEEeEeErkrkrkrkrsee 05Hình 1.6 — Công trình nghiên c u của Đại học Cheng S1u -555-++<<<5 06Hình 1.7 — Công trình nghién c u đại hoc Yuan Z€ -5 5555 ++<*ssssexssses 07Hình 1.8 — Công trình nghiên c u Đại hoc bách khoa Tp Hồ Chí Minh 08Hình 2.1 — Chuy n động của khớp gối - - - k+xk#E+ESESEEEkEkckckekckekekeerkeed 12Hình 2.2 - Bav ng cung của đường cong chuy n động Xương 13Hình 2.3 — Câu trúc XUON oe ceecccccececsssescseescsesevsvsesevsnsevevsusecsusevevssevsnssevseseesnssevses 14Hình 2.4 — Cau tạo khớp gối nhân tạO - + kE+EEE+E*E#ESEEEEEEEEEEEEErkrkrkrkrree 16Hình 2.5 — Ph u thuật thay thế khớp gối nhân tạo wo ssssseessesesssesescsesssecscscnees l6Hình 2.6 — Các loại khớp gối b ng vật liệu khác nhau 5-2-5 2 +52 s+s+x+S+2 17Hình 2.7 — Chuy n động mài siêu tinh Xác - 5S rreeree 21Hình 2.8 — Các sơ đồ mài siêu tinh XAC seeceeseecssesseesseesneeseeeseesseeseesseesnesseeeneesneeneen 22Hình 2.9 — Mai bề m t chỉ tiết khớp gối - - - kk+E+ESESEEEkEkvkckekekekeeeeeeeed 25Hình 3.1 — Mô hình thiết kế 3D khớp gối nhân tạo toàn phan ma sát trượt 29Hình 3.2 —M6 ph ng phân tích mô hình khớp gối nhân tạo 5-5-5 +52: 30Hình 3.3 — Các thông số kích thước hình học ¿- - + 2 2+ x+E+Ee£E+E+E+EsEerezed 31Hình 3.4 — Thông số hình học chỉ tiết xương gối + ¿6 6 s+E£E+E+EsEsEererees 32Hình 3.5 — Kích thước phôi gia CONG - 5-5 S322 322333133385636615515111Eeerrrree 33Hình 3.6 — Thông số hình học chi tiết đĩa đệm 2-22 k+E+EeEE+E+E+EsEerered 37Hình 3.7 — Kích thước phôi gia công chỉ tiết đĩa đệm - 2655 ssxsx+xsxd 38Hình 3.8 — Máy c t dây d ng DK”772Š -ccS 1113111111111 111111 ke rrree 40Hình 3.9 — Thông số hình học chỉ tiết xương chày - 5 56s sec sxcx+xsxd 44Hình 3.10 — Kích thước phôi gia công chỉ tiết xương chà - 55-5-5555: 45Hinh 3.11 Ji 00/5005) 0 vn 53Hình 4.1 — Các module ch c năng trong VerICUt{ - << << << essssssssss 53Hình 4.1 — Tạo kích thước phôi gia cÔng - 55 2333333656661 1ssssesre 54Hình 4.2 — Thiết lập thông số hình học cho dao cccccsscsessssssssesesssseesesesecsvseseseees 55Hình 4.3 — Thiết lập tọa độ gốc gia công trên phôi - - ¿2 + + + +x+xzxzx+xexd 56Hình 4.4 — Cài đ t các thông số gia cÔng - -¿- -kkk+k+ESES SE gvcvctcvcvggerreed 56Hình 4.5 — Duong chạy dao trong m6 ph ng gia công trên Creo 2 57Hình 4.6 — Mô ph ng gia công trên chương trình VeriCuf -+<+5+<++<<<s 58Hình 4.7 — Tiến trình gia công môp ph ng + << + +k+k+E£E£EeEeEsrsrererees 58Hình 4.9 — Quá trình mô ph ng gia công chi tiết xương gồi - 5-5-5 s52 59

Hình 5.7 — Do đạc va ki m tra chỉ tiết xương chảy - << sec cvsxeed 65

Bảng 3 — Thanh phan cau tạo các dạng Inox 3 Ì6 - 5 s+s+e+eeesesesese 19Bang 4 — Tinh chất co học Inox 316(diéu kiện tôi luyện) - - - +: 20Bảng 5 — Tinh chất vật lý Inox 316 trong giá trị đi n hình - 20Bang 6 - Luong dư và các thông số chuk_ hoạt động khi mai siêu tinh xác 24Bảng 7 — Thông số mài nghiÊn SE SE SE keEEkEErEererrerrrree 26Bảng 8 — Thông số của quá trình đánh bóng điện hóa 5- 5-52 27Bang 9 — Các thông số quá trình Mai siêu âm 2-6-6 x+x+x+Eeeeesesese 28Bảng 10 - Yêu cầu độ nhám bề m t trên chỉ tiết xương gối : 32Bảng 11 — Yêu cầu độ nhám bề m t trên chi tiết đĩa đệm - -:-5s¿ 37Bảng 12 — Thông số máy e t dây DIK7725 «<< Sex £Eekeveeeeeeeree 40Bang 13 — Thông số dao sử đ ng trong nguyÊn CÔNG co, SỐ

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE KHỚP GOI NHÂN TẠO

1.1 Giới thiệu về khớp gối nhân tạo1.1.1 Cấu tạo khớp gối tự nhiên v sự thoáih a khớp

Đầu gối là khớp lớn nhất và ph c tạp nhất trong co th con người Trên thânth con người, nó d gần như toàn bộ trọng lượng của cơ th

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 1

viêm.Vì phải đ khối lượng của cơth lớp s n chêm tại vị trí giữa phần đầu xươngđùi và xương chày luôn phải chịu một 1 c tác động tương đối lớn và chịu ma sátliên t c trong quá trình hoạt động h ng ngày Nên khớp gối cũng là bộ phận dễ bịton thương nhất Thoái hóa khớp gồi là s tốn thương viêm khớp và mat đi những lớps nm t khớp.

Hình 1.2 — Thoái hóa khớp và hình thành gai xươngNgày nay, với hi u biết tường tận cấu tạo giải phẫu và động | c hoc của khớpgối, cùng s phát tri n không ng ng của khoa học vật liệu, đã cho ra đời những khớpgối nhân tạo có cau trúc ch c năng phù hợp, thích ng với các hoat động của conngười Các bệnh nhân bị thoái hóa khớp có th th c hiện giải ph u thay thế khớp gốinhân tạo d thay cho phần s n chêm bị mat, phương pháp này giúp cho người bệnhgiảm duoc s đau đớn, ph c hồi khả năng vận động (di lại được)

1.1.2 Khớp gối nhân tạo to n phanKhớp gối nhân tạo là phương án giải ph u thay thế cho phần khớp gối khôngc nsud ng được nữa do phan s n mềm bị mat bởi chan thương, di tat b m sinh, lãohóa Hiện nay, việc thiết kế và chế tạo khớp gối được nghiên c u và phat tri n ởnhiều quốc gia với nhiều dạng vật liệu, phương án chuy n động khác nhau đem lạihiệu qua cho người bệnh Việc này đ ih i phải có một phải có một s hi u biết về

dong! choc, tích chất cơ học va cau trúc y sinh của xương khớp gối

Bệnh nhân bị thoái hóa khớp sẽ bị mat lớp s n tại một phan hay toàn bộ khớpgối Với bệnh nhân bị thoái hóa khớp toan bộ thì sẽ được giải phẫu thay thé bởi khớpgôi nhân tạo toàn phan.

Hình 1.3 — Khớp gối nhân tạo toàn phần và bán phầnKhớp gối có vai tr liên kết giữa phần xương đùi và phần xương căng chân bêndưới Nhờ vào lỗi cầu trong và ngoài của xương đùi kết hợp với xương diện khớp trêntrong và ngoài của xương chày tạo s linh hoạt khi hoạt động.

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 3

hy là dò

iW

NW f\Khớp bị thoái hoa Cắt phần xương Thay thế khớp

bị thoái hóa nhân tạoHình 1.4 — Quá trình thay thế khớp gối nhân tạoD hi u rõ về khớp gối cũng như giúp ích được cho thiết kế và chế tạo thì việcn mb t được quy trình phẫu thuật thay thế khớp gối là cần thiết Quy trình phẫu thuậtbao gồm 6 bước:

Bước 1:C tb phần s n và xương của lỗi cầu bị tổn thương.Bước 2: C tb phần xương diện trên của xương chảy bi ton thươngBước 3:C tb m tkhớp xương bánh ch bi ton thương

Bước 4: L p phần xương câu lỗi nhân taoBước 5: L p phần xương diện khớp nhân taoBước 6: L p phần xương bánh ch nhân tạo

Hình 1.5 - Khớp gối sau khi thay thếM c đích đầu tiên của thay khớp gối là giảm đau, đó chính là lý do mà bệnhnhân quyết định m6 Trong 60% các trường hợp được mồ hết đau hoàn toàn, 30%c n lại đau có tính chất chu k , thường thay đôi theo mùa, có th chịu được khôngcần phải dùng bấtc loại thuốc giảm đau nào Cuối cùng e n 10% trong số cáctrường hop là c n đau và phải dùng thuốc giảm đau, m c dù không có một bấtthường nào ở khớp.

Khi thay khớp gối ôn định, cho phép vận động gối tốt, các tài liệu chỉ ra việcgấp gối có th đạt trung bình tới 120°, chỉ số này e n cao hơn trong thay khớpgối bán phần Giảm đau đồng thời lấy lại được vận động cho phép bệnh nhân đi lạiđược bình thường, không cần nạng, không hạn chế về khoảng cách, và có th lênxuống câu thang Như thế đã đem lại cuộc sống bình thường cho người bệnh, đôikhi đem lại cho người bệnh kha năng choi và hoạt động th thao: bơi, đi xe đạp,choi golf Nhưng việc thay khớp gối không phải vì m c đích choi th thao, việcđó c n đang chờ đợi một khớp gối mới trong tương lai

Kết quả ch c năng không đạt (10%), cóth là do sau những biến ch ng xảy ra,ho ¢ cũng có trường hợp không có biến ch ng nào cả, cũng có th do đau daidăng gây hạn chế vận động Khi khớp gối gấp dưới 90° được coi như hạn chế vậnđộng.

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 5

1.2 Một số nghiên e utrongv ngo ỉ nước1.2.1 Nghiên e u trên thé giới

B i báo: Rapid Prototyping and Multi-axis NC Machining for The FemoralComponent of Knee Prosthesis

Nh m tac gi : Jeng-Nan Lee, Hung-Shyong Chen , Chih-Wen Luo and Kuan-YuChang

Noi | m việc: Khoa cơ khí trường Dai hoc Cheng Shiu kết hợp cùng bệnh việcMackey Memorial, Đài loan, Trung Quốc

Thời gian: năm 2009

Bai báo đưa ra quá trình thiết kế mô hình 3D, mô ph ng việc gia công khớp gốinhân tao và chế tao mẫu third a trên công nghệ tạo mẫu nhanh FDM

Rapidprototyping

(b) Left side sagittal view

Hình 1.6 — Công trình nghién c u của Đại hoc Cheng Siu

B ibáo: Design of a Novel Total Knee Prosthesis Using TRIZNh m tac gi : Yeh-Liang Hsu, Yung-Chieh Hung, Ju-Zhong YinNoil m việc: Dai hoc Yuan Ze

Thời gian: tháng 10/2006_ Bải báo để cập việc ng d ng phương pháp TRIZ đ giải quyết bài toán sángche Các tác giả đã xây d ng quy trình thiệt ke mô hình, gia công chê tạo b ng CNCmâu khớp gôi thử nghiệm

“Ga

Problemidentification

' | Problem modeling and | q

H formulation 5ormulatio Fo eel >| Femoral' guide posth Stage 3 : $1

i ¥v +- tabrade + Large fix

¡ Solution not found : AP | M/E VE

re Solution (s) found sliding |stiding | rotation

New design Shin bone

Figure 3 The design process using TRIZ Figure 4 Function model for typical knee prosthesis

a

Figure 6 A convex meniscus shape and a “double enveloping” contact surface for femoral condyhr

y

Figure 7 The flexion-extension contact surfaces

Hình 1.7 — Cong trình nghién c u dai hoc Yuan ze

HVTH: NGUYEN VY LONG TRANG: 7

1.2.2 Nghiên c u trong nướcB ibáo: Nghiên cu thiết kế khớp gối nhân tạo ma sát trượtNh m tác gi : Duong Bảo Chiêu, Tran Quang Duy, Lé Minh Canh, D ng Dinh Nhat,Ngô Anh Dũng, Nguyễn Ð c Hùng, Trần Nguyên Duy Phuong

Nơi I m việc: Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Việt NamThời gian: 28/03/2015

Bai báo trình bay quá trình xây d ng mô hình 3D khớp gối nhân tao, phân tíchvà đánh giá các yếu tố hình học nh m th a mãn các điều kiện biên trong quá trình môph ng vận động nh m hoàn thiện mô hình đ ph cv gia công, chế tạo

Các thông số Biển dạng khớp Mô tình cơ

nhân tạo xương

*

Saralsreaare Động lực học Hoạt động

toán cho mô 5bình cơ xương thường nhật

| vời Saar van =

Phân tich phân Phin lực tại : cơ ~

Figure 2: Phận mém MIMICS

|sâu liên biên |à.- -2 2 ========- Kắtquiứng

CEO SG suất biến dang

|

Mô hình xươngtừ file CT, MRI

Figure 3: Xương lôi câu toàn phan

Hình 1.8 — Công trình nghiên c _u Đại học bách khoa Tp Hồ Chí Minh

1.3 Thực trạng s d ng khớp gối nhân tạoKhớp gối nhân tạo hiện nay được sử d ng rộng rãi trong y tế trên thế giới Việcphẫu thuật khớp gối cũng đã trở nên pho biến ở các nước phát tri n Chi phí cho việcthay khớp gôi ở các nước vân c n cao.

Quốc gia Giá th nh (USD)

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 9

1.4.M ctiéuv nội dung nghiền c uM c tiêu của dé tai là xây d ng quy trình công nghệ gia công khớp gối toàn phầnma sát trượt,c th là gia công vật mẫu với vật liệu là Inox 3165L Trong đó, cần đạtđược những m c tiêu sau:

- L achon các phương án công nghệ và xây d ng cácbước nguyên công d sanph m đạt được những điều kiện th a mãn yêu cầu dé ra(t mô hình nghiên c u trướcđó).

- Gia tăng hiệu suất trong qua trình gia công thông qua việc tối ưu hóa đườngchạy dao.

- Đề xuất dạng vật liệu nh m đánh giá tính khả thi khi của quy trình khi áp d ngsản xuất th c tiễn

Do đó, cần tiễn hành nội dung nghiên c u như sau:- =— Nghiên ec u cơ sở lý thuyết về khớp gỗis vận động khớp gối, cơ y sinh ) va

khớp gối nhân tạo(Cấu tạo, vật liệu y sinh )- D a trên các kết quat mô hình thi nghiệmt các nghiên c u trước đ giới han

phạm vi dé tai(kich thước, vật liệu, độ nhám, độ bóng )- Tim hi u các quy trình công nghệ cóth apd ngd gia công sản ph m- Tìm hi u về phan mềm Vericut ph cv tối ưu hóa quá trình chạy dao khi gia

công CNC- Tién hanh ché tao va do dac thtr nghiệm

Phạm vi nghiên c u được giới han với vật liệu Inox 316L với độ nhám đạt đượcgiữa các bề m t gia công đảm bảo th a mãn với điều kiện với mô hình thiết kế 3Dtrong phạm vi cho phép 0,04 um(m t tiếp xúc giữa xương dui và đĩa đệm)

1.5 nghiac adét i1.5.1 nghia khoa học

Đưa ra quy trình gia công với các phương án công nghệ khả thi và tăng hiệusuất gia công cho mẫu khớp gồi Qua đó tạo tiền đề đánh giá cho những ng d ng củaquy trình gia công vào việc gia công khớp gối nhân tạo

Vật liệu sử d ng là Inox 316L với các đ c tính co học gần giống với hợp kimTitan(vật liệu thường sử d ng chế tạo khớp gối) sẽ phần nao cho thấy tính khả thi khi

ng d ng quy trình gia công lên vật liệu Titan.

1.5.2 nghĩa thực tiễnDua ra các thông số gia công (tốc độ dao, lượng ăn dao) nh m th a mãn các yêucâu về độ nhám bê m t và hiệu quả quá trình gia công.

Việc chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toan phan ma sát trượt sẽ tạo tiền để ngd ng cho việc gia công bộ khớp gối ph cv trong y tế một cách rộng rãi Qua đó, tạora một sản ph m của chính quốc gia và giảm chi phí cho các bệnh nhân khi không c nnhập kh ut nước ngoài về sử d ng

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: I1

CHƯƠNG 2: COSOL THUY T

2.1 Chuy n động khớp gốiKhớp gối có 6 bac t do, cơ bản khớp gối dịch chuy n như một khớp bản lẻnhưng có th dịch chuy n trong các m t và quay với 3 bậc chuy n động tịnh tiến và3 chuy n động xoay Chuy n động bình thường bao gồm chuy n động trượt, quaygiữa xương chày và xương đùi Các chuy n động được hạn chế bởi các m t xươngchày, xương đùi cũng như các cơ và dây ch ng.

A Tinh tién lên/xuỗng

Tịnh tiễn tiên/lùi—

Tịnh tiền hai bên

mép

Xoay theo gócValgus

\7

Hình 2.1 — Chuy n động của khớp géi

Dạng hình học giữa vị trí tiếp giáp giữa xương chày và xương đùi lần đầu tiênđược báo cáo là có dạng tr n và các kích thước trong năm 1836 bởi Weber andWeber (Freeman & Pinskernova, 2005) Giả thuyết này đã được sử d ngđ nghiên

c u và đưa ra nhiều chuyền động của xương: (Elias et al., 1990), (Hollister et al.,1993), (Freeman, 2001), (Williams & Logan, 2004) và c n phổ biến đến ngày hômnay Freeman (2001) dé xuất r ng các v ng chuy n động của xương được chia lam3 đoạn Các dạng ăn khớp khau nhau cũng như hình dạng thay đối ở m i đoạn.

Kha năng dịch chuy n của xương dao động t 20° đến 120° Phần này được biếtđến như là bề m t uốn (FFC) Vị trí khoảng 20° được biết đến như s mở rộng của

dây ch ng (EFC) Vị tríth 3 được biết đến như là phần cung bị động và kéo dàitrong khoảng 120°

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 13

Xương cũng có những đ c đi m riêng trong việc tái cấu trúc Tái cấu trúcxương là một quá trình liên t ccủas hấpth , nén của xương đ đáp ngvớis thayđối tải Wolff (1986) đã nghiên c u mối quan hệ giữa môi trường và cau trúc xương.

Giả thuyết r ng xương phát tri n bat c nơi nào cần thiết và tái hap th ở nhữngnơi không cần thiết Trong thay khớp nhân tạo như thay khớp gối các chan thươngchỉnh hình là tr c tiếp tiếp xúc với xương là làm thay đổi ng suất trong xương.Trong việc thay thế xương, phản ng của xương có th kéo dải trong nhiều năm vàcó th thất bại hay thậm chí mất xương vĩnh viễn cho việc sửa đổi Xương xungquanh vi trí cấy ghép điều chỉnh mật độ khoáng xương (BMD) và cau trúc đ đápng yêu cau cơ tính mới Hazelwool (2001) đã phát tri n một mô hình cho việc tusửa cau trúc xương va mô ph ng thay đối thuộc tính vật liệu Hiệu quả của việc tusửa xương cho thấy s phân bố không đồng đều có th ảnh hưởng đến mật độ va cautrúc xương Điều nay sẽ dan đến ít ho c không có xương ở vị trí thay thé Tại xươngchày, nó là cần thiết d dam bảo duy trì hầu hết áp 1 ct phần xương chày.

Tính chất cơ học Theo chiều dọc Theo chiều ngangModule đ n hồi (Mpa) 17000 1150

Độ bên kéo (Mpa) 133 5Độ bên nén 193 13

S ccăng 3.1% 0.7

B ng2- Tính chất cơ học của xương (Reilly & Burstein,1975)

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 15

2.3 Cầu tạo khớp gối nhân tạo

D a trên cấu tạo khớp gối t nhiên và những đ c tính chuy n động Mô hìnhkhớp gối nhân tạo về co bản bao gồm các thành phan sau:

Đâu xương đùi

; e=

Sun chêm — _

P| pau xương chày

Hình 2.4 — Cấu tạo khớp gối nhân tạoĐây là các thành phan thay thé trong quá trình phẫu thuật cấy ghép khớp gốinhân tạo vào co th người.

Femoral

implant

Tibial

componentsinserted

2.4 Vật liệu l m khớp gối nhân tạo2.4.1 Vật liệu y sinh

Khi tham gia hoạt động, khớp là nơi chịu các | c nén, kéo, đ y, uốn ma sát Các | c này khi tac động lên khóp nhân tạo trọng một khoảng thời gian dai sẽ gay rahiện tượng phá hủy Vì thế, việc chọn vật liệu chế tạo là vô cùng quan trong, vật liệuphải đảm bảo s hài h a về độ bền, độ uốn và độ ma sát Không những thế các đ ctính về hóa tính cũng là một tiêu chí quan trong trong việc | a chọn vật liệu, nếu khôngc n thận sẽ g p phải các di ch ng hậu ph u: u nang, hoại tu Hầu hết các vật liệudùng đ chế tạo thiết bị cấy ghép là kim loại không gi và nh a tổng hop cách điện,chong thâm nước.

H p kim Co-Cr

Hợp kim Co-Cr được sử d ng trong việc cấy ghép các thiết bị có yêu cầu cao vềđộ c ng r n, độ nhám bé m t cao, chống mài m n tốt như khớp gối, đầu khớp hông,chỉ tiết nha khoa

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 17

H pkim Titan

Hợp kim Titan là loại vật liệu dược sử d ng phổ biến trong lĩnh v c cấy ghép ykhoa bởi những tích chất ưu việt của nó như: trọng lượng nh hơn các loại hợp kimkhác, độ bền cao, thích ng tốt với cơ th đồng thời c n tương thích với máy CT/MRTkhông gây can trở việc theo dõi tình trạng thiết bị cấy ghép sau khi phẫu thuật

Hợp kim Ti¿AlzV là vật liệu tiêu chu n chế tạo khớp hông, khớp gối thanh n p,ốc vít, nha khoa, thiết bị phẫu thuật

Nhựa cao phant - UHMWPE.

UHMWPE là vật liệu có hiệu suất tốt nhất trong số các sản ph mnh a chốngmai m n và trọng lượng phân tử cao hơn, hiệu suất tốt hơn chồng mài m n va khanang khang c tốt S hấp th nước lac ck thấp do vậy thuộc tính của vật liệu sẽkhông bị ảnh hưởng bởi các điều kiện m ướt UHMWPE ở dạng khối trơ và khôngđộc hại với cơ th Khả năng chống mài m n tốt tuy nhiên cũng như kim loại, nó gâyra các quá trình sinh học có hại như u nang Điều nay gây hạn chế tudi thọ của khớpthay thế

Ceramics (Thạch anh):Thường được tạo thành b ng cách nén và nung nóng hợp kim oxit (aluminumoxide va Zirconium oxide) cho đến khi c ng han loại thạch anh này chống mài m n,bền và thích ng tốt với cơ th , sử d ngd giams maim n giữa hai bể m t thiết bịcay ghép nhưng không yêu cau cao về tính đàn hồi

=> _ Trong phạm vi dé tài là chế tạo mẫu đ đánh giá quá trình gia công Tal a chọnvật liệu chế tạo là Inox 316L với các đ c tính cơ học gân giống với Titan d co đượcmột kết quả tiền dé ph cv sau nảy gia công cho vật liệu Titan

2.4.2 Vật liệu Inox 316LInox 316L là mác thép thuộc d ng Austenitic Thanh phan ch a tối thi u 7%Niken, 16% Crôm và tối đa 0.08% Cacbon Thành phần như vậy tạo cho loại thép

không gỉ này có khả năng chịu ăn m n trong phạm vi nhiệt độ rộng, không bị nhiễm

t , mêm d o, dé uôn, han.

re C% |Mn% | Si% ||P% S% ||\Cr% |Ni% |Mo% |IN%

Kháng nhiệt

Giống như inox 316 có s e đề kháng oxy hóa tốt đến 870°C va kha năng chịuđược liên t c đến 925°C Inox 316L có khả năng chống carbide kết tủa tốt hơn inox316 tiêu chu n Tuy nhiên, s c bên ở nhiệt độ cao là rất quan trong, gia tri carbon caohon là b t buộc Vid , chỉ số ống áp 1 c AS1210 giới hạn nhiệt độ hoạt động của inox316L đến 450°C và hạn chế sử d ng 316 đến giá tri carbon 0.04% ho ¢ cao hơn đốivới nhiệt độ trên 5500C Inox 316H ho c phiên ban titan ch a 316TI cóth được chỉ

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 19

định cho các ng d ng nhiệt độ cao hơn Giống như thép không gi austenitic khác„10x 316 có độ d o dai tuyệt vời khi xuống nhiệt độ của khí hóa | ng và có những

ng d ng tại nhiệt độ này.

Độ bền kéo 515 MPa min0.2% ngsuấtđ nhời |205 MPa min

Độ giãn d i 40% min

Độc ng Brincll 217 HB maxĐộc ng Rockwell 95 HB maxB ng 4— Tinh chất cơ hoc Inox 316(diéu kiện tôi luyện)Theo tiêu chu n ASTM A240M — nguồn: http://www.inoxquangminh.com/

TL trọng 8.027 kg/m?

Giá tr co giãn tuyệt đối 193 GPaHệ số giãnn trung bình

0 — 100°C 15.9 wm/m/°C0 — 315°C 16.2 wm/m/°C0 — 538°C 17.5 wm/m/°C0 — 649°C 18.6 nm/m/°C0 — 815°C 20.0 um/m/°C

Dẫn nhiệt

Tại 100°C 16.3 um/m/°CTai 500°C 21.5 um/m/°C

Nhiệt dung riêng 0-100°C 500 J/Kg.G

Điện tr suất 20°C 740 nOhm.mB ng5-— Tính chất vật ly Inox 316 trong giá trị đi n hình

2.5 Cong nghệ gia công tinh

Trong quá trình vận động của bệnh nhân thay khớp gối, các bề m t tiếp xúcgiữa đĩa đệm và xương gối liên t c tiếp xúc(trượt) lên nhau do vậy các bề m t đó đ ih ¡ có độ nhám gia công là Ra = 0,04 um Ta tiến hành | a chọn các công nghệ giacông tinh d đảm bảo dat được độ nhám đó.

M isiéu tinh xác

Mai siêu tinh chính xác là một trong những phương pháp gia công tinh siêu tinhbề m t chỉ tiết máy Mai siêu tỉnh xác được th c hiện b ng các th i đá hạt mịn(đáthường hay kim cương) được | p với kết cấu đàn hồi đ tạo áp l c xuống bề m t giacông.

Trong quá trình gia công các th ¡ đá th c hiện chuy n động dao động với tốcđộ Vạ và chuy n động tịnh tiễn đi lại dọc theo đường sinh của bề m t chỉ tiết gia côngvới tốc độ Vị Nhờ các chuy n động này và chuy n động quay của chỉ itét gia côngvới tốc dé Vc M i hạt mài vẽ lên một quỹ đạo chuy n động tương đối ph c tạp

Hình 2.7 — Chuy n động mai siêu tinh xácVới các chuy n động như vậy, bề m t gia công được phủ bởi các vết của hạtmai dưới dạng m t lưới có kích thước rất nh , có chất lượng nâng cao bề m t chỉ tiết

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 21

Khi mài siêu tinh xác áp 1 e của các th i đá xuống bề m t gia công xảy ra trong phạmvi chiều cao nhấp nhô của nguyên công trước đ lại Trong trường hợp nay độ nhámcủa bề m t giảm rất nhiều (Ra = 0,02 — 0,16 um) c n kích thước và sai số hình dánghình học hầu như không thay đổi Vì vậy mài siêu tinh xác phải được th c hiện saunguyên công tinh nào đó đ đảm bảo độ chính xác và độ nhám bẻ m t tối thi u Thôngthường trước khi mài siêu tinh xác, chi tiết được mài đ có độ nhám Ra = 0,63 — 1,25um Nếu chỉ tiết không cần nhiệt luyện thì trước khi mài siêu tinh cóth được gia côngb ng phương pháp tiện siêu tính.

Mai siêu tỉnh xác được sử d ngđ gia công tinh m ttr ,m tcôn, m t phang vàm t câu.

Khi gia công các chi tiết có chiều dài ng n (50 — 70 mm) mai siêu tỉnh xác cóth được th c hiện b ng phương pháp ăn dao ngang Theo phương pháp này các th 1đá chith c hiện chuy n động dao động.

Mai siéi tỉnh xác các m t cầu co th th c hiện b ng các đá mài hình chau, đámai này ngoài th c hiện chuy n động quay c nth c hiện chuy n động dao động ho chành tinh.

Mai siêu tinh xác được th c hiện trên máy chuyên dùng ho trên máy tiện, máymai van năng có | p đầu rung chuy n chuyên dùng Đầu rung thông d ng nhất là đầurung cơ khí mà chuy n động dao động của nó được th c hiện nhờ cơ cầu cam, cơ cấulệch tâm hay tay đ n Đầu rung có kết cau đơn giản, độ 6n định cao và cho phép thayđối tần số dao động trong phạm vi biên độ cho trước.

Mai siêu tinh xác được d c trưng ở 3 giai đoạn:- Giai đoạn 1( thời gian trung bunh , - 0,5 — 2 giây) tạo ra bé m te t mới của các

th ¡ đá mài Sau chuk gia công tiếp theo các hạt mài nhô ra kh i chất kết dínhbị mài m n và các khe hở giữa các hạt mài bị lấp đầy b ¡b n, Ở thời đi m bandau gia công khi gia công chỉ tiết tiếp theo xảy ra s tiếp xúc của bề m tc t cácth i đá với bề m t gia công có độ nhám lớn hon so với độ nhám bề m t th i đá.Vi vậy ở thời đi m này xuất hiện áp | c lớn, làm cho một số bề m t th i đá bịgãy hay phá hủy Do dom bề m t th i đá duoc t mais c lại Do diện tích tiếpxúc úc này không lớn nên màng dung dịch trơn nguội không ngăn cản quá trìnhc t Vì vậy ở đây chỉ xảy ra quá trình e t độ nhám cao nhất, do đó diện tích tiếpxúc tăng và áp | c lại giảm Với áp | c nào đó quá trình t làm s c hạt mài sẽgiảm lại, Phần lớn độ nhấp nhô bị san phang và bề m t trở nên nh n hơn Ở cuốigiai đoạn này cường độ boc tác kim loại đạt giá tric c dai.

- Ở giai doan th 2(thời gian trung bình 2 — 15 giây) xảy ra hiện tượng c t tế vi vabiến dạng d o đàn hồi của bề m t gia công Do thiếu hiện tuong t mais c, diệntích tiéo xúc th e củ đá và chỉ tiết tăng C n áp 1 c lên m i hạt mai giảm vàcường độ bóc tách giảm Ở cuối giai dan này biến dạng d o đàn hồi là yếu tôquyết định đối với độ nh n bóng bể m t gia công

- Ở giai đoạn 3, diện tích tiếp xúc giữa đá va chỉ tiết có giá trị lớn nhất va các th iđá được bơi trên màng dau, do đó quá trình e t tế vi và biến dạng d o bị ng ng.Như vậy quá trình gia công kết thúc và độ nah1m dat tric c tỉ u

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 23

T những đ trưng trên ta thấy quá trình mài siêu tỉnh xác được đ c trưng b ngs ttdần của cường độ bóc tách kim loại và quá trình gia công được kết thúc khi độ nhámbề m t đạt được theo yeu cau.

Độ nhám bém t | Lu ng dư|Số cap|G ec TU Ilệ|Độ hạtc a/ TU lệRa(um) gia công |chu k | chéo V/Va hatm i c a thờiYêu cầu | Độ thep gia công | a(°) gian gia

0.63 10-15 1 40-50 0.8-1.5 | M14,M10 1000.8 0.63 10-15 4 40-50 0.8-1.2 | M14, M7 50-60

0.32 8-10 2 60-70 1.7-2.7 | M10, M7 50-400.04 0.32 8-10 1 40-50 0.8-1.2 | M14 50-60

2 60-70 I.7-2.7 | M10 40-253 75-85 3.7-11.4 | M3 10-150.02 0.32 8-10 1 40-50 0.8-1.2 | M7 40-50

0.16 3-5 2 60+-70 |1.7-27 | M5 40-20

3 75-80 3.7-5.7 | M1 10-154 85-88 11.4- Ml 10-15

28.6

B ng6-— Lượng du và các thông số chuk hoạt động khi mài siêu tinh xác

M inghién

Mài nghiền là phương pháp gia công tỉnh đạt độ bóng và độ chính xác cao,dùng bột mài nh ho c bột mài kim cương trộn lẫn với dầu nhờn,m b, parafin vàmột số axit hữu cơ, rồi bôi lên bề m t tiếp xúc giữa d ngc nghiền và bề m t cần giacông Do có chuy n động tương đối giữa hai bề m t nên tạo thành quá trình gia côngmài nghiên.

Hình 2.9 - Mài bề m t chỉ tiết khớp gốiMai nghiền có thé gia công được m ttr trong, mttr ngoài, m t phan ho cm t định hình Mai nghiền không có khả năng sửa chữa những sai lệch tương quan vàkhông c t được lượng dư lớn, nên trước khi mài nghiền cần gia công bề m t đạt cấpchính xác 6 / 7 và độ bóng Ra = 1.25, sau khi mai nghiền thi cóth đạt được cấp chínhxác 6 và độ bóng Ra = 0.16

Quá trình động học của hạt mài khá ph c tạp, làm cho quỹ đạo chuy n độngcủa hạt mai trên bề m t gia công không | p lại các vết cũ nên tránh được rung động,nâng cao độ bóng bề m t Việc sử d ng vật liệu c t là bột mịn, số lượng hạt mài thamgia vào quá trình e t lớn nên ap! cc t và vận tốc c t không lớn

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 25

2 0.005 — 0.01| 0.03 — 0.050.04 0.2 0.2 —0.5 2 0.005 — 0.01

3 0.002 — 0.003| 0.03 — 0.052 0.005 — 0,010.02 — 0.01 0.1 —0.5 0.1 —0.3

3 0.002 — 0.0034 0.05— 0.001

B ng 7 — Thong số mài nghiền

Điện h a

Đánh bóng, t m th c điện phân là phương pháp làm nh n bề m t kim loại nhờvào tác động của d ng điện trong môi trường điện phân Điện c c và mẫu đánh bóngđược nhúng vào trong môi trường điện phân, và được cấp d ng điện một chiều có điệnáp có thé điều chỉnh được Khi cho d ng điện chạy qua điện c c và mẫu (mẫu g n ởđiện c c dương) dưới tác d ng của d ng điện trong môi trường điện phân sẽ ăn m ncác đỉnh của bề m t kim loại tạo nên bề m t phăng hơn

Vật liệu Dung d ch điện phan Thông sốHợp kim Al HNO¿ 10% 10V

1100, 2024, ;

HCIOa 10% 7VAI

Ethanol 90% 80mAỘ nước cất 70% 1.8VDong thau

H;PO+a 30% 0.12A/cm?

Hợp kim thép HCIO¿ 10% 20Vkhông gi 302 Ethanol 90% 10mAHop kim thép HC104 5% 30Vkhong gi 303 Acid axetic 95% 80mAHợp kim thep | C10, 20% 10-15Vkhong gi 304,

Acid axetic 80% 60-90mA308

Hop kim thép HC104 5% 35Vkhong gi 310 Acid axetic 95% 80mA

B ng8 — Thông số của quá trình đánh bóng điện hóa

HVTH: NGUYÊN VY LONG TRANG: 27

M ibang siêu am

Gia công b ng siêu âm là một quá trình gia công phi truyền thống, sử d ng cochê loại b vat chat của kim cương mai và sóng siêu âm Thiét bị bao gôm một hệthống tr c siêu âm, hệ thống thu thập dữ liệu và hệ thống làm mát

Thông số Đơn v Giá trTốc độ tr c chính rpm 4000

Chiêu sâu c t mm/s 0.06Gia tri rung % 40

Tan số rung KHz 20

B ng 9 - Các thông sô của quá trình Mai siêu âm

D ngc c t là khoan lõi kim cương Dau s t $122 tan trong nước được sử d nglàm chất làm mát, pha loãng với nước theo tỉ lệ 1:20