骨植入体材料多孔钛合金介观尺度切削机理及微结构加工结构完整性研究

The manufacture of artificial bone implants is one of the focus of biomedical engineering. Porous titanium alloys by surface modification(using function microstructure) have good mechanical properties, outstanding biocompatibility, and interface force compatibility. Function microstructure of the suface can enhance the interface combination and improve anti-wear capacity. It becomes the main trend in the field of bone implant materials. Machining can compensate dimension accuracy and surface finish quality of rapid prototyping technology. It could enhance the long-term effects of surgery and avoid the phenomenon of cancellous bone and bone necrosis. However, it is not yet mature that the cutting mechanism of porous titanium alloys and machining integrity. And it makes artificial bone implant processing defects, resulting in more complications.This project is focus on seco-machining mechanisms of porous titanium alloys and surface integrity of machining functional micro-structure，which including size effect and holes' characteristics. Therefore, coupled thermal shear instability model, cutting force-heat instantaneous spatial distribution model, mechanisms of chip formation and burr formation will be made. On the other hand，machining surface integrity will be investigated. Moreover, the assessing standards of meso-scale machining quality will be set up based on the requirement of medical aoms. Then, the prediction model of machining quality will also be made in order to provide a theoretical basis for the machining process and help to develop personalized artificial bone implants.

人工骨植入体制造是医工交叉领域的研究热点之一。多孔钛合金表面经功能微结构化具备良好机械性能、杰出的生物相容性、界面力相容性和人体舒适性，已成为承重骨植入体研究的主流趋势。在个性化定制骨植入体中，快速成型后进行二次精密机械加工，可提高尺寸精度和表面质量，提高手术的远期效果、避免出现松骨和骨细胞坏死现象。而个性化定制切削加工多孔钛合金骨植入体的研究尚不成熟，为减少术后并发症的结构完整性研究尚不完善。本项目通过研究多孔钛合金的介观尺度切削机理，为高质量个性化定制骨植入体加工工艺提供理论依据。研究多孔钛合金热力耦合的变形-断裂演变规律，建立剪切失稳模型。基于尺寸效应和孔隙结构特性，建立介观尺度切削时切削力-热瞬时空间分布模型及切屑形成规律模型。并通过理论和实验研究，建立刀具渐变磨损条件下的加工质量微观预测模型；确立面向医学使用性能约束驱动下的骨植入体功能微结构的加工表面和次表层结构完整性评估依据。

人工骨植入体制造是医工交叉领域的研究热点之一。多孔钛合金表面经功能微结构化具备良好机械性能、杰出的生物相容性、界面力相容性和人体舒适性，已成为承重骨植入体研究的主流趋势。在个性化定制骨植入体中，快速成型后进行二次精密机械加工，可提高尺寸精度和表面质量，提高手术的远期效果、避免出现松骨和骨细胞坏死现象。而个性化定制切削加工多孔钛合金骨植入体的研究尚不成熟，为减少术后并发症的结构完整性研究尚不完善。. 本项目通过研究多孔钛合金的介观尺度切削（微切削）机理，为高质量个性化定制骨植入体加工工艺提供理论依据。研究了多孔钛合金热力耦合的热塑性变形-静动态力学性能演变规律，建立了材料本构模型；实验研究了刀具-多孔钛材料摩擦磨损机理，为刀具磨损研究奠定了基础。基于孔隙结构特性，建立了多孔材料等效刚度和弹性模型模型，并以此为基础开展了多孔材料介观尺度切削（微切削）力模型建模与切削稳定性理论分析研究。. 系统分析和实验研究了多孔材料介观尺度切削（微切削）工艺参数优化、加工稳定性，构建了骨植入体材料多孔钛合金介观尺度切削回归工艺分析模型。深入开展了切削个性化定制人工骨植入体表面功能微沟槽结构时加工质量评价研究。并通过理论和实验研究，开展了刀具磨损条件下的加工质量微观形貌实验研究；确立了面向医学使用性能约束驱动下的骨植入体功能微结构的加工质量评估方法。. 项目在SCI源刊发表了论文4篇（已进入收录2篇，另2篇待录），中文期刊论文1篇, 已经接受录用待发表SCI论文1篇。与本项目相关实验和设备技术研究获授权发明专利1项，另有公开处于实质审查发明专利2项。培养与项目直接相关毕业硕士研究生3名。