Traditional bone plates provide reliable fracture fixation; however, their high stiffness can cause stress shielding, thereby reducing mechanical stimulation of the bone tissue and slowing its regeneration. The biomechanical performance of a titanium plate with a localized porous structure for osteosynthesis of the radial shaft was investigated in this study. Three designs were considered: a solid plate and two plates with localized porous regions measuring 10 × 10 mm and 10 × 15 mm. The finite element analysis of the bone–plate system was performed using MSC Patran/Nastran, with rigid fixation of the proximal end of the bone and sequential application of an axial compressive load of 100 N, bending, and torsion with a moment of 1 N·m. Biomechanical performance was evaluated based on von Mises equivalent stress, fragment displacement (FD), interfragmentary movement (IFM), interfragmentary strain (IFS), and strain energy density (SED). To confirm the manufacturability of the design, the plate was fabricated from Ti–6Al–4V alloy using laser powder bed fusion (LPBF), and the geometry of the porous structure was verified by scanning electron microscopy. The results showed that the localized porous structure altered the load distribution between the plate and the bone, resulting in an increase in local stresses in the bone under the investigated loading conditions. These changes indicate an alteration in the mechanical environment within the bone, which may potentially affect conditions related to fracture healing. Among the investigated configurations, the plate with a 10 × 10 mm porous insert demonstrated the most balanced mechanical characteristics in terms of stresses in the implant, stress distribution in the bone, and structural stability.

В статье рассматривается применение аддитивных технологий в производстве оснастки из полимеркомпозитных материалов, приведены особенности технологического процесса Fused Granular Fabrication (FGF). Представлен процесс создания матрицы для гибки V-образным паза под углом 90° из композитного материала, на основе полимерной матрицы с добавлением стекловолокна для повышения износостойкости. В процессе технологического процесса с использованием композитной матрицы были выявлен тот факт, что пружинение заготовок приктически минимально. В статье приведены результаты сравненения параметров обработки материала на стальной и композиционной полимерной матрицах. По результатам экспериментов очевидно, что для обработки материала с относительно большим внутренним радиусом предпочтительнее использовать полимерную матрицу, поскольку это позволяет снизить усилие давления на 10–20 % при получении одинакового качества продукции Экспериментальные результаты показывают, что использование композиционных полимерных матриц для гибки в мелкосерийном производстве позволяет уменьшить усилие давления, а также снизить стоимость производства по сравнению с традиционными металлическими инструментами. В заключении выделяются преимущества и ограничения применения таких матриц, а также рекомендации для оптимизации процесса гибки и дальнейшего использования в промышленности. Ключевые слова: аддитивные технологии, технология FGF, полимерные материалы, композитные материалы, гибка, V-образный паз, матрица.

Мақала білек сүйегінің дистальды бөлігінің сынықтарын емдеуде қолданылатын остеосинтездік пластиналардың құрылымын инженерлік және технологиялық талдауға негізделген. Зерттеудің мәселесі әдеттегі титаннан жасалған импланттардың сүйек тінімен жанасудағы биомеханикалық сәйкессіздіктің негізінде туындады. Mimics, PATRAN/ MARC, соңғы элемент әдісі СЭӘ осы аталған бағдарламаларда модельдеу мен кернеулі-деформацияланған күйді соңғы элементтер әдісінде талдау жүргізілді. Зерттеу кезінде сүйек құрылымының 3D моделі 60-80 жас аралығындағы пациенттердің КТ деректері Mimics бағдарламасында өңделді. Антропометриялық өлшеулер негізінде 11 градус иіні мен бекіту тесігі 5 градус бұрышпен оңтайландырылған пластинаның құрылымы дайындалды. NASTRAN/PATRAN бағдарламасы мен СЭӘ әдісімен есептеулер жүргізіліп пластикалығы жоғары ВТ1-0 таза техникалық титанының иілуі мен бұралуы кезіндегі төзімділігі анықталды. Лазерлік және электр эрозияық кесу әдістерін салыстыру кезінде лазерлік өңдеу бет сапасының жоғарырақ көрсеткіштерін көрсетті. Осы себепті волярлық пластиналарды дайындауда аталған технологияны қолдану тиімді деп санаймыз. Зерттеулердің нәтижелеріне қарай биоүйлесімді пластиналы импланттарды дайындауда ВТ1-0 таза техникалық титанының ерекшелігін дәлелдейді. Пластинаның ерекше биоүйлесімділігі, коррозияға төзімділігі мен икемділігінің төмендігі остеосинтез пластиналарын өндіру үшін дұрыс шешім екені анықталды. Сонымен қатар медицинада кеңінен қолданылатын легирленген титан қорытпасымен салыстырғанда білек сүйегінің серпімділігіне сәйкес келетіндігі, уытты бөлмейтіндігі ерекше орын алды. Кілтті сөздер: имплантат, остеосинтез, кернеулі-деформацияланған күй, ВТ1-0 техникалық титан, биомеханика, сүйек тіндері, пластина.

The application of carbon fiber-reinforced polyetheretherketone (CFR-PEEK) composites in osteosynthesis implants represents a promising approach to mitigating the stress-shielding effect associated with the high stiffness of conventional metallic implants. This study aimed to experimentally and numerically evaluate the effects of short carbon fiber content and the orthotropic mechanical properties of CFR-PEEK on the structural strength of osteosynthesis plates and load distribution within the bone–plate system. The investigation employed a multiscale approach integrating micromechanical modeling using the Mori–Tanaka homogenization method in Digimat-MF, experimental mechanical testing of FDM-fabricated CFR-PEEK specimens containing 10 wt.% carbon fibers, and finite element analysis of osteosynthesis plates made of CFR-PEEK with 10 and 30 wt.% carbon fibers and Ti-6Al-4V using MSC Patran/Marc. CFR-PEEK 30% specimens were neither fabricated nor experimentally tested. Their mechanical properties were predicted using Digimat-MF by applying correction factors derived from experimental data obtained for CFR-PEEK 10%. The results demonstrated that increasing the carbon fiber content from 10 to 30 wt.% enhanced the longitudinal elastic modulus. Experimental testing of CFR-PEEK containing 10 wt.% carbon fibers revealed an elastic modulus ranging from 1.76 to 3.10 GPa and a tensile strength of 47–54 MPa. Following process-related adjustments to the material properties, finite element simulations of the bone–plate system were performed under an axial load of 50 N. The calculated load shielding indices were 94.3% for Ti-6Al-4V, 28.6% for CFR-PEEK 10%, and 54.3% for CFR-PEEK 30%, indicating the potential of composite implants to improve mechanical load transfer to the surrounding bone tissue. A preliminary strength assessment based on the three-dimensional Tsai–Hill failure criterion yielded failure indices of 15.577 and 1.112 for CFR-PEEK 10% and CFR-PEEK 30%, respectively, under the assumed material strength parameters. Critical stress concentrations were predominantly localized around the fixation holes. These findings highlight the trade-off between reducing stress shielding and ensuring the structural integrity of composite osteosynthesis plates. The results further emphasize the need for localized optimization of fixation regions to improve mechanical reliability without increasing the overall implant thickness.