Thiết kế và mô phỏng gia công khớp háng nhân tạo bipolar

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ……………………… HUỲNH PHẠM BẢO NGỌC THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GIA CÔNG KHỚP HÁNG NHÂN TẠO BIPOLAR Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số ngành: 60 52 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 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 2013 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 : Huỳnh Phạm Bảo Ngọc MSHV: 11046004 Ngày, tháng, năm sinh: 21/11/1988 Nơi sinh: Trà Vinh Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số : 60 52 04 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GIA CÔNG KHỚP HÁNG NHÂN TẠO BIPOLAR II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan khớp háng nhân tạo bipolar vật liệu sử dụng làm khớp háng Thiết lập qui trình thiết kế khớp Mơ gia cơng khớp Chế tạo mẫu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……/……/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ……/… /2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tp HCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cám ơn: * Thầy Trần Nguyên Duy Phương tận tình bảo giúp đỡ tơi thực luận văn * Quý Thầy, Cô trường Đại học Bách Khoa nhiệt tình truyền thụ giảng, mở mang trí tuệ, để tơi có đủ phương pháp luận thực đề tài * Ba, mẹ hỗ trợ ủng hộ tinh thần cho * Ban Giám Hiệu trường Trung Cấp Nghề số 7, anh chị đồng nghiệp khoa Cơ Khí tạo điều kiện thuận lợi cho thực đề tài * Tập thể bạn học ủng hộ suốt thời gian nghiên cứu đến hoàn thiện luận văn TP HCM , ngày tháng năm 2013 Học viên Huỳnh Phạm Bảo Ngọc TÓM TẮT Ngày nay, gãy cổ xương đùi bệnh phổ biến người già Nó làm ngưng máu cung cấp cho đầu xương đùi dẫn tới đau dội Nếu khơng có biện pháp can thiệp bệnh nhân tử vong Biện pháp điều trị trường hợp thay khớp nhân tạo bán phần bipolar Khớp bán phần sử dụng với ổ cối tự nhiên bệnh nhân Hiện khớp bán phần bipolar nhập hồn tồn từ nước ngồi giá đắt Chính nên tơi thu thập thơng tin tham khảo thiết kế khớp háng giới để làm sở cho việc nghiên cứu quy trình thiết kế Phần mềm Mimics, Solidworks sử dụng để xây dựng nên hình dáng 3D khớp háng tồn phần Từ xác định thơng số hình học khớp háng sử dụng cho việc thiết kế Sau đó, phân tích tải trọng động tác động khớp kiểm tra phá hỏng mỏi chuôi khớp phần mềm Hyperworks Nếu chuôi khớp đạt yêu cầu độ bền mỏi thiết kế 3D khớp sử dụng cho mô gia công chế tạo mẫu thử Tp Hồ Chí Minh, 06-2013 ABSTRACT Today, femoral neck fracture is common disease in the elderly It can cut off blood supply and lead to severe joint damage Without intervention, it can be the cause of death in patient Treatment for femoral neck fractures can be successfully achieved through a bipolar hemi-arthroplasty Prostheses for hemi-arthroplasty are intended to articulate with the natural acetabulum of the patient At present, bipolar hips are imported from abroad so the cost is expensive I have considered a lot of design in the world, which is useful for my design Mimics and Solidworks softwares are used to reconstruct the 3D shape of the hip joint This shape is used to determine of the hip joint geometry The geometrical dimensions are used to develop the components of the bipolar hip I also analyze the load on the joint and check the fatigue damage of the stem by Hyperworks software If the stem satisfy requirement about fatigue strength, the bipolar hip will be used for simulation maching and the sample manufacturing steps Ho Chi Minh City, 06-2013 LỜI CAM KẾT Tôi tên: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc Học viên lớp: Cao học công nghệ chế tạo máy K2011-đợt Mã số học viên: 11046004 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 mô gia công khớp háng nhân tạo bipolar” hướng dẫn TS Trần Nguyên Duy Phương từ ngày 21/01/2013 đến 21/06/2013 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 phịng đào tạo sau đại học Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Học viên Huỳnh Phạm Bảo Ngọc MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khớp háng 1.1.2 Khớp nhân tạo bipolar 1.2 Chỉ định thay khớp bước thay khớp 1.2.1 Các định thay khớp 1.2.2 Các bước thay khớp 1.3 Lịch sử khớp háng nhân tạo CHƯƠNG II: VẬT LIỆU 11 2.1 Vật liệu chế tạo khớp 11 2.1.1 Hợp kim titan 11 2.1.2 Thép không gỉ 15 2.1.3 Hợp kim Co-Cr 16 2.1.4 Gốm 17 2.1.5 UHMWPE 21 2.1.6 Vật liệu composit 22 2.2 Vật liệu cố định khớp 24 2.2.1 Xi măng sinh học 24 2.2.2 Vật liệu phủ 26 CHƯƠNG III: QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHỚP BIPOLAR 27 3.1 Xác định liệu 3D vùng xương xốp phần mềm Mimics 27 3.2 Thiết kế khớp háng phần mềm SolidWorks 33 3.3 Kiểm tra bền cho chuôi khớp phần mềm Hyperworks 44 3.3.1 Chia lưới cho chuôi khớp 44 3.3.2 Lấy liệu lực tác động lên khớp 51 3.3.3 Kiểm tra bền cho chuôi khớp 55 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG GIA CÔNG KHỚP BIPOLAR 64 4.1 Khảo sát công nghệ chế tạo khớp háng nhân tạo 64 4.1.1 Quy trình chế tạo chi khớp 64 4.1.2 Quy trình chế tạo chỏm nhỏ chỏm lớn 66 4.1.3 Qui trình chế tạo chén nhựa UHMWPE 66 4.1.4 Các phương pháp tạo bề mặt xốp 68 4.2 Mô gia công chuôi khớp chỏm nhỏ 70 4.2.1 Mô gia công chuôi khớp làm Ti6Al4V 70 4.2.2 Mô gia công chỏm nhỏ Ti6Al4V 79 4.3 Chế tạo số chi tiết mẫu khớp bipolar 87 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 85 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu tạo khớp háng Hình 1.2: Hai loại cánh tay đòn Hình 1.3: Lực tác dụng lên khớp…………………………………………………………………….………….……….2 Hình 1.4: Trọng tâm thể Hình 1.5 : Khớp bipolar Hình 1.6: Moment uốn Hình 1.7: Thơng số hình học chi……………….……………………………………………… ……….……4 Hình 1.8: Hoại tử thiếu mạch Hình 1.9: Gãy cổ xương đùi Hình 1.10: Cắt đầu xương đùi Hình 1.11: Doa hõm khớp Hình 1.12: Đặt chuôi Hình 1.13: Lắp chỏm Hình 1.14: Lắp khớp nhân tạo hoàn tất Hình 1.15: Chén chỉnh hình Hình 1.16: Chi Judet Hình1.17 : Khớp Moore Khớp Thomson Hình1.18: Khớp McKee-Farrar Hình 1.19: Khớp Charnley Hình 1.20: Sự lệch tâm khớp Bipolar 10 Hình 1.21: Thành phần khớp háng nhân tạo tồn phần 10 Hình 2.1: Phối hợp sử dụng vật liệu khớp háng nhân tạo 11 Hình 2.2: Biểu đồ chu kì mỏi hợp kim Ti6Al4Va 12 Hình 2.3: Cấu trúc tế vi hợp kim titan 13 Hình 2.4: Biểu đồ pha hợp kim Ti-Al-V với 4% V 14 Hình 2.5: Ảnh hưởng Ni Cr lên pha Austenit thép khơng gỉ chứa 0.1% C 16 Hình 2.6: Gốm Al2O3 19 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Hình 4.31: Cán dao cắt đứt kích thước cán dao Hình 4.32: Mảnh hợp kim cắt đứt kích thước e) Mô gia công Mastercam X6  Chọn máy gia công, phôi - Gọi chi tiết vào - Từ Mache Type chọn Lathe, chọn kiểu máy MUTIL – AXIS MILL / TURN - Bấm Stock setup để vào phần cài đặt - Trong Stock bấm Properties để thiết lập phơi: OD đường kính phơi, Lengh chiều dài phôi HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 83 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Hình 4.33: Chi tiết gọi Hình 4.34: Giao diện khai báo phôi - Trong Chuck Jaws bấm Properties đê chọn thông số mâm cặp, kiểu mâm cặp: kiểu mâm cặp OD #1, chiều dài cặp phôi 20mm Hình 4.35: Giao diện khai báo mâm cặp  Gia cơng thơ trụ ngồi - Từ Toolpath chọn Rough - Chọn kiểu đường dẫn Chain, hướng ăn dao từ trái qua phải HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 84 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Hình 4.36: Chọn đường dẫn hướng ăn dao - Chọn dao T4 - Trong cửa sổ Rough parameter chọn Depth of cut 1, Cutting method One way, Rough Direction kiểu tiện - Bấm để kết thúc chọn chế độ cắt  Khoan lổ trụ mũi khoan - Từ Toolpath chọn Drill - Chọn mũi khoan theo dao T1 - Bấm tab Simple drill để chọn vị trí khoan, chiều sâu khoan  Gia công mặt côn - Từ Toolpath chọn Rough - Chọn đường dẫn mặt côn trong, hướng tiến dao từ trái qua phải Hình 4.37: Đường dẫn gia công mặt côn - Chọn kiểu gia công tiện - Chọn cán dao kiểu mảnh hợp kim T2 - Chọn kích thước cán dao HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 85 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương - Trong cửa sổ Rough parameter chọn Depth of cut - Bấm để kết thúc chọn thông số cho gia công - Tiếp tục gia công tinh mặt côn cách chọn bước Finish sử dụng dao T3 chọn Depth of cut 0.2  Gia cơng mặt cầu ngồi - Gia cơng thơ phần chỏm ngồi từ Toolpath chọn Rough - Chọn đường dẫn Hình 4.38: Đường dẫn đường chạy dao gia cơng mặt ngồi - Chọn cán dao kiểu mảnh hợp kim T4 - Đường dao bước nguyên công - Gia công tinh lại phần bước Finish Toolpath - Từ Toolpath chọn Groove - Chọn đường dẫn - Chọn kiểu dao T5 - Chọn mãnh hợp kim, kích thước cán dao  Cắt đứt - Từ Toolpath chọn plunge - Chọn đường dẫn Hình 4.39: Đường dẫn cắt đứt - Chọn dao, mảnh hợp kim T6 HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 86 Luận văn thạc sĩ - Bấm GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương kết thúc chọn thông số gia cơng Hình 4.40: Mơ gia cơng chỏm nhỏ 4.3 Chế tạo số chi tiết khớp bipolar Đối với điều kiện gia cơng ta sử dụng phay trục để gia công chuôi khớp inox 304, sử dụng phơi hình hộp chữ nhật với lần gá phôi, lần gá phôi phay mặt biên dạng Sau hình ảnh mơ gia cơng nửa bên chi Hình 4.41: Kết bước gia công phay trục Với phần chỏm nhỏ, chỏm lớn, chén nhựa dùng tiện CNC trục Hình 4.42: Mẫu chế tạo thử HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 87 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương CHƯƠNG V: KẾT LUẬN Đề tài thực nhiệm vụ luận văn đưa qui trình thiết kế khớp, mơ gia cơng khớp chế tạo mẫu khớp inox 304 Phần qui trình thiết kế viết chi tiết cho đối tượng không rành phần mềm bác sĩ người nghiên cứu làm theo tự thiết kế khớp Mơ gia công phương án đề xuất cho gia công chuôi khớp chỏm nhỏ làm Ti6Al4V Do thời gian thực luận văn không nhiều nên đề tài chưa thể mở rộng thêm nghiên cứu khác Hướng phát triển sau đề tài mô ma sát chi chỏm nhỏ để tính lượng mài mịn số lượng phần tử thất để biết ảnh hưởng đến tế bào xung quanh nào, hướng phát triển mơ phỏng, tính tốn liên kết xi măng khớp để hạn chế lỏng khớp sử dụng khớp có xi măng HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 88 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Quang, Sinh Cơ Học Khớp Háng, Hội nghị thường niên, (2004) [2] Lê Phúc, Khớp háng toàn phần – Những vấn đề bản, Trường Đại Học Y Dược TP HCM, (2000) [3] Sumit Pramanik cộng sự, Chronology of ToTal Hip Joint Replacement and Material Development, (2005) [4] Frederick F Buechel Michael J Pappas, Principles of Human Joint Replacement Design and Clinical Application, Spinger, (2011) [5] Joon B Park, Young Kom Kim, Metallic Biomaterials, CRC Press LLC, (2003) [6] W.G Billotte, Ceramic Biomaterials, CRC Press LLC, (2003) [7] Ioan D Marinescu cộng sự, Handbook of Advanced Ceramic Maching, Taylor & Francis Group, LLC, (2006) [8] Maria-Pau Ginebra cộng sự, Acrylic Bone Cements, Kluwer Academic/Plenum, (2002) [9] J.R Davis, Handbook of Material for Medical Devices, (2003) [10] R Singha Roy, Manoj Mitravà D Basu, Characterization of Mechanical Properties of Alumina Based Hip Joint Prosthese, (2005) [11] http://www.bbraun.com/cps/rde/xchg/bbraun-com/hs.xsl/hip-prosthesis_6584.html [12] Mark Allen, UHMWPE processing: techniques and problem [13] Rajesh Purohit cộng sự, An Overview Of Biomedical Application Of Composite Materials, (2012) [14] S.L1, C.S.Ranawat, Effect of directly molding acetabular cups on the clinical and hip simulator wear rates of UHMWPE HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 89 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương PHỤ LỤC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHỚP HÁNG TOÀN PHẦNI DESIGN AND MANUFACTURING OF TOTAL HIPI Nguyễn Huy Hoàn1, Trần Hoàng Phong1, Trần Tấn Tài1, Huỳnh Phạm Bảo Ngọc1,Trần Nguyên Duy Phương1, Phạm Ngọc Tuấn1, Lê Đức Tố2 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Khoa chấn thương chỉnh hình Bệnh viện STO Phương Đơng TP.HCM Tóm tắt Bài báo trình bày qui trình thiết kế chế tạo mẫu khớp háng toàn phần (KHTP) mà theo định bác sĩ, khớp dùng để thay cho bệnh nhân bị thối hóa khớp, dị dạng bẩm sinh, biến dạng khớp sau viêm, nhiễm trùng khớp, gãy cổ xương đùi… Hiện tất khớp háng toàn phần nhập từ nước ngồi, phí đắt Chính nên tác giả thu thập thông tin tham khảo thiết kế khớp háng giới để làm sở cho việc nghiên cứu quy trình thiết kế chế tạo thử mẫu khớp háng tồn phần Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Mimics, Solidworks để xây dựng nên hình dáng 3D khớp háng tồn phần, từ xác định thơng số hình học khớp háng sử dụng cho việc thiết kế Sau tác giả phân tích tải trọng động tác động khớp kiểm tra phá hỏng mỏi chuôi khớp phần mềm Anybody Hyperworks Nếu chuôi khớp đạt yêu cầu độ bền mỏi thiết kế 3D khớp sử dụng cho bước chế tạo Từ khóa: khớp háng tồn phần, khớp háng tồn phần có xi măng, khớp háng tồn phần khơng xi măng Abstract This paper presents the design and manufacturing process of a total hip This artificial hip joint is used to substitute for patients with degenerative joint disease, birth defects, deformity after inflammation, joint infection, femoral neck fracture, At present, total hips are imported from abroad so the cost is expensive The authors have considered a lot of design in the world, which is useful for our design Mimics and Solidworks software are used to reconstruct the 3D shape of the hip joint This shape is used to determine of the hip joint geometry The geometrical dimensions are used to develop the components of the total hip The authors also analyze the load on the joint and check the fatigue damage of the Hình 1.1 Cấu tạo KHTP stem by Anybody and Hyperworks software If the stem satisfy requirement about fatigue strength, the total hip will be used for the manufacturing step Keywords: total hip, cemented total hip, cementless total hip HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 85 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương ĐẶT VẤN ĐỀ: Thay khớp háng tồn phần (KHTP) (hình 1.1) kỹ thuật dùng khớp nhân tạo thay cho khớp háng bị hỏng nặng chỏm xương đùi lẫn ổ cối Từ năm 1964 khớp háng nhân tạo có độ ma sát thấp John Chanrley sáng chế dùng phổ biến toàn giới Ngày nước Âu - Mỹ, thay KHTP thủ thuật thường nhật, đứng sau thủ thuật cắt túi mật Lý đơn giản chất lượng khớp háng nhân tạo bảo đảm độ bền tới 30 năm, mang lại hạnh phúc cho hàng triệu - triệu người bệnh bị tàn phế hư khớp; cần thiết thay phận ví việc "bảo dưỡng" để cỗ máy hoạt động bình thường Ở Việt Nam, thay KHTP thực phổ biến trung tâm chấn thương - chỉnh hình Tuy nhiên Việt Nam có nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình thiết kế chế tạo mà dừng lại việc sử dụng ảnh chụp CT/MRI nhờ kinh nghiệm bác sĩ để định chọn phận khớp đặt mua từ nước ngồi phí để thay khớp cho bệnh nhân đắt, khớp đặt mua từ nước ngồi có giá từ 45 đến 100 triệu đồng Những khớp chế tạo theo mô đun nên hạn chế kích cỡ khớp thiết kế theo thể trạng người nước ngồi không phù hợp với người Việt Nam bệnh nhân cụ thể Chính đề tài trình bày nghiên cứu quy trình thiết kế KHTP sử dụng công nghệ để chế tạo khớp QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHỚP HÁNG TỒN PHẦN Quy trình bắt đầu chụp CT(chụp cắt lớp điện toán)/MRI (chụp cộng hưởng từ) khớp háng xương đùi bệnh nhân, từ xác định kích thước KHTP phù hợp với bệnh nhân Quy trình thiết kế vịng lặp bao gồm phân tích ứng suất mỏi dựa lực tác dụng vào KHTP qua hoạt động ngày người Vòng lặp kết thúc thỏa mãn yêu cầu ứng suất để KHTP không bị hư hỏng suốt trình sử dụng 2.1 Chụp CT/MRI Chụp CT/MRI để nhận hình ảnh 2D vùng khớp háng xương đùi bệnh nhân Khoảng cách lát cắt mm Vùng xương xốp Hình 2.2 Qui trình thiết kế KHTP 2.2 Xác định liệu 3D vùng xương xốp Dùng chức thresholding lựa chọn spongial bone (Adult) phần mềm Mimics (hệ thống kiểm sốt hình ảnh y khoa) xác định liệu 3D vùng xương xốp xuất file có tên VXX.STL Hình Xác định vùng xương xốp 2.3 Thiết kế KHTP Sử dụng phần mềm SolidWorks (có hỗ trợ Add-in Scanto3D) để làm cơng cụ thiết kế KHTP Q trình thiết kế gồm bước sau HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 86 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương 2.3.1 Tiền xử lý file VXX.STL Dùng lệnh Mesh Prep Wizard để xóa phần dư thừa khơng cần thiết cho thiết kế làm mịn bề mặt Chỏm 2.3.2 Xác định chỏm xương đùi Sử dụng lệnh surface wizard với lựa chọn manual để tự quét chọn phần chỏm, phần mềm nội suy hình cầu (hình 2.3) 2.3.3 Xác định thơng số KHTP Đường phẫu thuật đường từ mấu chuyển (điểm 1) đến mẫu chuyển (điểm 2) Đường cổ khớp đường từ trung điểm đoạn 1-2 đến tâm chỏm cầu (điểm 3) cắt đường trục xương đùi điểm Hình 2.3 Đường kính vị trí chỏm Các kích thước KHTP gồm có góc cổ thân: 132,8o, offset đầu chi: 45,43 mm, chiều dài cổ: 40.05mm (Hình 2.4) 2.3.4 Xác định biên dạng KHTP Dựa vào đường trục phần đường giới hạn thiết kế, xác định sơ biên dạng KHTP Dựa vào nguyên tắc kết cấu biên dạng không thay đổi đột ngột để giảm ứng suất tập trung, hình dáng khớp thuận lợi cho việc gia cơng, Kích thước KHTP cho hình (hình 2.5) Hình 2.4 Thơng số KHTP Đường giới hạn thiết kế Hình 2.5 Biên dạng KHTP HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 87 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương 2.3.5 Dựng hình 3D KHTP Chiều dài chi lấy 1/3 chiều dài xương đùi, tức 120mm Mặt phẳng chuôi nghiêng bên 1o nhỏ dần xuống thuận tiện cho việc chèn chuôi vào xương đùi Sau thiết kế xong phần chuôi khớp nhân tạo toàn phần dàng xây dựng phần chỏm, phần chảo theo kích thước tự nhiên khớp háng thật 2.4 Kiểm tra bền mỏi Dễ Hình 2.6 Thơng số chén 2.4.1 Xác định lực động KHTP chịu lực từ hoạt động người như: bộ, chạy, nhảy, Nhưng hoạt động thường xuyên người nên lấy lực tác động vào KHTP làm sở để kiểm tra bền mỏi Đi hoạt động phức tạp, kết hợp nhiều đoạn xương thể Để gán góc quay, vận tốc cho khớp để tạo thành hoạt động khó khăn nên sử dụng phần mềm AnyBody (phần mềm mô học thể sống) để mơ hình thể di chuyển theo điểm có sẵn từ file C3D File thu phịng thí nghiệm với người mẫu mặc trang phục có điểm sáng Các điểm sáng có vị trí xác định thể Mơ hình tạo điểm ví trí trùng với điểm sáng Khi điểm sáng di chuyển, mô hình di chuyển theo tạo thành chuyển động.(10) Sau sơ đồ lực xuất từ phần mềm Anybody sau mơ Hình 2.7 Mơ hình di chuyển(9) Hình 2.8 Biểu đồ lực theo phương X,Y,Z(9) 2.4.2 Chia lưới phần tử Một lưới chất lượng đảm bảo cho kết phân tích tốt Do việc chia lưới tự động bất khả thi trường hợp chi tiết phức tạp chi tiết chi khớp, cần đến cơng cụ chia lưới thủ cơng, xem mạnh phần mềm Hypermesh Ở KHTP phần chịu lực nhiều phần cổ chuôi nên chia lưới phần trước, sau phát triển phần cịn lại gồm có: thân chi, mũi chuôi HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 88 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Thân chuôi Mặt phẳng cổ chuôi a b Cổ chuôi Mặt Côn c d Hình 2.9 Chia lưới chi khớp 2.4.3 Phân tích bền mỏi Trong khoa học vật liệu, mỏi tượng phá huỷ cấu trúc lũy tiến xảy vật liệu phải chịu tải trọng tuần hoàn Giá trị ứng suất mỏi giới hạn thường nhỏ ứng suất giới hạn bền (của vật liệu) Các bước thiết lập để phân tích mỏi phần mềm Hyperworks: Import File: nhập file chia lưới Fatigue Subcase: tạo trường hợp mỏi Analysis Parameters: nhập thông số phân tích (hình 2.10) Elements and Materials: nhập thơng số vật liệu Load–Time History: nhập chu kì tải trọng (hình 2.11) Loading Sequence: gán chuỗi tải trọng Submit Analysis: chọn nơi lưu kết phân tích Post Processing: xem kết phân tích Hình 10 Thiết lập thơng số mỏi HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 89 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Hình 2.11 Chu kì ứng suất mỏi cho thành phần lực(9) Hình 2.12 Ứng suất mỏi Hình 2.13 Chuyển vị Ứng suất tối đa xuất chi tiết 199,7 MPa Nhỏ ứng suất giới hạn mỏi vật liệu 560 MPa Với giá trị ứng suất này, khớp không bị phá hủy mỏi Khớp thiết kế đạt yêu cầu độ bền mỏi, sử dụng thiết kế khớp cho bước gia cơng 3.MƠ PHỎNG VÀ GIA CƠNG KHỚP HÁNG TỒN PHẦN KHTP gồm chi tiết 3D phức tạp nên việc chế tạo khó khăn Do để hạn chế hư hỏng chi tiết q trình gia cơng cần phải mơ gia cơng trước Sau số hình ảnh mơ gia cơng KHTP phần mềm Mastercam Hình 3.1 Mơ gia cơng chi khớp Hình 3.2 Mơ gia công chỏm HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 90 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Hình 3.3 Mô gia công chén Gia công KHTP máy phay máy tiện CNC DooSan (hình 3.5) Dưới hình ảnh KHTP gia cơng (hình 3.6) Hình 3.5: Máy phay CNC Doosan Hình 3.6: Khớp háng tồn phần KẾT LUẬN: Bài báo trình bày quy trình thiết kế KHTP cho bệnh nhân cụ thể dựa file chụp CT/MRI họ Bên cạnh việc phát triển quy trình thiết kế, tác giả thực mô gia công chế tạo mẫu khớp theo điều kiện sản xuất có Việc thiết kế, chế tạo KHTP mở triển vọng cho việc thiết kế, chế tạo khớp khác khớp vai, khớp gối… Khớp thay phù hợp với bệnh nhân cụ thể giảm đáng kể chi phí cho bệnh nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO: 10 Bisla, R.S , Ranawat, C.S , and Inglis A.E (1976), Total hip replacement in patient with ankylosing spondylitis with involvement of hip, JBJ Surg Catherine Manders (2008), AnyBody Webcast Gait Hip Forces presentation Harkess Jame W, 1998, Arthroplasty in hip - Campbell’s operative orthopedics Jill Jasperson Branson, Wayne M Goldstein (2003) Primary Total Hip Arthroplast, Elsevier Joon B Park and Joseph D Bronzino (2003), Biomaterials principles and application, CRC Press LLC, New York Lê Phúc (2000), Khớp Háng Toàn Phần, vấn đề bản, trường Đại học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh Ngơ Bảo Khang (1995), Thay khớp háng cổ xương đùi nhân tạo điều trị khớp giả tiêu chỏm sau gãy cổ xương đùi, Hội nghị CTCH Việt – Mỹ lần thứ Steffen J Breusch, Henrik Malchau (2005), The Well Cemented Total Hip Arthroplasty Theory and Practice, Spinger Tugba Ozedirne (2010), Quick Guide To Running A Gait Analysis, AnyBody Technology The biomechanics standard, http://www.c3d.org HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 91 TÓM TẮT LÝ LỊCH – Họ tên: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc – Giới tính: Nữ – Ngày tháng năm sinh: 21/11/1988 – Chổ nay: 40, Nhất Chi Mai, P.13,Q Tân Bình, TP.HCM – Điện thoại: 0974.004.962 Email: bocngao@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO  Từ tháng 9/2006 đến tháng 1/2011: Học Đại học trường Đại Học Cần Thơ chuyên ngành Cơ khí chế biến  Từ tháng 2/2012 đến nay: Học Cao học trường Đại Học Bách Khoa TPHCM chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC  Từ tháng 4/2011 đến tháng 8/2011: Nhân Viên Kĩ Thuật Công ty SX-KD-DV Vũ Nam Hải  Từ tháng 6/2012 đến nay: Giáo viên trường Trung Cấp Nghề Số ... Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số : 60 52 04 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG GIA CÔNG KHỚP HÁNG NHÂN TẠO BIPOLAR II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan khớp háng nhân tạo bipolar vật liệu... tra bền cho chuôi khớp 55 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG GIA CÔNG KHỚP BIPOLAR 64 4.1 Khảo sát công nghệ chế tạo khớp háng nhân tạo 64 4.1.1 Quy trình chế tạo chuôi khớp 64... 1.1.2 Khớp nhân tạo bipolar 1.2 Chỉ định thay khớp bước thay khớp 1.2.1 Các định thay khớp 1.2.2 Các bước thay khớp 1.3 Lịch sử khớp háng nhân tạo