Thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối toàn phần ma sát trượt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP, HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CHẾ TẠO MÁY NGUYỄN VY LONG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP GỐI TỒN PHẦN MA SÁT TRƯỢT • Chun ngành: Kỹ thuật khí Mã số ngành: 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2016 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Nguyên Duy Phương Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn chỉnh sửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Vy Long MSHV: 13040390 Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/ 1990 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số : 60.52.01.03 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP GỐI TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan khớp gối nhân tạo - Xây dựng quy trình gia cơng mẫu khớp gối - Gia cơng chế tạo mẫu - Đo đạc phân tích - Kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHỆM VỤ: 11/01/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 17/06/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến sĩ Trần Nguyên Duy Phương TP HCM, ngày .thảng năm 2016 (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Trong q trình thực luận văn thân thiếu sót kiến thức lý thuyết kinh nghiệm thục tiễn nhờ có giúp đỡ từ thầy cô, bạn bè người thân phần khắc phục để tơi hồn thành luận hoàn chỉnh Em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Trần Nguyên Duy Phương tận tình hướng dẫn bảo giúp đỡ trình thực hiện, anh Nguyễn Tấn Khánh người hỗ trợ tham gia gia công chế tạo mẫu, bạn Dương Bảo Chiêu Nguyễn Bảo Châu giúp đỡ trình thiết kế, đánh giá mẫu mơ hình người bạn, người thân gia đình động viên, giúp sức để hoàn thiện luận văn TP HCM, ngày tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Vy Long TÓM TẮT Khớp gối nhân tạo sản phẩm y sinh hỗ trợ cho vận động bệnh nhân bị giảm hay chức khóp gối tự nhiên Sản phẩm khớp gối nhân tạo nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cải tiến giới Tuy nhiên Việt Nam phải nhập để sử dụng với giá thành tương đối cao Vì đòi hỏi phải có sản phẩm phục vụ quốc gia, nhu cầu đặt xây dựng tiền đề nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm ban đầu mẫu khớp gối nhân tạo Trong luận văn này, nội dung đề cập việc xây dựng quy trình cơng nghệ nhằm phục vụ gia cơng khớp gối tồn phần ma sát trượt dựa mơ hình 3D thu từ nghiên cứu trước Từ tiến hành gia cơng phơi chế tạo mẫu thử nghiệm với vật liệu Inox 316L Kết đạt được đem phân tích đánh giá để xác định tính khả thi việc áp dụng quy trình cơng nghệ vào việc gia cơng khớp gối nhân tạo để sử dụng y học sau Từ khóa : Khớp gối, khớp gối nhân tạo, tồn phần ma sát trượt, Inox 316L, lượng ăn dao, tốc độ cắt, tối ưu hóa TP Hồ Chí Minh tháng 6/2016 ii ABSTRACT Artifical knee joint is a medical product which used to support for kinetics of patient who losing the natural function of then own knee Many development countries have investigated, designed, manufactured and improved them However, in Viet Nam, we still have purchased those products from aboard with a high cost So the requừemet is that we have to make an own product which belongs and be served to patient in our country that will save money for US In this paper, reports about the manufacturing process which was built to make a sample based on 3D model from previous research Then we manufactured the product within stainless steel 31ỐL material Finally, sample would be analyzed and examined to determine feasibility to apply that manufacturing in real life Ho Chi Minh City, June 2016 LỜI CAM KẾT Họ tên: Nguyễn Vy Long Lớp: Cao học Kỹ Thuật Cơ Khí - K2013 - đợt Mã số học viên: 13040390 Theo định giao đề tài luận văn cao học phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa TP.HCM, thực luận văn cao học với đề tài “Thiết kế chế tạo mẫu khớp gối toàn phần ma sát trượt” hướng dẫn TS Trần Nguyên Duy Phương từ ngày 11/01/2016 đến 17/06/2016 Tôi xin cam kết luận văn tốt nghiệp cao học thực Tôi thực luận văn theo quy định phòng đào tạo sau đại học, Đại Học Bách Khoa TP.HCM theo hướng dẫn TS Trần Nguyên Duy Phương Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam kết Nếu có sai phạm q trình thực luận văn, tơi xin hồn tồn chịu hình thức xử lý phòng đào tạo sau đại học Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Học viên Nguyễn Vy Long iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii LỜI CAM KẾT iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH V DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VÈ KHỚP GỐI NHÂN TẠO 1.1 Giới thiệu khớp gối nhân tạo 1.1.1 Cấu tạo khớp gối tự nhiên sụ thối hóa khớp 1.1.2 Khớp gối nhân tạo toàn phần 1.2 Một số nghiên cứu nuớc 1.2.1 Nghiên cứu giới 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Thực trạng sử dụng khớp gối nhân tạo 1.4 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 10 1.5 Ý nghĩa đề tài 11 1.5.1 Ý nghĩa khoa học 11 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 11 CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Chuyển động khớp gối 12 2.2 Tính chất học xương 13 2.3 cấu tạo khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt 16 2.4 Vật liệu làm khớp gối nhân tạo 17 2.4.1 Vật liệu y sinh 17 2.4.2 Vật liệu Inox 316L 19 2.5 Công nghệ gia công tinh 21 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH GIA CƠNG 29 3.1 Mô hình thiết kế mẫu khớp gối nhân tạo tồn phần ma sát trượt 29 3.2 Quy trình gia công 32 3.2.1 Gia công chi tiết xương gối 32 3.2.1.1 Nguyên công .34 3.2.1.2 Nguyên công .35 3.2.2 Gia công chi tiết đĩa đệm .37 3.2.2.1 Nguyên công .39 3.2.2.2 Nguyên công .40 3.2.2.3 Nguyên công .41 3.2.2.4 Nguyên công .43 3.2.3 Gia công chi tiết xương chày 44 3.2.3.1 Nguyên công .46 3.2.3.2 Nguyên công .47 3.2.3.3 Nguyên công .48 3.2.3.4 Nguyên công .50 3.2.3.5 Nguyên công .51 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA ĐƯỜNG CHẠY DAO 53 4.1 Giới thiệu chương trình Vericut 53 4.2 ứng dụng tối ưu hóa đường chạy dao ngun cơng .54 CHƯƠNG 5: ĐO ĐẠC KẾT QUẢ 61 5.1 Dụng cụ 61 5.2 Phương Pháp đo kiểm 63 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 6.1 Kết luận 66 6.2 Kiến nghị .66 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LÝ LỊCH TRÍCH NGANG DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 - Khớp gối tự nhiên 01 Hình 1.2- Thối hóa khớp hình thành gai xương 02 Hình 1.3- Khớp gối nhân tạo toàn phần bán phần 03 Hình 1.4- Quá trình thay khớp gối nhân tạo 04 Hình 1.5- Khớp gối sau thay 05 Hình 1.6- Cơng trình nghiên cứu Đại học ChengSiu 06 Hình 1.7- Cơng trình nghiên cứu đại học Yuan ze 07 Hình 1.8- Cơng trình nghiên cứu Đại học bách khoaTp Hồ Chí Minh 08 Hình 2.1 - Chuyển động khớp gối 12 Hình 2.2 - Ba vòng cung đường cong chuyền động xương 13 Hình 2.3 - Cấu trúc xương 14 Hình 2.4 - Cấu tạo khớp gối nhân tạo .16 Hình 2.5 - Phẩu thuật thay khớp gối nhân tạo 16 Hình 2.6 - Các loại khớp gối vật liệu khác 17 Hình 2.7 - Chuyển động mài siêu tinh xác 21 Hình 2.8 - Các sơ đồ mài siêu tinh xác .22 Hình 2.9 - Mài bề mặt chi tiết khớp gối 25 Hình 3.1- Mơ hình thiết kế 3D khớp gối nhân tạo tồn phần ma sát trượt 29 Hình 3.2- Mơ phân tích mơ hình khớp gối nhân tạo 30 Hình 3.3 - Các thơng số kích thước hình học 31 Hình 3.4- Thơng số hình học chi tiết xương gối 32 Hình 3.5 - Kích thước phôi gia cônệ 33 Hình 3.6- Thơng số hình học chi tiêt đĩa đệm 37 Hình 3.7 - Kích thước phơi gia công chi tiết đĩa đệm 38 Hình 3.8 -Máy cắt dây dòng DK7725 40 Hình 3.9- Thơng số hình học chi tiết xương chày 44 Hình 3.10- Kích thước phơi gia cơng chi tiết xương chà 45 Hình 3.11 - Máy mài siêu tinh xác 53 Hình 4.1 - Các module chức Vericut 53 Hình 4.1 - Tạo kích thước phơi gia công 54 Hình 4.2 - Thiết lập thơng số hình học cho dao 55 Hình 4.3 - Thiết lập tọa độ gốc gia công phơi 56 Hình 4.4 - Cài đặt thông số gia công 56 Hình 4.5 - Đường chạy dao mô gia công Creo 2.0 57 Hình 4.6 - Mơ gia cơng chương trình Vericut 58 Hình 4.7 - Tiến trình gia cơng môp 58 Hình 4.9 - Q trình mơ gia cơng chi tiết xương gối .59 Hình5.1 -Thước kẹp 60 Hình 5.2 - Dưỡng đo 61 V NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG Lần lượt thiết lập feature gia công thuộc module milling gầm: Face milling, Volumne milling Fisnishing tương ứng cá nguyên công phay khảo mặt, phay thô phay tỉnh vớỉ lụa chọn dao tương ứng chế độ gia cơng thích hợp Ta cỏ đường chạy dao: Hình 4.5 - Đường chạy dao mơ gia cơng Creo 2.0 Trích xuẩn G-code gia công lưu thành file Xuong_goi_nguyen_cong_l.ncl HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 58 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUN DUY PHƯONG MƠ gia cơng phần mềm Vericut Hình 4.6 - Mơ gia cơng chương trình Vericut Tiến trình gia cơng Hình 4.7 - Tiến trình gia cơng mơ HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 59 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG Phay thơ % Phay bán tỉnh ì -'-■‘xfc ta ữ Phay tinh HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 60 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG Module OptiPath Khi lập trình phần mềm CAM tốc độ chạy dao thường giữ cố định Uong bước gia công Điều dẫn đến hệ Thứ suất gia công không cao Thứ hai, ảnh hường đến tuổi thọ dụng cụ cắt tải đặt lên dụng cụ cắt thay đổi liên tục trình gia công Với module OptiPath, hệ giải cách triệt để Nguyên tắc làm việc OptiPath đọc trước chương trình gia cơng, chia nhỏ phân tích vùng gia cơng để xác định lượng vật liệu cần loại bỏ từ điều chỉnh lại tốc độ chạy dao cho phù hợp : chạy dao nhanh gia cơng vật liệu ngược lại Ngồi để có tốc độ chạy dao hợp lí nhất, OptiPath vào nhiều yếu tố công nghệ khác loại vật liệu gia công, công suất máy, đặc điểm cấu tạo dụng cụ cắt, chiều sâu cắt, lượng dịch dao ngang OptiPath không thay đường chạy dao (toolpath) phần mềm CAM xây dựng Nó thêm vào mã lệnh F để điều tốc độ chạy dao cho phù hợp toàn kết lưu file để không ảnh hưởng đến file G-Codes nguyên HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 61 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG CHƯƠNG 5: ĐO ĐẠC KẾT QUẢ 5.1 Dụng cụ Thước cặp Thước Kẹp dùng để đo kích thước ngồi ,các kích thước chiều sâu Thước cặp điện tử IP67 - hãng Volgel Germany có độ sai lệch ±0,01 mm, khoảng đo 300mm +/- fl.01 Hình 5.1 - Thước kẹp Dưỡng tròn Là dụng cụ chuyên dùng để đo kiểm phần profin biên dạng cong mặt cầu lõm Hình 5.2 - Dưỡng trùn Máy CMM Máy CMM(máy đo tọa độ) thiết bị đo vạn năng, xác định thơng số hình học HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 62 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG phương pháp tọa độ thông qua kỹ thuật đầu dò chạm tiếp xúc, laser scanner khơng tiếp xúc, đầu camera CCD khơng tiếp xúc Sử dụng máy CMM để đo độ xác profin biên dạng cầu lồi lõm chi tiết khớp gối Máy CMM loại cầu (chính xác cao), Miracle-P phù hợp với phép đo đòi hỏi độ xác cao ( Kết luận: Các kích thước kiểm tra đạt yêu cầu vẽ thiết kế Sản phẩm gia công đạt yêu cầu HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 66 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Các kết đạt được: Xây dựng quy trình gia cơng cho mẫu khớp gối toàn phần ma sát trượt với vật liệu316L Tối ưu hóa đường chạy dao q trình gia cơng CNC Chế tạo mẫu khớp gối tồn phần ma sát trượt Các kết đo đạc đáp ứng điều kiện thiết kế mơ hình 3D Kết chưa đạt được: Độ nhám bề mặt yêu cầu 0,04 pm 6.2 Kiến nghị Phát triển nghiên cứu gia công mẫu khớp gối với vật liệu y sinh, cụ thể vật liệu Titan) Xây dựng quy trình gia cơng chuẩn nhằm áp dụng gia cơng hàng loạt khớp gối nhân tạo phục vụ thực tiễn Xây dựng quy trình mài đánh bóng bề mặt để đạt độ nhám 0,04 pm Tiến hành nghiên cứu loại khớp gối khác: toàn phần ma sát lăn, khớp gối bán phần HVTH: NGUYỄN VY LONG TRANG: 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] David Jacobus van den Heever: Development of patient - specific knee joint prostheses for unicompartmental knee replacement (UKR) [2] Serope Kalpakjian: Manufacturing Engineering and Technology [3] Tria, A.J., Klein, K.S., Li, R.-Z.: An Illustrated Guide to the Knee, ch.2 Churchill Livingstone, New York (1992) [4] Yoshioka, Y., Cooke, T.D.V.: Geometric Relationships of the Tibia to its Mechanical Axis In: Proceeding of the 32nd Annual ORS, New Orleans, LA, p 384 (1986) [5] GS.TS Trần Văn Địch: Phương pháp gia công tinh, Nhà xuất thống kê, Tháng 6/2006 [6] GS.TS Trần Văn Địch: sồ tay Atlast đồ gá, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, năm 2000 [7] Ninh Đức Tốn: sổ tay Dung sai lẳp ghép, Nhà xuất Giáo Dục, tái lần 3, 2009 [8] Andrew Y c Nee : Handbook of manufacturing Engineering and technology 2015, 2015 r91 http://www.kneereplacementcost.com PHỤ LỤC Bảng số liệu gia cơng TỒN PHẦN DƯỚI TT Dụng cụ Nguyên công Tiện thô mặt trụ côn Dao vạt trụ 1 Tiện tinh mặt trụ côn Phay thô mặt phẳng-lỗ côn Dao vạt trụ Dao phay ngốn 08 2 Phay tỉnh mặt phẳng-lỗ côn Dao phay ngón 08 3 Cắt dây Đệm trượt Dây cắt 00.18 F s 0.3 600 0.1 750 400 2000 460 2500 TOÀN PHẨN TRÊN TT 2 Dao phay ngốn 020 Dao cầu 010 Phay Thô cung lõm Dao phay ngốn 08 Phay Tinh cung lõm Dao cầu 010 350 1200 500 3200 400 2000 500 3200 ĐỆM TRƯỢT TT Phay Thô cung lồi Phay Tinh cung lồi Tiện thô mặt trụ côn Tiện tinh mặt trụ côn Dao vạt trụ Dao vạt trụ Gia công lỗ chất Mũi khoan 06 Phay thô cung lõm Dao phay ngốn 08 Phay tinh cung lõm Dao cầu 08 Cắt dây toàn phần Dây cắt 00.18 0.3 600 0.1 750 60 450 400 2000 500 3000 Một số hình ảnh gia cơng I □oai: l«3BH i IT II X (S3 (Fj rr> ÍHE.T b' B.J (ACT-ri 3E0 Ẻnrr - till FFrow* ga Will Hitt, 1SÍ»»VSEV> LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên Mã sơ Học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Phú Yên NGUYEN VY LONG :513040390 29/01/1990 Quá trình đào tạo - Tù’ 2008 - 2013: Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh, khoa khí, chuyên ngành thiết kế máy - Tỉr 2013 - nay: Học cao học ngành Kỹ thuật khí trường Đại học Bách Khoa TP HỒ Chí Minh Q trình cơng tác - Tỉr 2013 - 2014: Thực tập sinh tập CTy TNHH Công nghệ Sài Gòn TP Hồ Chí Minh - Từ 2015 - nay: Làm việc công ty Robert Bosch Việt Nam phòng thiết kế khí ... TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP GỐI TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan khớp gối nhân tạo - Xây dựng quy trình gia cơng mẫu khớp gối - Gia cơng chế tạo mẫu - Đo... CỨU VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG Hình 1.3 - Khớp gối nhân tạo toàn phần bán phần Khớp gối có vai trò liên kết phần xương đùi phần xương cẳng... VÀ THIẾT KỂ KHỚP GỐI NHÂN TẠO TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT GVHD: TRẦN NGUYÊN DUY PHƯONG 2.3 Cấu tạo khớp gối nhân tạo Dựa cấu tạo khớp gối tự nhiên đặc tính chuyển động Mơ hình Hình 2.4 - Cấu tạo khớp