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增材製造生物醫學設備的疲勞測試：為何多軸負荷至關重要

對於生物醫學組件，代表物理負荷的疲勞測試對於捕捉缺陷、各向異性和其他變異對耐用性的影響，以及獲得監管批准至關重要

增材製造 (AM) 正越來越多地應用於生物醫學設備，特別是在患者特定幾何形狀、複雜內部結構和快速迭代具有明顯臨床優勢的領域。骨科植入物、脊柱設備、固定硬體和相關手術工具現在通常使用金屬和聚合物增材工藝生產。由於這些組件旨在用於長期承重應用，疲勞性能成為確保安全性、耐用性和監管批准的關鍵因素。

生物醫學設備在服役期間很少經歷簡單的單軸負荷。它們暴露於由人體運動驅動的複雜多軸負荷歷程中。對於已經對缺陷、各向異性和表面狀況敏感的增材製造零件，這種負荷複雜性提出了獨特的挑戰，必須透過精心設計的疲勞測試計劃來解決。

為何疲勞對增材製造生物醫學設備至關重要

疲勞失效是生物醫學設備公認的風險。諸如髖關節柄、骨板、脊柱桿和牙科植入物等組件必須在數年或數十年的服役中承受數百萬次的負荷循環，以避免複雜的移除手術。即使應力保持在材料靜態強度以下，重複負荷也會導致裂紋萌生、生長，並最終導致災難性失效。

對於增材製造的生物醫學組件，不能假設其疲勞行為與傳統製造的同類產品一致。增材製造工藝會引入微觀結構特徵，如孔隙率、未熔合缺陷、表面粗糙度和殘餘應力，所有這些都會顯著降低疲勞壽命。此外，增材製造逐層堆疊的特性產生了定向機械性能，這些性能與生理負荷模式有著強烈的相互作用。

Additive manufacturing processes can introduce microstructural features that can significantly reduce fatigue life.

生理負荷的複雜性：超越單軸疲勞

許多傳統的疲勞計劃依賴單軸拉伸或壓縮負荷。雖然這可以提供有用的基準數據，但它簡化了生物醫學植入物所經歷的真實體內負荷環境。

在服役中，生物醫學組件經常受到軸向和扭轉組合負荷的影響——例如，髖關節和膝關節植入物在行走過程中同時承受壓縮負荷和扭矩，或者固定裝置在骨骼-植入物界面經歷循環剪切和旋轉。忽視這些組合負荷模式可能會低估損傷累積並誤導真實的疲勞性能。

軸向-扭轉組合測試提供了一個強大的框架，可以更好地代表生理負荷，同時也能更深入地了解增材製造材料的各向異性行為。

軸向-扭轉疲勞行為的見解

許多增材工藝，特別是聚合物長絲沉積和某些金屬工藝，會產生層狀微觀結構。因此，機械性能取決於相對於沉積層的負荷方向。透過同時施加軸向和扭轉負荷，工程師可以研究一系列方向上的表觀拉伸和剪切行為。

這些影響對於負荷路徑很少與單一主軸對齊的植入物尤為重要。如果沒有多軸測試，這種行為將隱藏在傳統的單軸疲勞數據集中。

Simultaneous axial and torsional testing is important when testing implants.

代表性測試和植入物層級的見解

對於生物醫學設備，試片級別的疲勞測試往往不足。局部幾何形狀、晶格結構、螺紋形式和表面處理會主導疲勞行為。軸向-扭轉組合疲勞測試系統提供了一個靈活的平台，可以從材料篩選演進到代表性的特徵級別或組件級別測試，幫助工程師更好地了解增材製造植入物在現實服役條件下的表現。

Instron 如何支持增材製造生物醫學設備的多軸疲勞測試

Instron^® 在支持生物醫學應用的疲勞和耐用性測試方面擁有豐富經驗，包括增材製造材料和組件。諸如 ElectroPuls^® 等軸向-扭轉組合疲勞系統是成熟的現成解決方案，能夠提供精確、可重複的多軸負荷。

ElectroPuls 系統使生物醫學工程師能夠：

執行精確的軸向和扭轉組合疲勞測試
為各向異性、缺陷敏感的增材製造材料保持精確對齊
表徵現實生理負荷條件下的疲勞壽命
生成適用於設計驗證和監管提交的穩健、可靠數據

Instron ElectroPuls systems can perform multiaxial fatigue and durability testing suitable for biomedical devices.

結論

隨著增材製造持續改變生物醫學設備設計，疲勞測試必須演進以反映增材製造的材料現實和生理負荷的複雜性。軸向-扭轉組合疲勞測試提供了一個強大的工具，用於揭示各向異性、了解損傷機制並生成能更好反映服役性能的數據。

透過將代表性的多軸負荷與高品質、可重複的測試系統相結合，生物醫學工程師可以充滿信心地評估疲勞性能，降低鑑定風險，並將創新的、患者特定的增材製造設備安全地投入臨床使用。

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關於作者

Rebecca Reiff-Musgrove

Rebecca Reiff-Musgrove 是 Instron ElectroPuls 的業務發展經理。她的背景包括劍橋大學的理學碩士學位，專注於增材製造零件的表面性能，並曾在增材製造行業從事材料測試工作。在 Instron，她擔任過多項技術和商業職位，使她對技術及其解決的客戶挑戰都有著紮實的理解。