Nghiên cứu đề xuất quy trình chế tạo cơ cấu khớp mắt cá bàn chân giả bằng vật liệu carbon composite

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Hiện nay, sản phẩm từ vật liệu Composite, đặc biệt là Composite từ sợi Carbon, đang ngày càng phổ biến trên thị trường với nhiều mẫu mã đa dạng Mỗi loại Composite được chế tạo từ chất nền và cốt khác nhau, mang lại những đặc tính riêng biệt Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc chế tạo chân giả từ vật liệu Carbon Composite, nhằm phát huy những ưu điểm nổi bật của loại vật liệu này.

1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Theo Liên Hợp Quốc, năm 2015, có khoảng 1 tỷ người khuyết tật trên thế giới, chiếm 7,3% tổng dân số 7,3 tỷ người Nếu tính cả gia đình của họ, con số này lên tới 25%, phần lớn trong số đó là người nghèo và không tiếp cận được dịch vụ cơ bản Đặc biệt, 85% người khuyết tật sống ở các nước đang phát triển, với khu vực Châu Á-Thái Bình Dương có tỷ lệ cao nhất, một trong sáu người là khuyết tật (10% tổng dân số) Nếu tính cả người cao tuổi khuyết tật, con số này sẽ còn lớn hơn Với nhu cầu sử dụng chân giả ngày càng tăng, lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sản phẩm cho người khuyết tật đang nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học.

Nghiên cứu của Hadi và Oleiwi (2015) chỉ ra rằng việc gia cố sợi Carbon có thể nâng cao đáng kể độ bền kéo của vật liệu Polymer được sử dụng trong chế tạo chân giả Kết quả này không chỉ khẳng định ưu điểm vượt trội của sợi Carbon mà còn nhấn mạnh khả năng ứng dụng quan trọng của nó trong lĩnh vực chế tạo chân giả.

Hình 1 Sự thay đổi độ bền kéo và độ giãn dài khi gia cố thêm sợi Carbon (Hadi

Walke và Pandure (2017) đã so sánh ưu và nhược điểm của sợi Carbon và sợi Thủy tinh trong việc chế tạo chân giả Nghiên cứu này cung cấp thông tin hữu ích cho việc lựa chọn vật liệu phù hợp, đáp ứng tốt nhất nhu cầu sử dụng chân giả.

Hình 2 Độ chịu nén và độ bền kéo giữa các loại vật liệu (Walke 2017)

Vật liệu Composite sợi Carbon là một loại vật liệu cao cấp với độ bền vượt trội và trọng lượng nhẹ, đang ngày càng được ứng dụng trong ngành chấn thương chỉnh hình và phục hồi chức năng, bên cạnh các lĩnh vực như hàng không và vũ trụ Các cơ sở sản xuất dụng cụ chỉnh hình tại các nước phát triển như Mỹ, Anh, Nhật, Pháp và Đức chủ yếu sử dụng vật liệu này để chế tạo các sản phẩm chỉnh hình chất lượng cao.

Hãng Cytec – Fiberite đã hợp tác với tổ chức chỉnh hình ngoại tuyến của Mỹ để sản xuất, thử nghiệm và phát triển các dụng cụ chỉnh hình cao cấp từ sợi composite carbon.

Năm 2000, chính phủ Bỉ đã hợp tác với Việt Nam trong dự án MedTech nhằm phát triển chương trình chân tay giả sử dụng vật liệu Composite Carbon.

Hình 3 Một số loại ống và bàn chân giả đang thịnh hành

1.2 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay, nghiên cứu và phát triển chân giả từ vật liệu Composite trong nước chưa được chú trọng, trong khi các vật liệu truyền thống như gỗ và nhựa tổng hợp thường được sử dụng Những vật liệu này có trọng lượng lớn, gây khó khăn cho người sử dụng.

TS Phan Văn An, đại diện Trung tâm Công nghệ Vật liệu thuộc Viện Ứng dụng công nghệ, thông báo rằng Bộ Khoa học và Công nghệ vừa trao Bằng sáng chế số 5673 cho sáng chế ống chân giả làm từ Composite Carbon, do Cục Sở hữu trí tuệ cấp.

2003, chân giả bằng nhựa composte cacbon sản xuất theo công nghệ do TS Phan Văn

Tổ chức Chỉnh hình Ngoại tuyến Hoa Kỳ (Prosthetics Outreach Foundation - POF) đã kiểm nghiệm và xác nhận chất lượng kỹ thuật của ống chân giả bằng nhựa composite cacbon do Việt Nam sản xuất Theo TS Phan Văn An, giá thành sản phẩm này rẻ hơn 9 lần so với các sản phẩm ngoại cùng loại.

Hình 4 Một bệnh nhân dùng ống chân giả bằng composite carbon

Tính cấp thiết của đề tài

Chân giả đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các sản phẩm trước đây chưa tối ưu về chi phí và hiệu suất Với công nghệ hiện đại, việc cải tiến chân giả để giảm chi phí và nâng cao tính năng trở nên cấp thiết, đòi hỏi sự chú trọng trong nghiên cứu và phát triển.

Việc lựa chọn vật liệu hiên phù hợp trên thị trường là một thách thức lớn, khi cần cân nhắc giữa hiệu suất hoạt động và chi phí sản phẩm.

Sau quá trình nghiên cứu và thử nghiệm, tác giả đã quyết định sử dụng vật liệu Composite Carbon để thực hiện đề tài nghiên cứu và chế tạo bàn chân giả bằng sợi Carbon.

Mục đích của đề tài

- Tạo ra sản phẩm nhẹ, bền, dễ dàng sử dụng cho người khyết tật

- Giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm trên thị trường

- Đưa vật liệu Composite Carbon áp dụng rộng rãi trong việc sản xuất chân giả.

Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu, chế tạo bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon

- Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng chuyển động, ứng suất, khi sử dụng bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon

- Tính toán số lớp vải Carbon cần dùng để đảm bảo sản phẩm hoạt động tốt

- Kiểm nghiệm lực, khả năng chịu tải, từ đó đưa ra sản phẩm hoàn thiện

- Bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon

- Ứng dụng Composite Carbon để sản xuất chân, tay giả

- Mô hình bàn chân giả bằng vật liệu sợi Carbon.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các phương pháp chế tạo vật liệu Composite Carbon hiện đại, bàn chân giả được thiết kế với nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống, mang lại sự cải tiến đáng kể trong hiệu suất và độ bền.

- Áp dụng các phương pháp chế tạo Composite Carbon hiện nay

- Tối ưu hóa, mô phỏng lực, ứng suất, chuyển vị… bằng phần mềm ANSYS

Hiệu quả trong giáo dục đào tạo kinh tế - xã hội

Hiện nay, nghiên cứu về thiết bị y tế trong lĩnh vực chỉnh hình còn hạn chế, với rất ít sản phẩm nội địa phục vụ bệnh nhân Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo khớp mắt cá chân giả bằng vật liệu sợi Carbon” nhằm tìm kiếm hướng đi mới trong sản xuất các sản phẩm chỉnh hình Mục tiêu là giúp người khuyết tật tiếp cận các sản phẩm chất lượng cao với mức giá hợp lý.

Nghiên cứu này hướng đến việc phát triển sản phẩm thiết thực cho người khuyết tật Việt Nam, sử dụng vật liệu mới với nhiều ưu điểm và giá thành hợp lý Mục tiêu là cung cấp cho người khuyết tật giải pháp thay thế cho các sản phẩm nhập khẩu đắt đỏ, giúp họ dễ dàng tiếp cận công nghệ và cải thiện chất lượng cuộc sống.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về Composite

Vật liệu Composite là loại vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hay nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần mang những đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt Khi tổng hợp lại, chúng tạo thành một vật liệu hoàn toàn mới, khác biệt so với các thành phần ban đầu Thuật ngữ "Composite" có nguồn gốc từ tiếng Anh, nghĩa là "hỗn hợp, tổng hợp, phức hợp" Trong nhiều tài liệu khoa học, "vật liệu mới" thường được sử dụng để chỉ vật liệu composite.

Hình 1.1 Vật liệu Composite 1.1.2 Quá trình hình thành và phát triển:

Vật liệu composite đã có mặt trong đời sống con người từ khoảng 5.000 năm trước Công nguyên, khi người cổ đại sử dụng bột đá kết hợp với đất sét để tạo ra sự dãn nở trong quá trình nung gốm.

Người Ai Cập đã sử dụng vật liệu composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, với các sản phẩm như thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông Sự phát triển của vật liệu composite trở nên đột phá vào những năm 1930 khi các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng thành công sợi thủy tinh, dùng để gia cường cho polyester không NO Giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay và tàu chiến trong Thế chiến II.

Năm 1950 đánh dấu bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu composite với sự ra đời của nhựa Epoxy và các loại sợi gia cường như Polyester, nylon Từ năm 1970 đến nay, vật liệu composite nền chất dẻo đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, dân dụng, y tế, thể thao và quân sự.

1.1.3 Ưu điểm của vật liệu Composite

Vật liệu Composite nổi bật với khả năng chế tạo linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đa dạng Đặc tính chính của vật liệu này bao gồm trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống gỉ, chịu hóa chất và thời tiết Các thành phần cốt của Composite có độ cứng và bền cơ học vượt trội, trong khi vật liệu nền đảm bảo sự liên kết hài hòa, tạo ra các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

1.1.4 Nhược điểm của vật liệu Composite

- Vật liệu Composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất

- Giá thánh nguyên liệu thô làm nên vật liệu Composite khá cao Phương pháp gia công vật liệu Composite đòi hỏi mất nhiều thời gian

- Việc phân tích mẫu vật liệu Composite và cơ, lý, hóa tính rất phức tạp

1.1.5 Phân loại vật liệu Composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần:

1.1.5.1 Phân loại theo hình dạng:

Vật liệu Composite độn dạng sợi là loại vật liệu có sợi làm tăng cường, với tính cơ lý hóa vượt trội hơn so với độn dạng hạt, mặc dù chi phí cao hơn Sợi có chiều dài lớn hơn nhiều so với đường kính, và tỉ lệ độ dài/đường kính (l/d) được gọi là tỉ số hướng, có thể thay đổi Sợi liên tục thường có tỉ số hướng dài và tạo ra hướng ưu tiên, trong khi sợi gián đoạn có tỉ số hướng ngắn hơn và thường có hướng ngẫu nhiên.

Hình 1.2 Composite sợi liên tục và sợi gián đoạn [1]

Cốt sợi có thể được chia thành hai loại chính: sợi tự nhiên như sợi đay, sợi gai, xơ dừa, xơ tre, bông và sợi nhân tạo như sợi thủy tinh, sợi vải, sợi carbon Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, sợi có thể được chế tạo thành nhiều dạng khác nhau như sợi ngắn, sợi dài, sợi rối và tấm sợi.

Hình 1.3 Một số loại Composite cốt sợi [1]

Việc bổ sung các loại cốt sợi vào hỗn hợp giúp nâng cao độ bền cơ học và hóa học của vật liệu, bao gồm khả năng chịu va đập, độ giãn nở cao, cách âm tốt, tính chịu ma sát và mài mòn, cùng với độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chống chịu trong môi trường ăn mòn như muối, kiềm và axít, chứng minh sự ưu việt của hệ thống vật liệu mới so với các loại Polyme thông thường.

Vật liệu composite độn dạng hạt được tạo ra khi các tiểu phân hạt được phân tán vào chất nền, với các loại hạt phổ biến như silica, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, graphite và carbon Khác với sợi, hạt không có kích thước ưu tiên và composite cốt hạt có kích thước đồng nhất ở mọi hướng, có thể tồn tại dưới dạng cầu hoặc tấm phẳng.

Trang 21 hoặc ở bất kì các hình dạng thông thường hay không thông thường khác Composite cốt hạt có xu hướng yếu hơn và độ cứng kém hơn so với composite cốt sợi liên tục, nhưng chúng lại rẻ hơn nhiều Composite cốt hạt thường chứa chất gia cường ít (40- 50% thể tích) do đó khó gia công và dễ bị gãy Chất độn dạng hạt được sử dụng với mục đích sau:

- Giảm giá thành, tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn

Hình 1.4 Một số loại Composite cốt hạt [1]

1.1.5.2 Phân loại theo bản chất, thành phần

Composite nền hữu cơ bao gồm các loại như composite nền giấy (các tông), nền nhựa, nền nhựa đường, và nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy) Loại nền này có khả năng kết hợp với nhiều dạng cốt liệu khác nhau, bao gồm sợi hữu cơ (polyamit, kevlar), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi carbon), và sợi kim loại (Bo, nhôm) Tuy nhiên, vật liệu composite nền hữu cơ chỉ có thể chịu được nhiệt độ tối đa từ 200 đến 300 °C.

Composite nền khoáng chất bao gồm các loại như bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm và composite cacbon-cacbon Những loại nền này thường được kết hợp với cốt dạng sợi kim loại (như Bo, thép), hạt kim loại (chất gốm kim) và hạt gốm (như gốm cacbua, gốm Nitơ) Trong khi đó, composite nền kim loại bao gồm nền hợp kim titan và hợp kim nhôm, thường kết hợp với cốt liệu dạng sợi kim loại (như Bo) và sợi khoáng (như cacbon, SiC).

Composite nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600÷1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C)

1.1.6 Cấu tạo của vật liệu Composite

Chất kết dính là yếu tố quan trọng trong việc tạo ra môi trường phân tán, giúp truyền ứng suất từ ngoại lực sang các thành phần độn trong vật liệu Nó có thể được hình thành từ một chất đơn lẻ hoặc từ hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn đồng nhất, tạo nên một thể liên tục.

Chất nền có vai trò:

- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composite thống nhất

- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công vật liệu composite thành các chi tiết thiêt kế

- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường

Vật liệu nền trong cấu trúc composite không chịu tải trọng trực tiếp mà chỉ có chức năng truyền dẫn ứng suất đến vật liệu chất độn Vai trò của pha nền là trung gian, giúp phân phối tải trọng vào bên trong cho pha cốt, từ đó đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của vật liệu composite.

Sự hòa hợp giữa pha nền và pha cốt cũng là một nhân tố quan trọng trong việc thiết kế cấu trúc composite

Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polymer nền:

- Nhựa nhiệt dẻo: PE (polyethylene), PS (polystyrene), ABS (acrylonytril butadien styrene), PVC (polyvynyl clorur)… độn được trộn với nhựa, gia công trên máy ép phun ở trạng thái nóng chảy

Nhựa nhiệt rắn bao gồm PU (polyurethane), PP (polypropylene), UF, epoxy và polyester không no, được gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao Đặc biệt, epoxy và polyester không no có thể được xử lý ở điều kiện thường bằng phương pháp gia công thủ công (hand lay-up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn mang lại cơ tính vượt trội hơn so với nhựa nhiệt dẻo.

Một số loại nhựa nhiệt rắn thông thường:

Tổng quan về sợi Carbon

Sợi cacbon là vật liệu có độ bền cao, chứa ít nhất 90% nguyên tử cacbon, được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sợi nguyên liệu Trong khi đó, sợi graphite chứa trên 99% nguyên tố cacbon Các nguyên liệu sản xuất sợi cacbon bao gồm sợi polyacrylonitrile (PAN), sợi xenlulo (như viscose rayon và cotton), dầu mỏ, than đá, và một số loại sợi phenolic.

Sợi carbon (Carbon fiber – CF) được phát minh bởi Thomas Edison vào năm 1879, được coi là loại sợi tổng hợp đầu tiên và có giá trị lớn trong sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại Edison đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc cho bóng đèn, mặc dù chúng không giống như sợi carbon hiện đại, nhưng lại có khả năng chịu nhiệt đáng kể, làm cho chúng trở thành một lựa chọn tiềm năng cho các loại sợi dẫn điện.

Thomas Edison đã phát minh ra sợi carbon từ chất xenluloza như cotton và tre, khác biệt hoàn toàn so với sợi carbon hiện đại được sản xuất từ dầu mỏ Quá trình carbon hóa diễn ra qua việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường kiểm soát chặt chẽ, nhằm loại bỏ oxy, nitơ và hydro, chỉ giữ lại carbon Edison đã dành 40 giờ liên tục để thực hiện quá trình này, được gọi là “nhiệt phân”, vẫn được áp dụng đến ngày nay Kết quả là những sợi tre được carbon hóa có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao, đáp ứng yêu cầu cần thiết cho sự hoạt động của dây tóc bóng đèn.

Hình 1.6 Hình ảnh mô phỏng sợi Carbon phóng to [1]

Vào những năm 1950, khả năng kéo giãn của sợi carbon mới được phát hiện, với Rayon được công nhận là người tiên phong trong việc tạo ra sợi carbon Hiện nay, sợi carbon hiện đại chủ yếu được sản xuất từ polyacrylonitrile (PAN), nguyên liệu chiếm phần lớn trong sản xuất sợi carbon hiện tại.

1.2.3 Ưu điểm của sợi Carbon

Sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon (hơn 90%) và các nguyên tố carbon này nhẹ hơn nguyên tố kim loại

Sợi carbon nhẹ hơn thép nhưng có độ bền vượt trội, cùng với khả năng chịu kéo giãn cao và tính đàn hồi thấp Những đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm.

1.2.4 Nhược điểm của sợi Carbon

Sợi carbon có tính giòn, khả năng dẫn điện và có thể gây ăn mòn điện hóa kim loại, do đó các sản phẩm từ sợi carbon thường được phủ lớp vật liệu khác như nhựa Hiện tại, Việt Nam chưa có công ty sản xuất sợi carbon, mà chủ yếu phải nhập khẩu từ thị trường nước ngoài.

Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu để chế tạo, ta chia sợi carbon làm 3 loại chính:

Việc chuyển từ sợi PAN thành sợi cacbon qua 3 giai đoạn chính:

Trang 32 Ổn định oxy hóa: sợi PAN được kéo căng và oxy hóa đồng thời ở nhiệt độ 200

- 300°C, chuyển sợi PAN nhựa nhiệt dẻo sang dạng có cấu trúc lặp lại nhưng không còn tính chất nhựa nhiệt dẻo

Cacbon hóa là quá trình mà sau khi sợi được oxy hóa, chúng sẽ được cacbon hóa ở nhiệt độ 1000°C trong môi trường khí trơ mà không cần kéo căng Trong quá trình này, các nguyên tố không phải cacbon sẽ bị tách ra và bay hơi, tạo thành sợi cacbon, với khối lượng chỉ còn 50% so với khối lượng sợi PAN ban đầu.

Graphite hóa: sợi được xử lý nhiệt 1500 - 3000°C sẽ cải thiện trật tự, mức độ định hướng của tinh thể

 Sợi carbon Rayon: Ổn định oxy hóa xảy ra theo các bước:

- Nhiệt độ 25 - 150°C: khử vật lý nước

- Nhiệt độ 150 - 240°C: khử nước trong phân tư xenlulo

- Nhiệt độ 240 - 400°C: tách liên kết vòng thơm, cắt các liên kết eter và một số liên kết C-C theo cơ chế gốc tự do

- Carbon hóa: nhiệt độ 400 - 700°C, lượng cacbon còn lại sẽ chuyển thành lớp giống graphite

- Graphite hóa: nhiệt độ 700 - 2700°C, kéo căng tạo ra sợi có mođun cao do định hướng tốt theo chiều dọc

 Sợi carbon Pitch (từ dầu mỏ, than đá):

Kéo sợi và xe sợi là quá trình chuyển đổi pitch thành các sợi được sắp xếp thẳng hàng và định hướng Để duy trì hình dáng của sợi trong quá trình nhiệt phân, cần ổn định oxy hóa ở nhiệt độ từ 250 đến 400°C Quá trình cacbon hóa diễn ra ở nhiệt độ từ 1000 đến 1500°C.

1.2.6 Tính chất và ứng dụng của sợi Carbon

1.2.6.1 Tính chất của sợi Carbon

Sợi cacbon PAN là một khối tập hợp của sợi liên tục (sợi đơn), đường kính 5 -

Sợi carbon PAN có đường kính 7 micron và tỷ trọng từ 1.74 đến 1.95 g/cm3, bao gồm nhiều loại sợi đơn khác nhau được kết hợp thành các bó sợi như 1K, 3K, 6K, 12K và 24K Với tỷ trọng thấp và độ bền kéo cùng mô đun đàn hồi cực cao, sợi carbon PAN là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là các bó sợi dày trên 40K hoặc các loại có độ bền kéo thấp hơn.

Trang 33 phân loại theo mođun đàn hồi: mođun đàn hồi tiêu chuẩn (-240 MPa), mođun đàn hồi trung gian (300MPa) và mođun đàn hồi cao (-350MPa)

Sợi carbon PITCH được chia thành hai loại chính: sợi liên tục và sợi không liên tục, tương ứng với hai quá trình sản xuất khác nhau Ngoài ra, sợi carbon PITCH cũng được phân loại thành đẳng hướng (graphite hóa nghiêm ngặt) và bất đẳng hướng (graphite hóa dễ dàng) Sợi carbon PITCH đẳng hướng thường là sợi không liên tục, có đường kính từ 12-18 micron, tỷ trọng 1.6 g/cm³, mođun thấp khoảng -40 GPa, cùng với độ bền và tính dẫn nhiệt thấp do sự đẳng hướng và mức độ kết tinh của các nguyên tố carbon.

1.2.6.2 Ứng dụng của sợi Carbon

Trong những thập kỷ qua, sợi carbon đã trở thành một vật liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực như thương mại, máy bay dân dụng, công nghiệp và giao thông vận tải Sợi carbon được ứng dụng hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt, chịu được nhiệt độ cao, hóa chất trơ và rung động mạnh, đóng vai trò thiết yếu trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

Hiện nay, Mỹ là thị trường lớn nhất thế giới, chiếm 60% tổng sản lượng sợi carbon, trong khi Nhật Bản sản xuất 50% tổng sản lượng toàn cầu Nhà máy sản xuất sợi carbon lớn nhất thế giới, Toray Industries, tọa lạc tại Nhật Bản, nơi hầu hết lượng sợi carbon chưa thành phẩm (sợi đơn) được sản xuất.

Theo Công ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), chuyên sản xuất sợi carbon, hiện nay có tới 5.000 mặt hàng thể thao trên toàn cầu ứng dụng sợi carbon.

Trong tương lai, chắc hẳn sợi carbon vẫn là một loại vật liệu nhẹ đáng tin cậy cho rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới.

Đường cong tham số Bezier

Đường cong Bezier, một trong những đường cong cơ bản nhất trong đồ họa máy tính và xử lý hình ảnh, thường được sử dụng để tạo ra các hình dạng như con đường và dòng sông Được giới thiệu lần đầu vào năm 1962 bởi kỹ sư người Pháp Pierre Bézier, đường cong này đã trở thành một công cụ quan trọng trong thiết kế đồ họa.

Đường cong Bezier được xác định bởi một tập hợp các điểm kiểm soát từ P0 đến Pn, trong đó n thể hiện cấp bậc của đường cong Khi n = 1, đường cong là tuyến tính, tạo thành các đoạn thẳng nối tiếp Nếu n = 2, đường cong sẽ được gọi là đường cong bậc 2.

Giá trị n càng cao, bậc và độ mịn của đường curve càng tăng, dẫn đến số điểm control gia tăng và độ chính xác trong việc xác định đường curve cũng được cải thiện Do đó, độ mịn của đường curve sẽ tăng lên theo giá trị n.

1.3.1 Đường cong tuyến tính (bậc 1 linenear) Đường cong Bezier tuyến tính có hai điểm control Từ hai điểm a và b, ta sẽ có một đường cong Bezier tuyến tính là một đường thẳng giữa hai điểm đó (Nguyễn Hữu Bằng, 2010) [2] Công thức tính điểm nội suy trong trường hợp này như sau: Tập hợp các điểm có dạng: x = x(t) = (1 – t) a + t.b (0 ≤ t ≤ 1) (1.1) là đường thẳng đi qua a và b

Đường cong Bezier bậc hai được xác định bởi ba điểm điều khiển P0, P1 và P2 Đường cong này là kết quả của phép nội suy tuyến tính giữa hai đường Bezier tuyến tính, một đường nối P0 và P1, và một đường nối P1 và P2 Qua đó, đường cong Bezier bậc hai cho phép tạo ra các hình dạng mượt mà và phức tạp hơn so với đường cong Bezier tuyến tính.

P2 (Nguyễn Đông Kỳ, 2012) [3] Công thức để tính đường cong Bezier bậc hai như sau:

Trong đó B (P0,P1) là điểm nội suy giữa hai điểm P0 và P1 và B (P1,P2) là điểm nội suy giữa P1 và P2, thay công thức nội suy tuyến tính (1.1) ta sẽ được công thức:

P = (1 - t).[(1 – t).P0 + t.P1] + t.[(1 – t)P1 + t.P2] (1.3) Rút gọn công thức (1.3), ta được công thức (1.4) hoàn chỉnh như sau:

Hình 1.8 Đường cong Bezier bậc 2 1.3.3 Các tính chất của đường cong Bezier

Nội suy điểm cuối – Đường cong đi qua các điểm cuối (Hình 1.8):

Các hàm Bezier Bi,n(t) tạo ra đa thức bậc n từ n + 1 điểm điều khiển, đồng thời đảm bảo rằng đường cong Bezier đi qua các điểm điều khiển đầu và cuối.

Tiếp tuyến tại các điểm cuối là một yếu tố quan trọng, trong đó các hàm cơ sở yêu cầu đường cong Bezier phải tiếp xúc với các đoạn thẳng nối giữa hai điểm, cụ thể là điểm điều khiển đầu tiên và điểm điều khiển cuối cùng.

Nếu điểm đầu và điểm cuối của đa giác điều khiển trùng nhau thì đường cong sẽ khép kín (Nguyễn Hữu Lộc, 2010) [4]

Cấu tạo bàn chân

Bàn chân và cổ chân là một cấu trúc giải phẫu phức tạp với 26 xương không đều, 30 khớp hoạt dịch, hơn 100 dây chằng và 30 cơ Sự tương tác hài hòa giữa các khớp là cần thiết để đảm bảo vận động trơn tru và hiệu quả.

Bàn chân được chia thành ba vùng chính: bàn chân sau (rearfoot) với xương sên và xương gót, bàn chân giữa (midfoot) bao gồm xương ghe, ba xương chêm và xương hộp, và bàn chân trước gồm các xương bàn ngón và xương ngón chân (Trịnh Xuân Đàn, 2007).

Các xương của bàn chân bình thường có:

 7 xương cổ chân : Xương sên, xương gót, xương ghe, xương hộp, 3 xương chêm (trong, giữa, ngoài)

 14 xương ngón chân (ngón cái có 2 xương đốt, các ngón khác có 3 xương đốt)

Hình 1.9 Phân bố của xương bàn chân [5]

Hình 1.10 Các xương của bàn chân (nhìn từ bên ngoài) [5]

Cổ chân được củng cố bởi nhiều dây chằng bên trong và bên ngoài, giúp hạn chế các chuyển động như gập mu, gập lòng, cũng như vận động ra trước, ra sau của bàn chân Ngoài ra, các dây chằng này cũng kiểm soát sự nghiêng của xương sên và các chuyển động vẹo trong, vẹo ngoài.

Sự ổn định của cổ chân phụ thuộc vào hướng dây chằng, loại lực tải và tư thế của cổ chân khi chịu tải Khớp cổ chân bên ngoài dễ bị tổn thương hơn, chiếm đến 85% trường hợp bong gân cổ chân.

Hình 1.11 Các dây chằng cổ và bàn chân [6]

Trục xoay của khớp cổ chân là một đường thẳng giữa hai mắt cá, nằm chéo so với xương chày Gập mu bàn chân tại khớp cổ chân xảy ra khi bàn chân di chuyển về phía cẳng chân, như khi nâng ngón chân và bàn chân khỏi sàn, hoặc khi cẳng chân di chuyển về phía bàn chân, ví dụ như khi hạ thấp người với bàn chân cố định trên sàn Tầm vận động của khớp cổ chân thay đổi tùy thuộc vào lực tải lên khớp.

Tầm vận động gấp mu bàn chân bị hạn chế do sự tiếp xúc giữa cổ xương sên và xương chày, cùng với bao khớp, dây chằng và các cơ gấp lòng bàn chân Trung bình, tầm vận động gấp mu đạt khoảng 20°, trong khi dáng đi bình thường chỉ cần khoảng 10° gấp lòng Khi ngồi xổm, tầm gấp mu có thể đạt hơn 40°.

Gấp lòng bàn chân được giới hạn bởi xương sên, xương chày, các dây chằng, bao khớp và các cơ gấp mu Trung bình, góc gấp lòng bàn chân đạt khoảng 50°, trong khi trong dáng đi bình thường, góc gấp này dao động từ 20° đến 25°.

Hình 1.12 Gấp lòng bàn chân (PF) và gấp mu bàn chân (DF) xảy ra quanh một trục trong- ngoài qua khớp cổ chân [6]

Chu kỳ bước chân

Chu kỳ bước thông thường bao gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn tiếp đất (stance phase) chiếm 60% thời gian, bắt đầu từ khi gót chân chạm đất cho đến khi mũi chân nhấc lên; và giai đoạn lăng (swing phase) chiếm 40% thời gian, bắt đầu từ khi nhón ngón chân cho đến khi gót chân chạm sàn Tham khảo tài liệu của Lythgo (2009) để biết thêm chi tiết.

Chu kỳ hoạt động của chân khi di chuyển được chia thành ba giai đoạn riêng biệt để thuận tiện cho việc khảo sát chuyển động ở "thì đứng" và "thì lăng".

 Tiếp xúc gót: Khi chân bắt đầu có tiếp xúc với mặt đất gót chân được tiếp xúc đầu tiên

Khi gót chân chạm đất hoàn toàn, quán tính của chu kỳ bước chân sẽ khiến toàn bộ bàn chân tiếp xúc với mặt đất.

 Tiếp xúc mũi: Là quá trình nhấc gót và đẩy cơ thể về phía trước

NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Nhu cầu thực tế và nhiệm vụ của sản phẩm

- Chân được làm từ vật liệu Composite Carbon có cấu trúc nguyên khối

- Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng thay thế khi chân bị hư hỏng

Độ cứng của chân được xác định phù hợp với một nhóm đối tượng cụ thể, trong đó tác giả lựa chọn những người có cân nặng từ 50kg đến 60kg, chiều cao từ 1m50 đến 1m60, và di chuyển với vận tốc 1m/s.

Phương án thiết kế

Hình 2.1 Mô hình chân giả bằng cơ cấu mềm [11]

 Giảm chấn khi di chuyển

 Giảm tiếng ồn phát ra khi di chuyển

 Tăng độ chính xác, giảm độ mài mòn

Có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng theo từng chu kỳ bước, giúp bệnh nhân di chuyển dễ dàng và tiết kiệm năng lượng cho cơ thể.

 Được làm nguyên khối nên gia công phức tạp

 Khối lượng của chân còn lớn, ảnh hưởng tới việc di chuyển của bệnh nhân Mẫu thiết kế 2:

Hình 2.2 Mô hình chân giả của hãng Freedom Innovations

 Có tính thẩm mỹ cao

 Khả năng di chuyển trên các địa hình phức tạp

 Khả năng tích trữ năng lượng khi di chuyển

 Được chế tạo từ từng tấm Composite sợi thủy tinh nên dễ dàng thay thế khi có bất kỳ bộ phận nào bị hư hỏng

 Do là sản phẩm nhập ngoại nên giá thành còn cao

Hình 2.3 Mô hình chân giả kết hợp bởi 3 tấm Carbon Composite

 Thiết kế từ 3 tấm Carbon Composite riêng biệt nên có khả năng thay thế khi một trong 3 tấm hư hỏng

 Vì làm từ 3 tấm Carbon Composite riêng biệt nên độ cứng của mỗi tấm có thể thay đổi để phù hợp với nhu cầu của người sử dụng

 Có tính thẩm mỹ cao

 Giữa các tấm dễ bị mất đi sự liên kết trong quá trình sử dụng

 Khó trong việc lựa chọn độ cứng của mỗi tấm để phù hợp với bệnh nhân Mẫu thiết kế số 4:

Hình 2.4 Mô hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su

 Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo

 Tấm đệm cao su giúp giảm chấn và tích trữ năng lượng khi di chuyển

 Làm từ 2 tấm carbon composite riêng biệt nên dễ dàng thay thế khi bị hư hỏng

 Giữa các tấm dễ bị mất đi sự liên kết trong quá trình sử dụng

 Tính thẩm mỹ không cao

2.2.2 Lựa chọn mẫu thiết kế

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của bốn mô hình chân giả khác nhau, cùng với việc áp dụng phương pháp chế tạo Composite Carbon, tác giả nhận thấy rằng phương án 4 là lựa chọn khả thi và dễ thực hiện hơn so với ba phương án còn lại.

Mẫu thiết kế mà tác giả lựa chọn dựa trên hình dáng của chân giả Rush Hipro từ hãng Rush Foot, được chế tạo từ vật liệu sợi thủy tinh Tác giả đã đơn giản hóa mẫu thiết kế để phù hợp với phương pháp chế tạo thủ công mà mình sử dụng.

Tấm mu bàn chân Tấm đệm cao su

Hình 2.5 Mẫu chân giả Rush Hipro của hang Rush Foot

Tác giả chọn vật liệu Composite Carbon làm trọng tâm nghiên cứu và phát triển vì đây là vật liệu nhẹ, chắc chắn, bền bỉ, không gỉ, chịu hóa chất và thời tiết, đồng thời có giá thành hợp lý.

QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU CARBON COPOSITE

Phương pháp chế tạo vật liệu composite

3.1.1 Phương pháp chế tạo thủ công

Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo sản phẩm bằng vật liệu composite là phương pháp chế tạo thủ công

 Quét phủ lớp hỗ trợ tháo khuôn lên bề mặt khuôn

 Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm (gel-coat)

 Phủ nhựa polymer trên lớp tạo bề mặt

 Rải lớp vật liệu gia cường trên nền nhựa polymer

 Dùng con lăn để lăn ép vật liệu gia cường với nhựa

 Phủ lớp tạo bề mặt trên lớp vật liệu gia cường cuối cùng

Hình 3.1 Các lớp Carbon trong phương pháp chế tạo thủ công [1]

Sau khi hoàn tất quá trình rải vật liệu gia cường và thấm nhựa, sản phẩm cần được để đông kết ở nhiệt độ môi trường, với tốc độ đông kết phụ thuộc vào loại polymer, độ dày sản phẩm, nhiệt độ môi trường và độ dẫn nhiệt của vật liệu khuôn Để tăng tốc độ đông kết và giảm thời gian tháo khuôn, các sản phẩm nhỏ được đưa vào lò sấy, trong khi sản phẩm lớn hơn có thể được sấy bằng khí nóng Phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đông kết có thể làm tăng nhiệt độ sản phẩm, và tốc độ thay đổi nhiệt cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cơ tính và chất lượng sản phẩm do hệ số giãn nở của vật liệu gia cường và nhựa polymer.

Trang 44 khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đông kết có thể làm biến dạng liên kết giữa hai loại vật liệu

Phương pháp thủ công trong sản xuất thường sử dụng vật liệu polyester không no và sợi thủy tinh, với ưu điểm là có thể sử dụng khuôn mẫu đơn giản nhờ vào quá trình chế tạo ở nhiệt độ và áp suất thấp Tuy nhiên, do sử dụng khuôn hở, chất lượng bề mặt sản phẩm thường không đồng đều Phương pháp này thường được áp dụng cho các sản phẩm có số lượng nhỏ hoặc sản phẩm đơn chiếc.

Hình 3.2 Chế tạo theo phương pháp thủ công [1]

3.1.2 Phương pháp phun hỗn hợp composite

Trong phương pháp phun hỗn hợp, vật liệu gia cường nhỏ được trộn với nhựa polymer theo tỷ lệ xác định và phun vào khuôn bằng súng phun Vật liệu gia cường được cung cấp liên tục vào một đầu cấp, trong khi nhựa polymer và chất khởi tạo phản ứng được cung cấp từ đầu cấp khác Quá trình hòa trộn diễn ra trong thiết bị hòa trộn tĩnh hoặc động Giống như phương pháp chế tạo thủ công, chất hỗ trợ tháo khuôn được phun hoặc quét lên mặt khuôn, sau đó là lớp gel-coat tạo bề mặt sản phẩm Cuối cùng, hỗn hợp nhựa polymer, chất khởi tạo phản ứng và sợi gia cường được phun ép vào khuôn.

Phương pháp phun hỗn hợp composite sử dụng vật liệu tương tự như phương pháp thủ công, trong đó sợi thủy tinh được cắt thành đoạn dài từ 10mm đến 40mm trước khi được trộn vào hỗn hợp.

Hình 3.3 Phun hỗn hợp Composite [1]

Phương pháp phun hỗn hợp composite là kỹ thuật hiệu quả trong chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp và yêu cầu cơ tính không cao Phương pháp này cho phép kiểm soát tỷ lệ nhựa polymer và vật liệu gia cường, từ đó đảm bảo tính thẩm mỹ và độ đồng đều về cơ tính của sản phẩm.

3.1.3 Phương pháp đúc chuyển nhựa

Phương pháp đúc chuyển nhựa sử dụng khuôn kín với vật liệu gia cường được đặt trước trong khuôn Đối với sản phẩm số lượng nhỏ, vật liệu gia cường được cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn dưới, sau đó nửa khuôn trên được đóng lại và nhựa polymer được điền vào dưới áp suất cao Sau khi nhựa đầy khuôn, hỗn hợp sẽ được đông kết trong thời gian xác định, và sản phẩm được tháo ra để sản xuất chi tiết tiếp theo Để tăng năng suất, có thể gia nhiệt khuôn trong quá trình đông kết Phương pháp này cũng cho phép chế tạo sản phẩm có kết cấu sandwich, với các sản phẩm nhỏ sử dụng một đường cấp nhựa polymer, trong khi sản phẩm lớn hơn cần nhiều đường cấp để đảm bảo cung cấp đủ nhựa cho từng bộ phận Đường cấp nhựa thường được đặt ở vị trí thấp nhất trong khuôn, giúp nhựa polymer điền từ dưới lên, đẩy bọt khí và vật liệu gia cường ra ngoài, ngăn ngừa rỗ khí trong sản phẩm hoàn thiện.

Hinh 3.4 Sơ đồ quá trình đúc [1]

Trong công nghệ đúc chuyển nhựa, việc đảm bảo độ nhớt của nhựa polymer trong giới hạn cho phép là rất quan trọng để có thể điền đầy nhựa vào khuôn nhanh chóng Do đó, cần duy trì nhiệt độ của nhựa và khuôn ở mức hợp lý Nếu nhiệt độ quá cao, sẽ xảy ra các phản ứng gây đông kết nhựa polymer trong quá trình điền đầy khuôn.

Công nghệ đúc chuyển nhựa được áp dụng trong sản xuất mẫu và hàng loạt sản phẩm, cho phép tạo ra các sản phẩm với hình dạng phức tạp và bề mặt chất lượng cao Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho việc chế tạo chi tiết trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không.

Hình 3.5 Một sản phẩm được làm từ phương pháp đúc chuyển nhựa [1] 3.1.4 Phương pháp đúc chân không

Phương pháp đúc chân không sử dụng sự chênh lệch áp suất giữa khuôn và thiết bị chứa nhựa polymer để điền nhựa vào khuôn Khác với phương pháp đúc truyền thống, công nghệ này hoàn toàn dựa vào lực hút chân không để đưa nhựa polymer vào khuôn, thay vì sử dụng lực ép từ thiết bị nén hoặc khí nén Nhựa polymer được chứa trong bình, và khi độ chân không trong khuôn đạt yêu cầu, van dẫn bình chứa sẽ mở ra, cho phép nhựa chảy vào khuôn qua hệ thống ống dẫn bố trí xung quanh.

Trang 47 khuôn Tốc độ điền nhựa vào khuôn phụ thuộc vào chi tiết được chế tạo, tỷ lệ vật liệu gia cường, chủng loại nhựa polymer, và phương án bố trí, thiết kế khuôn Ưu điểm của công nghệ này là chế tạo khuôn đơn giản, chi phí đầu tư không cao so với phương án đúc chuyển nhựa truyền thống, các thiết bị chính bao gồm bơm hút chân không, thiết bị chứa nhựa polymer và thiết bị hòa trộn nhựa polymer, các dụng cụ đo và hệ thống dẫn chân không Nhược điểm của phương pháp này là chỉ kiểm soát được chất lượng một bề mặt của chi tiết gia công do sử dụng khuôn một mặt, khó kiểm soát độ đồng đều của chiều dầy chi tiết cũng như tỷ lệ vật liệu gia cường và nhựa polymer

Công nghệ đúc chân không là phương pháp hiệu quả để sản xuất các chi tiết lớn với số lượng hạn chế, như kết cấu dàn khoan, xuồng, thân vỏ ô tô, toa xe tàu hỏa và kho đông lạnh Bằng cách kết hợp với phương pháp chế tạo sandwich, công nghệ này giúp tạo ra sản phẩm đạt chất lượng cao và đáp ứng yêu cầu khắt khe.

Hình 3.6 Sơ đồ công nghệ đúc chân không [1]

Bơm hút chân không có vai trò quan trọng trong việc tạo ra chân không trong khuôn, giúp hỗn hợp nhựa polymer được dẫn vào khuôn nhờ chênh lệch áp suất Túi chân không hoạt động như một nửa khuôn phía trên, đảm bảo kín khí Băng làm kín (sealant tape) hỗ trợ trong việc giữ kín thể tích bên trong khuôn Quy trình công nghệ này được thực hiện một cách chính xác để đạt hiệu quả cao nhất.

 Quét phủ lớp chống dính hỗ trợ tháo khuôn:

 Quét phủ lớp vật liệu tạo bề mặt (gel-coat);

 Đặt các lớp vật liệu gia cường vào khuôn;

 Đặt các lớp hỗ trợ dẫn nhựa polymer lên trên lớp vật liệu gia cường;

 Đặt túi chân không, sử dụng băng làm kín (sealant tape) để làm kín thể tích trong khuôn;

 Hút chân không thể tích trong khuôn;

 Mở van nhựa khi độ chân không đạt yêu cầu để điền nhựa polymer từ thiết bị chứa vào khuôn;

 Tháo khuôn sau khi vật liệu trong khuôn đông kết và định hình.

Lựa chọn phương pháp

Sản phẩm chân giả mà tác giả chế tạo sẽ dựa trên một số tiêu chí sau để lựa chọn được phương pháp tối ưu nhất:

 Thiết bị, máy móc không quá phức tạp

 Không cần tới không gian rộng để thao tác

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của bốn phương pháp chế tạo, có thể thấy rằng phương pháp chế tạo thủ công đáp ứng đầy đủ các tiêu chí mà tác giả đưa ra Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng khuôn mẫu đơn giản, nhờ vào quá trình chế tạo diễn ra ở nhiệt độ và áp suất không cao Hơn nữa, nó cũng dễ dàng thực hiện tại những nơi có không gian hạn chế.

Quy trình chế tạo Carbon Composite

Quy trình chế tạo Carbon Composite được thực hiện bằng phương pháp thủ công, nhằm tạo ra vật liệu Composite chất lượng cao Để sản xuất một tấm Carbon Composite, cần chuẩn bị một số nguyên liệu thiết yếu.

 Chất đóng rắn cho Polyester

 Khuôn ép (tác giả dùng 2 tấm kính có kích thước 20 x 20cm để làm khuôn khi chế tạo mẫu thử)

Khi đã chuẩn bị đầy đủ nguyên liệu, ta bắt đầu thực hiện theo các bước sau:

 B1: Cắt vải Carbon Fiber theo kích thước theo yêu cầu

 B2: Quét 1 lớp mỏng chất tháo khuôn lên bề mặt 2 tấm kính

 B3: Trộn keo polyester, chất đóng rắn, chất xúc tác theo tỷ lệ nhất định

 B4: Quét 1 lớp keo mỏng lên bề mặt kính

 B5: Đặt vải Carbon Fiber đã cắt lên kính

Quy trình thực hiện bao gồm việc áp dụng một lớp keo, sau đó là một lớp vải Cuối cùng, trên lớp vải, chúng ta sẽ quét thêm một lớp keo trước khi đặt tấm kính còn lại lên trên.

 B7: Đưa vào hút chân không trong vòng 45 phút

 B8: Tách khuôn, lấy sản phẩm

Hình 3.7 – 3.8 Đặt vải Carbon lên kính, quét keo và đậy tấm kính còn lại lên để cố định sản phẩm

Hình 3.9 – 3.10 Đưa sản phẩm vào màng nhựa và tiến hành hút chân không trong vòng 45 phút Một số lưu ý trong quá trình chế tạo:

Chất tháo khuôn là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất Chỉ cần quét một lớp mỏng chất tháo khuôn, không nên quét quá nhiều, vì lớp quá dày có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm và chất lượng keo.

Chất xúc tiến là một thành phần quan trọng giúp tăng tốc độ đóng rắn của keo Polyester Lượng chất xúc tiến cần sử dụng sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại keo cụ thể Thông thường, Corban được chọn làm chất xúc tiến, giúp hỗn hợp keo đóng rắn chỉ trong khoảng 5 – 10 phút.

Chất đóng rắn là thành phần thiết yếu trong quá trình phản ứng, giúp hỗn hợp keo chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn Hỗn hợp Polyester kết hợp với chất đóng rắn Corban được pha trộn theo tỷ lệ nhất định để đạt hiệu quả tối ưu.

Khi pha không đủ lượng chất đóng rắn, sản phẩm thu được sẽ không có sự liên kết giữa các lớp vải Carbon Nguyên nhân của hiện tượng này là do tỉ lệ chất đóng rắn quá ít, dẫn đến keo không thể đóng rắn hiệu quả.

Hình 3.11 Sản phẩm khi pha không đủ chất đóng rắn

Khi pha trộn với đủ lượng chất đóng rắn nhưng tách khuôn quá sớm, sản phẩm sẽ như hình 3.12, cho thấy các lớp vải Carbon đã liên kết nhưng vẫn còn mềm và dễ uốn cong.

Nguyên nhân: Do tách khuôn sớm, keo chưa kịp khô để tạo thành một khối liên kết bền vững

Hình 3.12 Sản phẩm khi tách khuôn sớm

Khi được pha trộn với lượng chất đóng rắn đủ và thời gian đóng khuôn thích hợp, sản phẩm sẽ đạt được độ liên kết cao giữa các lớp vải Carbon Như hình 3.13 cho thấy, keo đã đông cứng thành một khối vững chắc, khiến cho việc bẻ hay uốn sản phẩm trở nên rất khó khăn.

Chất đóng rắn và polyester được pha trộn theo tỉ lệ hợp lý, đồng thời có đủ thời gian để đóng rắn, giúp tạo ra sự liên kết bền vững cho sản phẩm.

Hình 3.13 Sản phẩm khi pha keo với lượng đóng rắn và thời gian phù hợp

Pha trộn keo là bước quan trọng trong quá trình chuẩn bị, yêu cầu phải khuấy đều hỗn hợp sau khi pha các chất theo tỉ lệ nhất định Việc khuấy không đủ lâu hoặc không đều tay có thể dẫn đến sự không đồng nhất trong phản ứng, trong khi khuấy quá lâu sẽ khiến hỗn hợp đóng rắn trước khi sử dụng Để đạt được kết quả tốt nhất, nên khuấy đều theo cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.

Chế tạo mẫu thử và đo đạc đặc tính vật liệu

3.4.1 Tính toán thông số vật liệu

Sau khi hoàn thiện tấm Carbon Composite, bước tiếp theo là kiểm tra các thông số vật liệu Để thực hiện kiểm tra, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp 3 điểm uốn, dựa trên các tiêu chí được quy định trong tiêu chuẩn "British Standard EN ISO 14125:1998" (BSI, 2007).

Hình 3.15 Phương pháp 3 điểm uốn

 Dụng cụ: Để tiến hành thử nghiệm, ta cần chế tạo 2 chi tiết để hỗ trợ trong quá trình gá đặt và test vật liệu

Hình 3.16 Thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn

Hình 3.17 Kích thước thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn theo tiêu chuẩn ISO

Mẫu thử được chế tạo theo phương pháp thủ công đã nêu trong chương 3 Với vật liệu là sợi Carbon và vật liệu nền là nhựa polyester

Thông số kỹ thuật của Sợi Carbon:

Thông số kỹ thuật của nhựa Polyester:

Hình 3.18 Kích thước mẫu thử dựa trên ISO 14125:1998 [14]

Quá trình thí nghiệm đo thông số của tấm vật liệu carbon composite bằng phương pháp uốn 3 điểm được thực hiện trên máy đo INSTRON 3367 tại trường Đại học Nông Lâm TPHCM Việc lắp đặt và cố định đồ gá trên máy thử nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn trong hình 3.19.

Hình 3.19 Thiết bị thí nghiệm đo bằng phương pháp uốn 3 điểm Tiến hành chạy máy và quan sát đồ thị chuyển vị

Hình 3.20 Đồ thị chuyển vị 3.4.3 Tính toán thông số:

Dựa vào ISO 14125:1998 và đồ thị chuyển vị, ta sử dụng công thức sau để tính Young Modul E:

 E là modul đàn hồi (MPa)

 ∆𝑆 là khoảng chênh lệch giữa s’’ và s’

 ∆𝐹 là khoảng chênh lệch của lực F’’ và F’ tại s’’ và s’ tương ứng

 s’’ và s’ được tính dựa trên công thức:

 L là chiều dài mẫu thử (mm)

 h là độ dày mẫu thử (mm)

 𝜀 = 0.0005 và 𝜀 = 0.0025 là 2 giá trị được cho trước

Dựa trên các số liệu thu thập, mô đun đàn hồi được tính toán là E = 16000 MPa, giá trị này sẽ được áp dụng trong thiết kế kích thước bàn chân giả cho người khuyết tật.

TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG

CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM