CN112504895B - 金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法，包括：容置有恒温模拟体液的实验槽；实验槽内设有样品台；待测样品组包括第一试样和第二试样；单向摩擦机构带动第一试样进行横向单向运动；往复摩擦机构带动第一试样进行横向往复运动；旋转摩擦机构带动第一试样进行旋转运动；旋转单向摩擦机构带动第一试样进行横向和旋转运动；旋转往复摩擦机构带动第一试样进行横向往复运动和旋转运动；可模拟生物硬组织单向摩擦、往复摩擦、旋转摩擦、旋转单向摩擦和旋转往复摩擦等摩擦方式。本发明实现多种生物运动模式的高通量评价，又方便的揭示多种生物运动模式与腐蚀耦合作用下摩擦磨损机制研究，为硬组织成分与制备工艺优化提供基础。

Description

金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造研究领域，具体地，涉及一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法。
背景技术
钛及钛合金材料具有优异的生物相容性，被广泛的用来制备人体硬组织植入物，例如牙齿，关节，脊柱等。增材制造作为一种新型快速成型制造技术，具有成型效率高、设计自由度高以及近净成形等优点，在硬组织个性化复杂三维结构再现方面中，相比传统制备技术具有无与伦比的优势。钛合金硬组织植入物在人体服役过程中因生物结构多种运动功能实现，往往会出现摩擦磨损，尤其是在体液环境中，摩擦磨损能够加速钛合金植入物表面破坏，引发严重疲劳裂纹，影响植入物的服役寿命。在临床使用前，必须系统评价硬组织植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对其使用寿命的影响规律。然而，目前对于钛合金硬组织植入物的研究主要停留在干摩擦磨损研究以及静态条件下的腐蚀磨损，动态条件下的腐蚀磨损尚未见报道。耐磨性是评价人体长期植入物的一项重要指标，钛合金增材制造植入物在人体处于一种动态微流动的体液环境，仅仅进行干摩擦磨损和静态下的腐蚀磨损，难以准确评价其服役性能。因此，在采用增材制造技术成型个性化患者对植入物外形尺寸和生物力学性能要求的同时，必须系统评价其在人体体液环境下服役行为，可有效避免磨屑导致的人体组织发炎与感染等不良后果，为患者长期稳定使用提供基础支撑。
经对现有技术的文献检索发现：申请号为200410020750.1的中国发明专利涉及到一种提高钛合金表面生物活性和耐磨能力的表面处理方法。该专利针对通过在钛合金表面制备梯度涂层，据称可以同时提高钛合金表面硬度和表面生物活性，进而提高抗磨损能力。该专利具有氧化处理过程工艺及设备简单的优点，且易于操作，但是其仅仅通过测量硬度的提升间接证明耐磨性得到改善，没有给出更具临床指导意义的在体液环境下经过表面处理后钛合金耐磨性效果的直接数据，难以对应用于人体环境下硬组织服役行为进行直接指导。
王松等在《摩擦学学报》(2017年，第37卷，第1期，第130-138页)上发表了“骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展”，该文中概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究，认为骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响，复杂的人体力学和生理环境决定硬组织植入物长期可靠性和服役过程失效行为。而国内外仍然以简易的球盘/销盘试验研究为主，少量已经出现的模拟器仅仅针对钴铬钼合金人工髋关节，这与复杂的生物运动模式差异巨大，难以准确评估植入物在真实服役下摩擦磨损状况，未来应加大植入物摩擦腐蚀研究力度，完善硬组织植入物生物摩擦腐蚀耦合机理，为高可靠长寿命硬组织植入物研究和临床实践提供基础。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法，以期为金属增材制造个性化硬组织在人体环境下长期安全使用和减少寿命周期内硬组织植入物更换次数提供基础。
本发明第一个方面提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，包括：
可控制温度的实验槽；所述实验槽内容置有模拟体液，使所述模拟体液的温度保持恒温；所述实验槽内设有用于支撑固定待测样品组的样品台，且所述样品台位于所述模拟体液液面以下；所述待测样品组包括第一试样和第二试样，所述第二试样固定于所述样品台，所述第一试样位于所述第二试样上方；
设置于所述实验槽上方的单向摩擦机构，所述单向摩擦机构带动所述第一试样进行横向单向运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平单向摩擦；
设置于所述实验槽上方的往复摩擦机构，所述往复摩擦机构带动所述第一试样进行横向往复运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平往复摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转摩擦机构，所述旋转摩擦机构带动所述第一试样进行旋转运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现旋转摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转单向摩擦机构，所述旋转单向摩擦机构带动所述第一试样进行横向和旋转运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平单向摩擦和旋转摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转往复摩擦机构，所述旋转往复摩擦机构带动所述第一试样进行横向往复运动和旋转往复运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平往复摩擦及旋转往复摩擦。
优选地，金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置包括主控系统，所述主控系统向所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构、所述旋转摩擦机构、所述旋转单向摩擦机构及所述旋转往复摩擦机构发送执行指令控制各机构进行运动；以及记录所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构、所述旋转摩擦机构、所述旋转单向摩擦机构及所述旋转往复摩擦机构的实验数据。
优选地，所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构均包括：
第一水平移动部件，能进行水平移动；
设置于所述第一水平移动部件下方并与其连接的第一传动部件，所述第一传动部件在所述第一水平移动部件的带动下进行水平运动；
与所述第一传动部件末端连接用于夹持第一试样的第一夹头，带动所述第一试样随所述第一传动部件进行同步运动；
垂直设置于所述第一水平移动部件上的第一竖向移动部件，控制所述第一传动部件的加载力和带动第一试样的上下移动，模拟不同体重人和负载不同重物对硬组织植入物的接触面的压力。
优选地，所述旋转摩擦机构包括：
第二传动部件；
设置于所述第二传动部件上的第一动力部件，所述第一动力部件驱动所述第二传动部件进行旋转运动；
设置于所述第二传动部件末端用于夹持第一试样的第二夹头，带动所述第一试样随所述第二传动部件进行同步运动。
优选地，所述旋转单向摩擦机构、所述旋转往复摩擦机构均包括：
第二水平移动部件，能进行水平移动；
设置于所述第二水平移动部件下方并与其连接的第三传动部件，所述第三传动部件在所述第二水平移动部件的带动下进行水平运动；
设置于所述第三传动部件上的第二动力部件，所述第二动力部件驱动所述第三传动部件进行旋转运动；
垂直设置于所述第二水平移动部件上的第二竖向移动部件，控制所述第三传动部件的加载力和带动第一试样的上下移动；
与所述第三传动部件末端连接用于夹持第一试样的第三夹头，带动所述第一试样随所述第三传动部件进行同步运动。
优选地，所述实验槽内设有外接温度控制装置的热电偶，且所述热电偶位于所述模拟体液的液面下方，用于控制所述模拟体液的温度并使其保持恒温。
优选地，所述模拟体液采用SBF试剂；
优选地，所述模拟体液的PH值为7.4-7.5；
优选地，所述模拟体液的温度为35℃-37℃。
本发明第二个方面提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法，包括采用上述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置进行耐磨性测试。
优选地，金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法包括：
采用激光选区熔化增材方法制备五组待测样品组，每组待测样品组包括第一试样和第二试样，其中，所述第一试样为一端带有内切球头的圆柱试样；第二试样为长方形试样；
将五组待测样品组的外凸面打磨至表面粗糙度Ra<0.05；
对打磨后的五组待测样品组外表面清洗，去除表面杂质；
将五组待测样品组的长方形试样分别固定于样品台上，将五组待测样品组的圆柱试样分别置于长方形试样的上方；将五组待测样品组的圆柱试样带有内切球头的一端与长方形试样相接触并浸没于模拟体液内，另一端分别固定于单向摩擦机构、往复摩擦机构、旋转摩擦机构、旋转单向摩擦机构及旋转往复摩擦机构上；
进行单向摩擦、往复摩擦、旋转摩擦、旋转单向摩擦和旋转往复摩擦的耐磨性测试；
根据耐磨性测试结果评价金属增材制造硬组织服役环境下的磨损状况。
优选地，所述金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置采用以下工作参数：施加载荷10N-30N，频率5HZ-15HZ，摩擦行程长度5mm-15mm，滑动时间60min-120min。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述装置，鉴于硬组织复杂的生物运动模式设计了五种机构模拟五种生物硬组织摩擦方式，通过实验结果反映这种摩擦方式的磨损状况从而评价硬组织耐磨性，实现多种生物运动模式的高通量评价，而传统实验装置仅对每个运动模式单独评价，不但耗费时间长，而且难以保证每次实验条件完全一致；本发明采用五种模式同时进行评价的并行模式，相比与传统实验装置，其耗费时间仅为单一运动模式的五分之一左右，且实验条件完全一致；同时方便的揭示多种生物运动模式与腐蚀耦合作用下摩擦磨损机制研究，可为硬组织成分与制备工艺优化，以及后期增材制造植入物长期安全使用提供基础。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置的结构示意图；
图中标记分别表示为：主控系统1、单向摩擦机构2、往复摩擦机构3、旋转摩擦机构4、旋转单向摩擦机构5、旋转往复摩擦机构6、第二水平移动部件7、第二垂直移动部件8、温度控制装置9、第一动力部件10、第一传动系统11、第一夹头12、长方形试样13、模拟体液14、样品台15、实验槽16、热电偶17、带有内切球头的圆柱试样18、内切球头19。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，为本发明一优选实施例的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置的结构示意图，鉴于硬组织复杂的生物运动模式设计了该评价装置，图中包括实验槽16、单向摩擦机构2、往复摩擦机构3、旋转摩擦机构4、旋转单向摩擦机构5和旋转往复摩擦机构6；通过上述五种机构模拟五种生物硬组织摩擦方式。
在实验槽16内容置有模拟体液14。实验槽16可控制模拟体液14的温度，能使模拟体液14的温度保持恒温。实验槽16内设有用于支撑待测样品组的样品台15，且该样品台15位于模拟体液14液面以下。待测样品组包括第一试样和第二试样，其中，将第二试样固定在具有锁紧装置的样品台15上；第一试样位于第二试样的上方。作为一优选方式，模拟体液14可以采用SBF试剂；模拟体液14的PH值为7.4-7.5；模拟体液14的温度为36.5℃。
单向摩擦机构2设置于实验槽16上方，单向摩擦机构2带动待测样品组第一试样进行横向单向运动，使第一试样与第二试样之间实现水平单向摩擦。
往复摩擦机构3设置于实验槽16上方，往复摩擦机构3带动待测样品第一试样进行横向往复运动，使第一试样与第二试样之间实现水平往复摩擦。
旋转摩擦机构4设置于实验槽16上方，旋转摩擦机构4带动第一试样进行旋转运动，使第一试样与第二试样之间实现旋转摩擦。
旋转单向摩擦机构5设置于实验槽16上方，旋转单向摩擦机构5带动第一试样进行横向单向运动和旋转运动，使第一试样与第二试样之间实现水平单向摩擦和旋转摩擦。
旋转往复摩擦机构6设置于实验槽16上方，旋转往复摩擦机构6带动第一试样进行横向往复运动和旋转往复运动，使第一试样与第二试样之间实现水平往复摩擦和旋转往复摩擦。
硬组织植入物在生物体内服役时，因运动模式不同，产生磨损状况不同，评价装置的实验结果要能反映出这种磨损状况的差别，即给出磨损速率，磨损速率越大说明植入物的耐磨性越差，反之越好。可对不同材料配方、工艺制备的金属增材制造植入物，通过耐磨性评价装置测试耐磨性，通过对比磨损速率评价耐磨性优劣。
在其他部分优选实施例中，参照图1所示，金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置包括主控系统1，主控系统1控制整个装置的运转和记录实验数据。主控系统1向单向摩擦机构2、往复摩擦机构3、旋转摩擦机构4、旋转单向摩擦机构5及旋转往复摩擦机构6发送执行指令，分别控制单向摩擦机构2进行横向单向运动，控制往复摩擦机构3进行横向往复运动；控制旋转摩擦机构4进行旋转运动；控制旋转单向摩擦机构5进行横向单向运动和旋转运动；以及控制旋转往复摩擦机构6进行横向往复运动和旋转往复运动。记录单向摩擦机构2、往复摩擦机构3、旋转摩擦机构4、旋转单向摩擦机构5及旋转往复摩擦机构6的加载力数值和摩擦循环次数等实验数据。
在其他部分优选实施例中，参照图1所示，单向摩擦机构2和往复摩擦机构3的结构完全相同，两者均包括：第一水平移动部件、第一竖向移动部件、第一传动部件和第一夹头12；其中，
第一水平移动部件能进行水平移动。
第一竖向移动部件垂直设置于第一水平移动部件上，通过第一竖向移动部件控制第一传动系统11的加载力和实现第一试样上下移动。
第一传动部件设置于第一水平移动部件下方并与第一水平移动部件连接，第一传动部件在第一水平移动部件的带动下进行横向运动。
第一夹头12用于夹持第一试样。第一夹头12与第一传动部件末端连接。通过第一传动部件带动待测样品随第一传动部件进行同步运动，即带动第一试样进行水平单向运动及沿竖向上下移动。
在其他部分优选实施例中，参照图1所示，旋转摩擦机构4包括：第二传动部件、第一动力部件10和第二夹头；其中，
第一动力部件10连接与第二传动部件，第一动力部件10驱动第二传动部件进行旋转运动。作为一优选方式，第一动力部件10可以采用马达。
第二夹头用于夹持第一试样。第二夹头与第二传动部件末端连接，通过第二传动部带动第一试样随第二传动部件进行同步运动，即带动第一试样进行旋转运动。
在其他部分优选实施例中，旋转单向摩擦机构5、旋转往复摩擦机构6结构完全相同，两者均包括：第二水平移动部件7、第二竖向移动部件、第三传动部件和第三夹头；
其中，
第二水平移动部件7能进行水平移动。
第二竖向移动部件垂直设置于第二水平移动部件7上，通过第二竖向移动部件控制第三传动部件的加载力和实现第一试样上下移动，以模拟不同体重人和负载不同重物对硬组织植入物的接触面的压力；在具体实施时，当第一试样的内切球头19从第二试样的一端摩擦到另一端完成后，向上运动脱离摩擦面，通过水平运动回到初始位置，再向下运动接触后，进行第二次摩擦，如此往复实现单向摩擦测试。
第三传动部件连接于第二水平移动部件7下方，第三传动部件在第二水平移动部件7的带动下进行横向运动。
第二动力部件连接于第三传动部件上，第二动力部件驱动第三传动部件进行旋转运动。作为一优选方式，第二动力部件可以采用马达。
第三夹头用于夹持第一试样。第三夹头与第三传动部件末端连接，第三传动部件带动第一试样随第三传动部件进行同步运动；即带动第一试样进行水平运动、旋转运动及沿竖向上下移动。
在其他部分优选实施例中，实验槽16内设有外接温度控制装置9的热电偶17，且热电偶17位于模拟体液14的液面下方，用于模拟体液14的温度并使其保持恒温。
在另一实施例中，提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法，包括采用上述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置进行耐磨性测试。
在其他部分优选实施例中，金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法包括：
参照图1所示，采用激光选区熔化增材方法制备五组待测样品组，每组待测样品组包括第一试样和第二试样，其中，第一试样为一端带有内切球头19的圆柱试样18；第二试样为长方形试样13。上述第一试样、第二试样的结构是根据复杂生物运动模式的几个基本运动特征设计，可模拟牙齿接触平面之间咬合运动，肘关节球面之间旋转运动，以及脊柱之间介于平面和球面的混合运动模式。当然，也可以设计其他结构，以匹配复杂生物运动模式。
采用激光选区熔化增材方法制备五组待测样品具体采用以下步骤制备：采用激光选区熔化增材制造技术制备医用TC4钛合金长方形试样13，其尺寸为20mm×10mm×10mm；带有内切球头19的圆柱试样18的直径5mm，其中圆柱部分长度10mm，试样总长15mm。增材制造选用钛合金粉末粒度为30μm～50μm，在TC4钛合金基板上打印成型，基板预热温度为60℃～100℃。工作腔内通入氩气进行气氛保护，腔内压强为0.4GPa～0.7GPa。增材制造成型工艺参数为扫描功率220W～300W，扫描速度1.0m/s～1.5m/s，搭接率20μm～70μm。扫描成型策略为每旋转60°烧结一层，360°为一周期，一周期即为扫描策略旋转360°。打印成型长方形试样13和带有内切球的圆柱试样五组待测样品组。
将上述制备完成的五组待测样品组(即长方形试样13和带有内切球的圆柱试样)的外凸面打磨至表面粗糙度Ra<0.05。当金属增材制造表面非常粗糙，不能达到使用要求，作为植入物，必须进行打磨抛光；如生物牙齿和骨骼等接触面较为光滑，打磨到粗糙度Ra<0.05，符合植入物实际需求，能够较好的模拟植入物实际服役状况。
对打磨后的五组待测样品组外表面用酒精清洗干净，去除表面杂质。
将五组待测样品组的长方形试样13分别固定在实验槽16的样品台15上，将五组待测样品组带有内切球头19的圆柱试样18分别置于长方形试样13的上方；将带有内切球头19的圆柱试样18的一端分别固定于单向摩擦机构、往复摩擦机构、旋转摩擦机构、旋转单向摩擦机构及旋转往复摩擦机构上，另一端即内切球头19与长方形试样13相接触并浸没于模拟体液内；实验槽16内的模拟体液采用SBF试剂，SBF试剂在36.5℃时PH值为7.4-7.5。
进行单向摩擦、往复摩擦、旋转摩擦、旋转单向摩擦和旋转往复摩擦等五种运动模式耐磨性测试。
根据耐磨性测试结果评价金属增材制造硬组织服役环境下的磨损状况。
在其他部分优选实施例中，金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，工作过程中，水平运动和垂直运动各一次为一个周期；一分钟内完成测水平运动和垂直运动次数为频率；滑动时间为所有水平运动和垂直运动的时间累加。金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置的工作参数为：上述五种机构主控系统1的第一传动系统11、第一夹头12和长方形试样13的施加载荷10N-30N；上述五种机构主控系统1的第二水平移动部件7、第二垂直移动部件8的频率5Hz-15Hz；长方形试样13与内切球头19的摩擦行程长度5mm-15mm，上述五种机构主控系统1的第二水平移动部件7、第二垂直移动部件8滑动时间60min-120min；
在一应用例中，将上述实施例的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法用于评价TC4钛合金服役环境下耐磨性：
采用UG软件画出长方形样品、圆柱试样和内切球头样品三维实体图，将其导入EOS设备自带的Eplus增材制造软件对模型按0.03mm进行分层，并在TC4钛合金基板上搭建2mm的支撑。对增材制造机床工作腔内通入惰性气体氩气进行保护，腔内压强设置为0.4GPa。将TC4钛合金基板进行加热，加热至70℃度。选用的TC4合金粉末的粒度分布为：d(0.1)＝23.644μm，d(0.5)＝36.105μm，d(0.9)＝54.721μm，其颗粒大小较为均匀。激光选区熔化的主要工艺参数：功率为230W，扫描速度1.1m/s。以6层为一周期，层与层之间旋转60°，扫描路径为每旋转60度打印一层，360度为一周期，比倾斜45°或者90°等策略打印的零件具有更优异的致密度和性能。
TC4钛合金试样增材制造完成后。打印的五组TC4合金试样(每组试样形状为：长方体试样和带有内切球的圆柱试样)，致密度达到99.9％，硬度达到415HV。将长方体试样的20×10mm面和带有内切球的圆柱试样外凸面打磨至表面粗糙度Ra<0.05，用酒精将长方体试样和内切球样品外表面清洗干净。将打印的五组TC4合金试样在金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置上进行单向摩擦、往复摩擦运动模式测试。工作参数为施加载荷15N，频率5HZ，摩擦行程长度10mm，滑动时间60min。模拟体液采用SBF试剂，温度为36.5℃，PH值为7.4。实验结果发现，采用单向摩擦机构、往复摩擦机构的测试磨损速率分别为0.30×10-3mm3·N-1·min-1，0.35×10-3mm3·N-1·min-1，将得到磨损速率与铸造和锻造TC4合金对比，上述磨损速率较小，评价其耐磨性良好。从而说明上述耐磨性评价装置能够很好地模拟评价牙齿上下咬合单向摩擦运动和膝关节行走运动时的往复摩擦磨损状况。
在另一应用例中，将上述实施例的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法用于对TC4钛合金服役环境下耐磨性评价：
采用UG软件画出长方形试样和带有内切球头的圆柱试样的三维实体图，将其导入EOS设备自带的Eplus增材制造软件对三维模型按每层0.03mm进行分层，并在TC4钛合金基板上搭建2mm的支撑。对增材制造机床工作腔内通入惰性气体氩气进行保护，腔内压强设置为0.6GPa。将TC4钛合金基板进行加热，加热至90℃度。选用的TC4合金粉末的粒度分布为：d(0.1)＝23.644μm，d(0.5)＝36.105μm，d(0.9)＝54.721μm，其颗粒大小较为均匀。激光选区熔化的主要工艺参数：功率为290W，扫描速度1.4m/s。以6层为一周期，层与层之间旋转60°，扫描路径为每旋转60度打印一层，360度为一周期，比倾斜45°或者90°等策略打印的零件具有更优异的致密度和性能。
试样增材制造完成后，打印五组TC4合金试样(每组试样的形状为长方体试样、带有内切球的圆柱试样)，致密度达到99.9％，硬度达到410HV。将TC4合金长方体试样的20mm×10mm和带有内切球的圆柱试样的外凸面打磨至表面粗糙度Ra<0.05，用酒精将长方体试样和内切球外表面清洗干净。将打印的五组TC4合金试样在金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置上进行旋转往复摩擦测试，工作参数为施加载荷20N，频率10HZ，摩擦行程长度10mm，滑动时间60min。模拟体液采用SBF试剂，温度为36.5℃、PH值为7.4。实验结果发现，采用旋转往复摩擦机构的测试的磨损速率为0.36×10-3mm3·N-1·min-1，磨损速率较低，说明该硬组织植入物的耐磨性较好。说明本方法能够很好的模拟评价诸如上肢肘关节复杂旋转往复运动时的摩擦磨损状况。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，包括：
可控制温度的实验槽；所述实验槽内容置有模拟体液，使所述模拟体液的温度保持恒温；所述实验槽内设有用于支撑固定待测样品组的样品台，且所述样品台位于所述模拟体液液面以下；所述待测样品组包括第一试样和第二试样，所述第二试样固定于所述样品台，所述第一试样位于所述第二试样上方；
设置于所述实验槽上方的单向摩擦机构，所述单向摩擦机构带动所述第一试样进行横向单向运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平单向摩擦；
设置于所述实验槽上方的往复摩擦机构，所述往复摩擦机构带动所述第一试样进行横向往复运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平往复摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转摩擦机构，所述旋转摩擦机构带动所述第一试样进行旋转运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现旋转摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转单向摩擦机构，所述旋转单向摩擦机构带动所述第一试样进行横向和旋转运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平单向摩擦和旋转摩擦；
设置于所述实验槽上方的旋转往复摩擦机构，所述旋转往复摩擦机构带动所述第一试样进行横向往复运动和旋转往复运动，使所述第一试样和所述第二试样之间实现水平往复摩擦及旋转往复摩擦。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，还包括主控系统，所述主控系统向所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构、所述旋转摩擦机构、所述旋转单向摩擦机构及所述旋转往复摩擦机构发送执行指令控制各机构进行运动；以及记录所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构、所述旋转摩擦机构、所述旋转单向摩擦机构及所述旋转往复摩擦机构的实验数据。
3.根据权利要求1所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，所述单向摩擦机构、所述往复摩擦机构均包括：
第一水平移动部件，能进行水平移动；
设置于所述第一水平移动部件下方并与其连接的第一传动部件，所述第一传动部件在所述第一水平移动部件的带动下进行水平运动；
与所述第一传动部件末端连接用于夹持所述第一试样的第一夹头，带动所述第一试样随所述第一传动部件进行同步运动；
垂直设置于所述第一水平移动部件上的第一竖向移动部件，控制所述第一传动部件的加载力和带动第一试样的上下移动，模拟不同体重人和负载不同重物对硬组织植入物的接触面的压力。
4.根据权利要求1所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，所述旋转摩擦机构包括：
第二传动部件；
设置于所述第二传动部件上的第一动力部件，所述第一动力部件驱动所述第二传动部件进行旋转运动；
设置于所述第二传动部件末端用于夹持所述第一试样的第二夹头，带动所述第一试样随所述第二传动部件进行同步运动。
5.根据权利要求1所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，所述旋转单向摩擦机构、所述旋转往复摩擦机构均包括：
第二水平移动部件，能进行水平移动；
设置于所述第二水平移动部件下方并与其连接的第三传动部件，所述第三传动部件在所述第二水平移动部件的带动下进行水平运动；
设置于所述第三传动部件上的第二动力部件，所述第二动力部件驱动所述第三传动部件进行旋转运动；
垂直设置于所述第二水平移动部件上的第二竖向移动部件，控制所述第三传动部件的加载力和带动所述第一试样的上下移动；
与所述第三传动部件末端连接用于夹持第一试样的第三夹头，带动所述第一试样随所述第三传动部件进行同步运动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，所述实验槽内设有外接温度控制装置的热电偶，且所述热电偶位于所述模拟体液的液面下方，用于控制所述模拟体液的温度并使其保持恒温。
7.根据权利要求1-5任一项所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，其特征在于，
-所述模拟体液采用SBF试剂；
-所述模拟体液的PH值为7.4-7.5；
-所述模拟体液的温度为35℃-37℃。
8.一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法，其特征在于，包括采用上述权利要求1-7任一项所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置进行耐磨性测试。
9.根据权利要求8所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法，其特征在于，还包括：
采用激光选区熔化增材方法制备五组待测样品组，每组待测样品组包括第一试样和第二试样，其中，所述第一试样为一端带有内切球头的圆柱试样；第二试样为长方形试样；
将五组待测样品组的外凸面打磨至表面粗糙度Ra<0.05；
对打磨后的五组待测样品组外表面清洗，去除表面杂质；
将五组待测样品组的长方形试样分别固定于样品台上，将五组待测样品组的圆柱试样分别置于长方形试样的上方；将五组待测样品组的圆柱试样带有内切球头的一端与长方形试样相接触并浸没于模拟体液内，另一端分别固定于单向摩擦机构、往复摩擦机构、旋转摩擦机构、旋转单向摩擦机构及旋转往复摩擦机构上；
进行单向摩擦、往复摩擦、旋转摩擦、旋转单向摩擦和旋转往复摩擦的耐磨性测试；
根据耐磨性测试结果评价金属增材制造硬组织服役环境下的磨损状况。
10.根据权利要求9所述的金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价方法，其特征在于，所述金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置采用以下工作参数：施加载荷10N-30N，频率5HZ-15HZ，摩擦行程长度5mm-15mm，滑动时间60min-120min。
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