Thiết kế và chế tạo mẫu khớp vai nhân tạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG BẢO CHIÊU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11, NĂM 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Trần Nguyên Duy Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Lưu Thanh Tùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phạm Sơn Minh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Trần Doãn Sơn – Chủ tịch TS Tơn Thiện Phương – Thư kí PGS TS Lưu Thanh Tùng - Ủy viên PGS.TS Phạm Sơn Minh - Ủy viên PGS TS Nguyễn Hữu Lộc - Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (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 : DƯƠNG BẢO CHIÊU MSHV : 1670290 Ngày, tháng, năm sinh : 28 – 03 – 1992 Nơi sinh : Tp HCM Chuyên ngành : Kỹ thuật khí Mã số : I TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Tìm hiểu sở Cơ – Y – Sinh - Đề xuất kết cấu khớp ma sát lắn - Chế tạo mẫu khớp vai ma sát lăn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 – – 2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : – 10 – 2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến sĩ Trần Nguyên Duy Phương Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO LỜI CÁM ƠN Luận văn thạc sĩ hoàn thành tháng năm 2019 – Bộ mơn Chế tạo máy, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Trần Nguyên Duy Phương, người thầy trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tận tình suốt khoảng thời gian em thực luận văn Đồng thời em xin gửi lời cám ơn đến Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM hỗ trợ em thực luận văn thạc sĩ Trận trọng cám ơn, Tác giả Dương Bảo Chiêu GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO TÓM TÁT LUẬN VĂN Khớp vai nhân chi tiết thay cho khớp vai bị hỏng định sử dụng cho trường hợp thối hóa khớp hay viêm khớp nặng Ngày nước tiên tiến giời, việc thay khớp vai nhân tạo thủ thuật thường nhật, chất lượng khớp vai nhân tạo tốt Ở Việt Nam, việc thay khớp vai nhân tạo thực ngày phổ biến bệnh viện có chun khoa chấn thương chỉnh hình Tuy nhiên, nước ta có nghiên cứu việc thiết kế chế tạo khớp vai nhân tạo mà dừng lại việc sử dụng khớp đặt mua từ nước Trong tiểu luận này, tác giả trình bày kết việc tạo hình 3D dựa vùng xương vai bệnh nhân Đồng thời đưa đề xuất việc áp dụng ma sát lăn vào khớp vai nhân tạo chế tạo mẫu khớp vai ma sát lăn Từ khóa: Khớp vai nhân tạo, ma sát, trượt, ma sát lăn, CAD/CAM GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO ABSTRACT The shoulder joint is a replacement for a broken shoulder that is indicated for severe osteoarthritis or arthritis Today in advanced countries around the world, artificial shoulder replacement is a routine procedure, because the quality of the artificial shoulder joint is good In Vietnam, artificial shoulder replacement has been made more and more popular in hospitals with orthopedic trauma specialist However, at present, there are very few research on the design and manufacture of artificial shoulder joints, they just use the joints which purchased from abroad In this essay, the authors present the results of 3D imaging based on the patient's shoulder bone At the same time, it proposed the application of rolling friction on artificial shoulder joint and fabricated a set of rolling friction shoulder pattern Key words: Artificial shoulder, friction, sliding, rolling friction, CAD / CAM GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn luận văn thân tơi thực với hướng dẫn TS Trần Nguyên Duy Phương Nếu sai tơi xin chiu hình thức kỉ luật đạo đức khoa học Tác giả Dương Bảo Chiêu GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG Email : baochieu13@gmail.com Điện thoại : 039 808 6023 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu khớp vai nhân tạo 1.1.1 Cấu tạo khớp vai 1.1.2 Các chấn thương dẫn đến điều trị thay khớp vai 1.2 Thực trạng nước 1.3 Định nghĩa khớp vai nhân tạo 1.3.1 Phân loại khớp vai nhân tạo 1.4 Lịch sử phát triển khớp gối nhân tạo 1.4.1 Thế hệ thứ 1.4.2 Thế hệ thứ 1.4.3 Thế hệ thứ 1.4.4 Thế hệ thứ CHƯƠNG CƠ SỞ CƠ – Y – SINH 2.1 Cấu tạo xương 2.2 Vùng hoạt động khớp vai 11 2.2.1 Tính ổn dịnh 13 2.2.2 Khả chuyển động – chuyển động thứ cấp 14 2.2.3 Sự cận tính ổn định vả khả chuyển động 15 2.3 Quy trình phẫu thuật 15 2.4 Xác định tải trọng 18 2.5 Vật liệu 20 2.5.1 Thép không gỉ 20 GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO 2.5.2 Hợp kim Co – Cr 22 2.5.3 Hợp kim Titanium 23 2.5.4 Nhựa cao phân tử UHMWPE 26 CHƯƠNG Thiết kế 28 3.1 Quy trình thiết kế 28 3.2 Tái tạo hình dáng 3D xương khớp – MIMICS 28 3.2.1 Giới thiệu phần mềm 28 3.2.2 Quy trình thực 29 3.3 Xử lí liệu point cloud xây dựng biên dạng hình học xương – GEOMAGIC DESIGN X (DX) 32 3.3.1 Giới thiệu phần mềm 32 3.3.2 Quy trình thực 32 3.4 Thiết kế chi tiết khớp vai - INVENTOR 37 3.4.1 Thiết kế khớp vai thuận 37 3.4.2 Thiết kế khớp vai ma sát lăn 40 3.5 Phân tích bền – ANSYS 42 3.5.1 Khai báo vật liệu 43 3.5.2 Tính tốn tải trọng tĩnh 44 3.5.3 Tính tốn độ bền mỏi 50 CHƯƠNG CHẾ TẠO MẪU 52 4.1 Tổng quan công nghệ chế tạo 52 4.1.1 Công nghệ CNC 52 4.1.2 Công nghệ in 3D 52 4.1.3 Mài nghiền 53 4.1.4 Điện hóa 54 GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO 4.1.5 Mài siêu âm 55 4.2 Chế tạo mẫu khớp vai ma sát lăn 56 4.2.1 Gia công chuôi khớp 56 4.2.2 Gia công đĩa đệm 61 4.2.3 Gia công xương vai 69 4.3 Mô chế tạo – MasterCams 74 4.3.1 Lập trình gia cơng chi tiết chuôi khớp 74 4.3.2 Lập trình gia cơng chi tiết đĩa đệm 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN 78 5.1 Kết đạt 78 5.2 Phương hướng phát triển đề tài 78 5.3 Ý nghĩa thực tiễn luận văn 78 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 CHƯƠNG PHỤ LỤC 80 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Hình 1-1: Cấu tạo khớp vai Hình 1-2: Cấu tạo nên xương chóp vai Hình 1-3: Viêm xương khớp (thái hóa khớp) Hình 1-4: Viêm khớp dạng thấp Hình 1-5: Chi tiết thay bề mặt khớp vai Hình 1-6: Cấu tạo khớp vai nhân tạo toàn phần thuận Hình 1-7: Cấu tạo khớp vai nhân tạo tồn phần nghịch Hình 1-8: Cấu tạo khớp vai Bi-Polar Hình 1-9: Khớp vai hệ thứ GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG 40.3 36 D 14 D R21.5 R19.5 F C C 18 R3 1.5 R17.7 1.5 36 2.1 61 B 4.7 (3) 12.5 1.5 2.1 B 3.8 F R21.5 4.8 9.2 R12.5 14 F-F ( : ) A Designed by 20 Checked by Approved by Date baoch Date A 05-Dec-18 40.3 DISK ROLL 2 Edition Sheet 3/8 42.7 D D 38.7 R19.5 R21.5 36 2.1 40.3 G 18 R3 1.5 (1.3) 12.5 1.5 0.6 R3 4.7 20 0.6 9.3 C 6.4 C (3) 1.5 62 1.5 R17.7 1.5 R19.4 B 1.5 61 B 38.7 G-G ( : ) G 40.3 R12.5 20 R21.5 24.5 A Designed by Approved by Date baoch 42.7 Checked by Date A 05-Dec-18 DISK ROLL Edition Sheet 4/8 D D 42.7 38.7 R21.5 R19.5 H 9.3 R3 1.5 2.1 62 38.7 1.5 R19.4 62 B 1.5 1.5 R19.4 1.5 0.6 (1.3) 12.5 0.6 R3 20 6.4 20 2.1 9.3 C 6.4 C B H H-H ( : ) 42.7 24.5 A R21.5 Designed by Checked by Approved by Date baoch Date A 05-Dec-18 R12.5 DISK ROLL Edition Sheet 5/8 40.3 36 D 9.2 14 D R19.5 R21.5 J 18 C R3 1.5 4.7 (3) 12.5 C 1.5 R17.7 61 36 2.1 B 1.5 2.1 B 3.8 J R12.5 4.8 9.2 R21.5 14 J-J ( : ) 20 A Designed by Approved by Date baoch 40.3 Checked by Date A 05-Dec-18 DISK ROLL Edition Sheet 6/8 16 D 18 D R16 C C R38.5 35.7 18 16 R16 10 26.8 B 32 B 6.6 R38.5 A Designed by Checked by Approved by Date baoch Date A 05-Dec-18 SPHERE BONE Edition Sheet 7/8 D D C C B B A Designed by baoch Checked by Approved by Date Date A 05-Dec-18 REPLACEMENT SHOULDER Edition Sheet 8/8 12 11 10 H H B 15 43 14 5 14 A G C G C 25 B F F E E A(2:1) D D 43 33.5 25 C C R4 R4 B 0.5 39 15 14.5 R16 B H7 33.5 g6 4.8 9.2 5 9.2 4.8 C-C ( : ) B-B ( : ) ITEM QTY PART NUMBER 1 Disk-roll-1 2 Disk-roll-2 Disk-roll-3 Disk-roll-4 Designed by Checked by PARTS LIST DESCRIPTION Approved by Date MATERIAL Stainless Steel AISI Stainless Steel AISI Stainless Steel AISI Stainless Steel AISI 304 304 304 304 Date 05-Dec-18 baoch A A 12 11 10 DISK ROLL ASSEMBLY Edition Sheet 1/6 12 11 10 H H E D 16.5 15 0.02 A 21.5 3.2 3.2 10 0.03 R4 G R70 43 G 0,01 A R50 D R4 F F 93.3 0.04 20 E E D D E 15 13 0.02 43 0.03 33.5 0.03 0.02 A C C 0,01 A 3.2 3.2 10 0,02 B 39 3.2 0.0 20 0.02 R4 0,02 B 3.2 B B B 3.2 E-E ( : ) D-D ( : ) Designed by Checked by Approved by Date Date 05-Dec-18 baoch A A 12 11 10 DISK ROLL Edition Sheet 2/6 12 11 10 H H 40.3 36 0.03 0.03 G 9.2 0.02 G 3.2 0.02 3.2 14 3.2 R19.5 R21.5 F F F 0,01 A 18 0.04 0.02 R3 3.2 3.2 M i nghi n tinh 3.2 1.6 A (3) 12.5 0.02 A E 4.7 E 1.6 R17.7 0,01 A 1.6 D D 61 0.03 2.1 3.2 36 3.2 F 4.8 3.8 2.1 9.2 C C F-F ( 10 : ) R21.5 14 0.02 R12.5 B B 20 40.3 0.02 0.03 Designed by Checked by Approved by Date Date 05-Dec-18 baoch A A 12 11 10 DISK ROLL 2 Edition Sheet 3/6 12 11 10 H H 42.7 0.03 38.7 0.03 3.2 R21.5 R19.5 G G 3.2 36 2.1 0.03 40.3 0.03 F F G 9.3 20 0.02 18 0,01 A 0.6 0.6 A 0.02 E 0,01 A R17.7 62 38.7 D 3.2 3.2 3.2 3.2 1.6 R19.4 1.6 3.2 (1.3) 12.5 R3 R3 3.2 E 0.02 61 0.03 36 2.1 0.03 2.1 D G M i nghi n tinh 0.04 C 0.03 6.4 40.3 4.7 C 20 0.02 R12.5 R21.5 B B 24.5 0.02 42.7 0.03 1.6 (4x) 3.2 Designed by 12 11 10 Approved by Date Date 05-Dec-18 baoch G-G ( 10 : ) A Checked by A DISK ROLL Edition Sheet 4/6 12 11 10 H H 42.7 0.03 38.7 0.03 3.2 G 3.2 R21.5 G R19.5 H F 9.3 20 0.02 0,01 A R3 20 R3 0.02 0.6 3.2 9.3 F E E (1.3) 12.5 0.02 A 0,01 A 1.6 62 38.7 R19.4 3.2 3.2 3.2 1.6 R19.4 0.03 62 H D D M i nghi n tinh C 0.03 1.6 1.6 1.6 1.6 0.02 24.5 C B 42.7 6.4 6.4 0.04 B 2.1 2.1 R21.5 R12.5 3.2 H-H ( 10 : ) Designed by Checked by Approved by Date Date 05-Dec-18 baoch A A 12 11 10 DISK ROLL Edition Sheet 5/6 12 11 10 H H 16 0.02 8.5 G G M i nghi n tinh 18 0.02 0.04 F F R16 E E 32 0.03 32 0.03 D D 16 18 0.02 A 3.2 C C 0.03 0.02 32 24 10 3.2 6.2 B B R16 3.2 0,02 A Designed by Checked by Approved by Date Date 05-Dec-18 baoch A A 12 11 10 SPHERE BONE Edition Sheet 6/6 12 11 10 H H A 16 12 14 G R60 14 G R22.1 R25 F F 90 36.8 A E E 3.2 R4 D 5.2 D 42.8 C C B B 12 A-A ( : ) Designed by Checked by Date Approved by Date 04-Dec-18 baoch A A 12 11 10 Part1 Edition Sheet 1/2 12 11 10 H H B 9.3 24 6.6 G F 32 35.7 35.7 G F C C E E B 13.3 26.8 D D 10 R34.5 C C R38.5 R38.5 R34.5 B B C-C ( : ) Designed by Checked by Date Approved by Date 04-Dec-18 baoch A A B-B ( : ) 12 11 10 Part1 Edition Sheet 2/2 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: DƯƠNG BẢO CHIÊU Ngày, tháng, năm sinh: 28/03/1992 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 475/19 Cách Mạng Tháng Tám, P13, Q10, Tp.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - 2010 – 2016: Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Kỹ sư khí Chuyên ngàn: Kỹ thuật chế tạo - 2016 – 2020: Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Q TRÌNH CƠNG TÁC - 2016 – 2019: Cơng ty TNHH Kỹ thuật TNATech ... lăn vào khớp vai nhân tạo chế tạo mẫu khớp vai ma sát lăn Từ khóa: Khớp vai nhân tạo, ma sát, trượt, ma sát lăn, CAD/CAM GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO ABSTRACT... GVHD TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO  Khớp vai nhân tạo bán phần Khớp vai nhân tạo bán phần: Khớp vai nhân tạo bán phần công bố vào năm 1951 sử dụng để thay... DUY PHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU KHỚP VAI NHÂN TẠO TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu khớp vai nhân tạo 1.1.1 Cấu tạo khớp vai Khớp vai khớp dầu xuong cánh tay (chỏm cầu) ổ chảo xương vai Khớp cho phép