Impact of drilling operation on bone tissues : modelling and experimentation

Le perçage de l’os est couramment pratiqué dans de nombreux types de chirurgie comme lors de la pose de vis d’ostéosynthèse et d’implants dentaires et cochléaires. Lors de l'opération de perçage, le chargement thermomécanique dû à l'interaction outil-os peut endommager les tissus osseux au voisinage de la zone de perçage. Ainsi, une augmentation significative de la température peut provoquer une ostéonécrose thermique. Il est donc important d'optimiser les conditions opératoires (vitesses de rotation et d'avance, géométrie du foret, stratégie de perçage...) afin de réduire les risques d'endommagement de l'os. Pour ce faire, il faut analyser et comprendre les effets des conditions de coupe sur les mécanismes contrôlant l'interaction foret-os. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de contribuer à la compréhension de ces mécanismes en combinant une approche expérimentale avec de la modélisation numérique et analytique. L'étude expérimentale porte sur l’effet de la vitesse de coupe, de l’avance du foret et de la microstructure de la zone percée sur l’évolution des efforts de coupe (l'effort d'avance et le moment axial) et de l’augmentation de la température pendant le perçage d’un échantillon d’os porcin et de matériaux de tests biomécaniques (Sawbones). Ces derniers présentent l'avantage d'une microstructure uniforme par échantillon donné contrairement à l'os. Les modèles numériques de la coupe orthogonale et du perçage de l’os cortical sont développés en utilisant le code Eléments Finis ABAQUS/Explicit. L’objectif est d'analyser l’influence des lois de comportement et d’endommagement sur les prédictions du modèle (mécanisme de coupe, température et efforts de coupe). Afin de proposer une approche simplifiée, une modélisation analytique basée sur la théorie de la source mobile a également été proposée. La validation expérimentale a montré la pertinence des approches proposées ainsi que leurs limites.Bone drilling is commonly practised in various surgical operations for orthosynthesis screws insertion or placement of dental and cochlear implants. During bone drilling procedure, the thermomechanical constraints resulting from the tool-bone interaction can damage the bone tissues in the vicinity of the drilling area. Thus, a significant increase in temperature can cause thermal osteonecrosis. It is therefore important to optimize the operating conditions (spindle speed and feed rate, geometry of the drill, drilling operation strategy ...) in order to reduce the risk of damage to bone tissues. To do this, it is necessary to analyse and understand the effects of cutting conditions on the mechanisms controlling the drill-bone interaction. The present work aims to contribute to the understanding of these mechanisms by combining an experimental approach with numerical and analytical modelling. The experimental study investigates the effect of the cutting speed, feed rate of the drill and the microstructure of the drilled area on the resulting cutting forces (thrust force and axial torque) and temperature rise during the drilling of porcine bone specimens and biomechanical test materials (Sawbones). These materials have the advantage of a uniform microstructure per given sample unlike bone. Numerical models of orthogonal cutting and bone drilling are implemented using the Finite Element code ABAQUS / Explicit. The purpose of this development is to analyse the influence of bone constitutive and damage laws on the model predictions (cutting mechanism, temperature and cutting forces). In order to propose a simplified approach, an analytical modelling based on moving heat source theory is developed for predicting bone thermal response. The relevance and limits of the approach proposed is shown through experimental validation