Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT CHỎM CỦA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN SURFACE ROUGHNESS MESUREMENT OF THE FEMORAL HEAD

OF TOTAL HIP IMPLANT

PGS.TS. Phạm Ngọc Tuấn1a, TS. Nguyễn Văn Tường2b 1Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

2Trường Đại học Nha Trang aphamngoctuan.vn@gmail.com, btuongnv@gmail.com

TÓM TẮT

Độ nhám bề mặt là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng bề mặt gia công của chi tiết chỏm và ảnh hưởng trực tiếp đến độ mòn của khớp háng toàn phần (KHTP). Bài báo trình bày quy trình đo độ nhám bề mặt chi tiết chỏm của KHTP chế tạo tại Việt Nam theo quy định của tiêu chuẩn ASTM F2033-12.

Từ khóa: độ nhám bề mặt, chi tiết chỏm, ASTM F2033-12 ABSTRACT

Surface roughness is an important parameter to evaluate surface treatment quality of the femoral head and directly influence on wear of total hip implant. This paper presents the process of surface roughness measurement of the femoral head of the total hip implant manufactured in Vietnam under the provisions of ASTM F2033-12.

Keywords: surface roughness, femoral head, ASTM F2033-12 1. MỞ ĐẦU

Thay KHTP là một phẫu thuật nhằm thay thế phần khớp háng bị hỏng (xương và sụn) bằng khớp nhân tạo. Ngày nay người ta thường sử dụng KHTP mô đun trong phẫu thuật thay thế khớp háng. Loại KHTP này gồm 4 chi tiết là chuôi, chỏm, lót trong và vỏ ngoài. Vỏ ngoài và lót trong tạo thành ổ cối nhân tạo trong đó vỏ ngoài được gắn cố định vào ổ cối của xương chậu, lót trong gắn cố định với vỏ ngoài. Chỏm có dạng hình cầu, mặt ngoài tiếp xúc với mặt trong của lót trong, mặt trong là lỗ côn liên kết với chuôi. Chuôi làm bằng kim loại, phần thân gắn cố định vào vùng tủy của xương đùi, đầu côn gắn liên kết với chỏm.

Trong quá trình hoạt động, các bề mặt tiếp xúc nhau của các chi tiết KHTP chịu tác động của lực ma sát. Sản phẩm mài mòn sinh ra do ma sát giữa hai mặt sẽ đi vào môi trường làm việc của khớp cũng như cơ thể người [1]. Sản phẩm này có thể gây nguy hiểm cho con người. Hạt mài mòn sinh ra từ lót trong bằng vật liệu UHMWPE có thể làm tổn thương xương chậu do hiện tượng tiêu xương [2-3].

Nâng cao tính chống mòn của các chi tiết KHTP và giảm thiểu sự sinh ra sản phẩm mài mòn tại các bề mặt ma sát của KHTP là nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế và chế tạo KHTP. Mài mòn bề mặt của chi tiết cơ khí nói chung phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có các yếu tố công nghệ như tính chất vật liệu (thành phần hóa học, cấu trúc, độ cứng,…) và tính chất hình học của bề mặt (sai lệch hình dáng, độ nhám, hư hỏng bề mặt…) [4]. Đối với chi tiết chỏm, tính chất hình học của bề mặt chỏm tiếp xúc với lót trong phải thỏa mãn các quy định trong tiêu chuẩn ASTM F2033-12.

Bài báo này trình bày quy trình đo độ nhám bề mặt chi tiết chỏm của KHTP chế tạo tại Việt Nam trong khuôn khổ đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm KHTP”. Kết quả đo nhám bề mặt chỏm được sử dụng để chứng minh công nghệ gia công chỏm đạt yêu cầu về nhám bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM F2033-12.

78

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Giới thiệu chi tiết chỏm

Trong nghiên cứu này, chỏm làm bằng hợp kim titan Ti-6Al-4V. Hình dáng và kích thước của chỏm được trình bày trên hình 1. Chỏm được gia công tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Mặt ngoài của chỏm được gia công theo quy trình như sau:

- Tiện thô, tiện bán tinh và tiện tinh trên máy tiện CNC đạt cấp chính xác IT7, Ra = 0,63 µm.

- Đánh bóng trên máy tiện vạn năng bằng 3 loại giấy nhám có độ hạt lần lượt là 600, 800 và 1000 với số vòng quay trục chính là 800 vg/ph trong thời gian 20 phút cho mỗi loại.

- Đánh bóng bằng bột kim cương có độ hạt 28000 và kích thước hạt là 0.5 µm trên máy tiện vạn năng với số vòng quay trục chính là 800 vg/ph trong thời gian 20 phút.

Hình 1. Kết cấu của chi tiết chỏm

2.2 Quy định về nhám bề mặt của chỏm và phương pháp đo Tiêu chuẩn ASTM F2033-12 quy định bề mặt cầu chịu tải của chỏm phải có giá trị sai

lệch trung bình số học của biên dạng nhám Ra không vượt quá 0,05 µm. Các vị trí đo nhám bề mặt chỏm nằm trong vùng từ đỉnh P đến mặt phẳng CC như trên hình 2 [5].

Hình 2. Vị trí đo nhám bề mặt của chỏm: a = 900, b = 600, c = 300 [5]

79

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Có thể đo nhám bề mặt chỏm bằng một số loại thiết bị khác nhau như máy đo không tiếp xúc dùng laser [6], máy đo kiểu giao thoa ánh sáng [4,7-9], máy đo kiểu tiếp xúc [10-11] và kính hiển vi lực nguyên tử [12-13]. Nghiên cứu này sử dụng máy đo kiểu tiếp xúc Surftest SV-3100S4 do hãng Mitutoyo (Nhật Bản) sản xuất. Máy này được trang bị đầu dò kim cương có bán kính 2 µm, lực đo 0,75 mN.

Ngoài vùng từ điểm cực P đến mặt phẳng CC như quy định của tiêu chuẩn ASTM F2033-12, chỏm còn được đo nhám bề mặt các vùng tạo bởi hai mặt phẳng CC và BB, BB và AA và tại vùng lân cận điểm cực P. Với số lượng vị trí đo này, cho phép đánh giá nhám bề mặt chỏm một cách toàn diện hơn so với chỉ đo nhám ở một vùng. Số lượng vị trí đo này cũng tương tự như trong nghiên cứu của Mazen [11]. Hướng đo tại đỉnh đi qua đỉnh chỏm còn tại các vùng khác đi theo hướng “kinh tuyến” của chỏm. Tại mỗi vùng thực hiện đo 3 lần, các vị trí đo tạo với nhau một góc khoảng 450.

Với phương pháp gia công lần cuối là đánh bóng bằng giấy nhám và bột kim cương, mặt ngoài của chỏm được dự đoán có nhám bề mặt 0,02 < Ra ≤ 0,10 µm. Do bề mặt cần đo nhám là mặt cầu có đường kính bé nên cần chọn chiều dài hành trình đầu dò tối thiểu. Khi dữ liệu đo được phân tích bằng cách dùng bộ lọc PC50 trên máy đo Surftest của Mitutoyo, chiều dài hành trình đầu dò bao gồm tổng các chiều dài sau: chiều dài tiếp cận (0,5 mm), khoảng chạy tới lt, chiều dài đo Lđ và khoảng chạy quá ls (hình 3). Khoảng chạy tới và chạy quá được lấy bằng ½ chiều dài chuẩn [13]. Theo tiêu chuẩn ISO 4288-1996, một số thông số đo nhám bề mặt khi dùng máy đo kiểu tiếp xúc ứng với giá trị Ra từ 0,02 đến 0,10 µm như sau [14]:

- Chiều dài chuẩn: l = 0,25 mm,

- Chiều dài đo Lđ = 5l = 1,25 mm,

Vậy, chiều dài hành trình đầu dò có thể được chọn như sau:

Lht = 0,5 + lt +Lđ + ls

= 0,5 + 1,25 + 0,25/2 + 0,25/2 = 2,0 mm

Hình 3. Chiều dài hành trình đầu dò

2.3 Làm sạch mẫu đo Mẫu đo cần được làm sạch trước khi đo nhám bề mặt. Kenny và cộng sự [9] rửa sạch và

tiệt trùng các mẫu chỏm làm bằng CoCr, ZrO2 và gốm trước khi đo nhám cũng như kiểm tra và xem xét cấu trúc vĩ mô và vi mô của bề mặt. Alan và cộng sự [10] làm sạch các mẫu chỏm CoCr và ZrO2 bằng siêu âm trong dung dịch a-xê-tôn để loại bỏ các tạp chất trước khi chụp bề mặt mẫu trên kính hiển vi điện tử quét. Trong nghiên cứu này, do chỉ cần kiểm tra nhám bề mặt bằng máy đo kiểu tiếp xúc nên mẫu đo chỉ được làm sạch bằng siêu âm với dung dịch nước cất theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn ISO 14242.

2.4 Gá mẫu đo Chỏm được lắp vào một trục côn có độ côn phù hợp với lỗ côn của chỏm. Trục côn

được gá trực tiếp trên ê-tô của bàn cân bằng 3 trục như trên hình 3. Để thực hiện đo nhám bề mặt tại các vị trí khác nhau của chỏm thì tiến hành điều chỉnh ê-tô và trục gá.

80

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 3. Gá mẫu đo trên bàn cân bằng 3 trục

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4 trình bày biên dạng nhám tại một số vùng đã đo. Tại các vùng này, biên dạng

nhám có đặc điểm tương đối giống nhau, gồm nhiều đỉnh sắc nhọn. Đây chính là đặc điểm của nhám bề mặt được gia công lần cuối bằng hạt mài.

a. Biên dạng nhám tại vùng tạo bởi hai mặt phẳng BB và AA.

b. Biên dạng nhám tại vùng tạo bởi hai mặt phẳng CC và BB.

c. Biên dạng nhám tại vùng tạo bởi đỉnh P mặt phẳng CC.

d. Biên dạng nhám tại đỉnh P.

Hình 4. Biên dạng nhám bề mặt cầu của chỏm tại một số vùng Kết quả đo nhám bề mặt của mẫu chỏm như sau:

- Tại vùng giữa hai mặt phẳng BB-AA: Ra = 0,0268 µm.

- Tại vùng giữa hai mặt phẳng CC-BB: Ra = 0,0269 µm.

- Tại vùng giữa điểm cực P và mặt phẳng CC: Ra = 0,0286 µm.

- Tại đỉnh P: Ra = 0,0320 µm.

81

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Từ kết quả đo thông số nhám Ra cho thấy các vùng trên cùng một mặt cầu của chỏm có giá trị Ra không giống nhau. Mẫu đo có đặc điểm là giá trị Ra tại đỉnh là lớn nhất so với giá trị Ra tại các vùng còn lại. Nói chung, trên toàn bề mặt cầu của chỏm, càng về gần đỉnh chỏm thì giá trị Ra càng lớn. Như vậy, có khả năng vùng lân cận mặt phẳng AA đã được đánh bóng lâu hơn so với các vùng khác trên mặt ngoài của chỏm.

Các giá trị Ra đo được tại các vùng đều không lớn hơn 0,032 µm. Vậy, có thể kết luận rằng bề mặt cầu của chỏm có giá trị độ nhám Ra thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn ASTM F2033-12. Từ đó có thể khẳng định rằng quy trình công nghệ gia công bề mặt ngoài của chỏm là phù hợp, đạt yêu cầu về nhám bề mặt.

Nói chung, hình học tô-pô ba chiều phức tạp của bề mặt cầu của chỏm không thể được phản ánh một cách đầy đủ thông qua thông số Ra. Tiêu chuẩn ASTM F2033-12 cũng khuyến cáo là ngoài thông số Ra nên sử dụng thêm một số thông số nhám khác để đánh giá chính xác hơn đặc tính nhám bề mặt của chỏm. Do đó, cần thực hiện đo thêm một số thông số nhám khác như chiều cao lớn nhất của biên dạng nhám Rmax, bước nhấp nhô trung bình của biên dạng nhám Sm, chiều dài tựa ηp và chiều dài tựa tương đối tp của biên dạng nhám.

4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Nghiên cứu này tiến hành đo nhám bề mặt chỏm để chứng minh công nghệ gia công

chỏm có đạt yêu cầu về nhám bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM F2033-12 hay không. Kết quả đo bằng máy đo kiểu tiếp xúc cho thấy bề mặt cầu của chỏm có sai lệch trung bình số học của biên dạng nhám Ra bé hơn 0,0320 µm, đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn đề ra. Xác định thêm một số thông số nhám khác ngoài thông số Ra để đánh giá một cách đầy đủ hơn độ nhám bề mặt cầu của chỏm là một trong những nghiên cứu tiếp theo cần thực hiện.

LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ đề tài mã số KC.03.24/11-15 tại Phòng thí

nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Các tác giả xin chân thành cám ơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pinchuk, L. S., Nikolaev, V. I., Tsvetkova, E. A., & Goldade, V. A. Tribology and

biophysics of artificial joints. Oxford, United Kingdom: Elsevier, 2006.

[2] Khalily, C., Tanner, M. G., Williams, V. G., & Whiteside, L. A., Effect of locking mechanism on fluid and particle flow through modular acetabular components, Journal of Arthroplasty, 1998, Vol.13 (3), p. 254-258.

[3] Akbari, A., Roy, M. E., Whiteside, L. A., & Minteer, S. D., The Influence of Locking Mechanism on Screw-Hole Osteolysis and Backside Damage in Long-Term Acetabular Liners Retrieved from Revision Total Hip Arthroplasty. 34th Annual Meeting of the Society for Biomaterials: Giving Life to a World of Materials, Seattle, Washington, 2012.

[4] Niemczewska, W. M., Gawlik, J., & Sładek, J., The Measurement and Analysis of Surface Geometric Structure of Ceramic Femoral Heads. Scanning, 2014, Vol. 36 (1), p. 105-114.

[5] ASTM F2033-12, Standard Specification for Total Hip Joint Prosthesis and Hip Endoprosthesis Bearing Surfaces Made of Metallic, Ceramic, and Polymeric Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012.

[6] Wang, A., Polineni, V. K., Stark, C. & Dumbleton, J. H., Effect of Femoral Head Surface Roughness on the Wear of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Acetabular Cups. The Journal of Arthroplasty, 1998, Vol. 13 (6), p. 615-620.

82

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

[7] Michel, P. L., Deborah, J. H., Robert, M. U., & Markus A. W., Effect of Femoral Head Surface Roughness on Acetabular Liner Polyethylene. ORS 2014 Annual Meeting, New Orleans, Louisiana.

[8] Kim, Y. H., Ritchie, A., & Hardaker, C., Surface Roughness of Ceramic Femoral Heads after In-Vivo Transfer of Metal: Correlation to Polyethylene Wear. The Journal of Bone & Joint Surgery. American Volume, 2005, Vol. 87 (3), p. 577-582.

[9] Kenny, T. M., Christopher, V., Darryl, D. L., Clifford, W. C.l, & Kace, A. E., Surface Roughness of Femoral Head Prostheses After Dislocation. The American Journal of Orthopedics, 2010, Vol. 39 (10), p. 495-500.

[10] Alan, W. E., TravisMcKee, R., John, M. C., Donald, W. P., Preston, R. B., & Jack E. L., Surface Roughness of CoCr and ZrO2 Femoral Heads with Metal Transfer: A Retrieval and Wear Simulator Study. International Journal of Biomaterials, Vol. 2009, 6 pages.

[11] Mazen, A. H., Wear of Hard-on-Hard Hip Prostheses: Influence of Head Size, Surgical Position, Material and Function. Ph.D. Dissertation, The University of Leeds, School of Mechanical Engineering, Leeds, UK, 2012.

[12] Nikolaos, I. G., & Dimitrios, E. M., Surface Roughness of Manufactured Femoral Heads with High Speed Turning. International Journal of Machining and Machinability of Materials, 2009, Vol. 5 (4), p. 371-382.

[13] Liliana, L. B., Tribological Characterization of Materials Used for Femoral Heads of Hip Prostheses. Proceedings of International Conference On Innovations, Recent Trends And Challenges In Mechatronics, Mechanical Engineering And New High-Tech Products Development – MECAHITECH’11, 2011, Vol. 3, p. 234-239.

[14] ISO 4288 - 1996, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Rules and procedures for the assessment of surface texture. International Organisation for Standardisation, Geneva, 1996.

THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ 1. PGS.TS. Phạm Ngọc Tuấn. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM.

phamngoctuan.vn@gmail.com. 0903678459.

2. TS. Nguyễn Văn Tường. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang.

tuongnv@gmail.com. 0982354509.

83