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La fabrication additive dans le secteur médical

La fabrication additive dans le secteur médical

by Gaëtan Lefèvre1 septembre 2016
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La fabrication additive a transformé de nombreux secteurs d’activités. Le médical n’y échappe pas. Cependant, ce dernier est un secteur particulier avec de nombreuses applications, implants ou prothèses, chirurgie ou dentaire… et de nombreuses règles. A3DM Magazine a donc décidé d’y consacrer un dossier.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

Dans le premier numéro d’A3DM Magazine, paru en janvier 2016, nous avions évalué la relation entre les techniques de fabrication additive, les différents matériaux et l’ensemble des domaines d’application. Dans ce numéro-ci, nous nous concentrons particulièrement sur les applications de la fabrication additive pour le secteur médical.

Un couple naturel

Avec l’aérospatiale, l’aéronautique et l’automobile, le médical est l’un des secteurs clés pour l’application des technologies de fabrication additive et d’impression 3D. Dans ce dernier, la chirurgie est un des domaines les plus utilisateurs.

Parmi les avantages apportés par ces techniques de fabrication dans le secteur médical, les principaux sont la personnalisation de masse, l’intégration de formes ou de structures complexes, la réduction des déchets et – en particulier pour les matériaux précieux – le faible coût de transport, l’amélioration de l’innovation et de la créativité, la fabrication sur demande et le temps de fabrication. Par ailleurs, les limites actuelles de cette technologie, notamment pour la production de masse – la fabrication additive ayant un coût plus élevé et un temps de production plus faible par rapport à la fabrication traditionnelle – ne constitue pas une barrière insurmontable compte tenu des exigences d’interventions spécifiques selon les caractéristiques de chaque patient.

Actuellement, selon le rapport Wohlers 2015, les secteurs médicaux et dentaires correspondent à environ 13,1 % de l’utilisation de la fabrication additive. Dans le « Hype Cycle pour l’impression 3D », (graphique de Gartner ci-dessus 2015), on observe que certaines applications spécifiques comme l’impression 3D des appareils auditifs ont déjà atteint le plateau de productivité, tandis que les dispositifs médicaux semblent avoir atteint le plus haut niveau de « l’innovation déclenchée ».

Hype cycle impression 3D a3dm magazine

Parmi ces applications, plus de 10 millions d’aides auditives sont actuellement imprimées en 3D chaque année tandis que les implants dentaires, les appareils orthopédiques et les prothèses deviennent un exemple d’effet perturbateur sur la fabrication traditionnelle. Les modèles chirurgicaux et les aides à la visualisation, obtenus après une numérisation 3D, sont de plus en plus utilisés dans les hôpitaux et les universités.

Les principaux fournisseurs

Six sociétés sont actuellement leaders sur les ventes de systèmes de fabrication additive dans le secteur médical.

Principaux_fournisseurs_FA_medical_a3dm_magazine

Des applications différentes

Il existe différentes catégories de matériaux utilisés dans le secteur médical : les polymères, les métaux, les céramiques et les cellules biologiques. Dans l’ensemble, les deux grandes catégories de matériaux – également pour le secteur médical – sont les polymères et les métaux. La fabrication additive englobe une série de processus et de technologies diversifiés spécifiquement liés à l’utilisation de divers matériaux. Le tableau en page ci-dessous vous présente ces applications.

Procedes FA medical a3dm magazine

Les technologies de fabrication additive telles que la stéréolithographie (SLA), l’impression 3D par fusion sélectif par laser (SLM – traduit de l’anglais Selective Laser Melting), la modélisation par dépôts de fil en fusion et l’impression 3D par fusion de faisceau d’électrons (EBM – traduit de l’anglais Electron Beam Melting) permettent la fabrication de pièces anatomiques complexes. Les procédés EBM et SLM utilisent des matériaux métalliques implantables et biocompatibles comme le chrome-cobalt, un titane pur qui offre une plus grande résistance à la corrosion, ou l’alliage de titane Ti6AI4V ayant une résistance plus élevée et un poids plus faible. D’autres matériaux biocompatibles sont disponibles sous forme de poudre comme le 316L en acier et le cobalt-chrome alliages inoxydables. Afin d’assurer la pureté des pièces et de préserver les propriétés des matériaux, le contrôle se fait dans une atmosphère ALM composée d’un gaz neutre et d’oxygène restreint1.

Les matériaux polymères les plus utilisés sont le polyétheréthercétone (PEEK) et le polyéthercétonecétone (PEKK), qui facilitent la production directe d’implants avec des propriétés d’ingénierie correspondant aux propriétés des tissus. Ils permettent également l’impression de modèles spécifiques pouvant être utilisés pour de la simulation en chirurgie, comme des guides ou des modèles. Le polyarylethercétones (PAEK) est de plus en plus utilisé depuis les années 1980 comme un biomatériau,en particulier pour des appareils orthopédiques et des implants rachidiens. Le PAEK est de la famille du PEEK. Il est résistant à la dégradation in vivo et aux dommages causés par l’exposition à des liquides2. Il peut être stérilisé pour des applications médicales, cependant il existe quelques limites techniques pour l’utilisation à grande échelle de matériaux PEEK : par exemple, peu de machines

SLS sont en mesure d’utiliser ce matériau3. Selon un article récent4 publié par l’Institut national américain des normes et de la technologie (NIST), certains procédés métalliques peuvent produire des matériaux de qualité supérieure à leurs homologues conçus par la fabrication traditionnelle. Par exemple, « les produits qui sont généralement fabriqués en alliage de titane par coulée d’investissement ont des propriétés inférieures à celles produites à partir de matériaux forgés ». En rejetant la méthode de coulée en faveur d’une méthode additive, les propriétés mécaniques peuvent être améliorées, tout en réalisant des formes complexes. À titre d’exemple, l’impression 3D par dépôt direct de métal (DMD) est dense et les propriétés mécaniques et physiques du matériau sont aussi bonnes, si ce n’est meilleures, que celles des matériaux forgés ou moulés. Des matériaux permettent de réduire l’épaisseur de coupe des implants et donc de diminuer leur poids. Un gain non négligeable pour le patient. De plus, concernant les implants médicaux, la personnalisation du produit offre au patient davantage de confort et une récupération plus rapide.

Dental_impression_3D_A3DM_Magazine

Les fournisseurs de matières premières

Les matériaux sont fournis par des sociétés spécialisées dans différents domaines et en particulier par les fournisseurs de systèmes. Alors que la céramique et les cellules biologiques sont encore à un stade initial, les principaux fournisseurs de métaux sont : Arcam (SE) qui fournit du titane Ti6AI4V, du titane Ti6AI4V ELI, du titane Grade 2, le cobaltchrome, l’ASTM F75 qui peut être utilisé pour le processus EBM ; la société allemande EOS, fournisseur du cobalt-chrome MP1, le stainlessSteel GP1, le PH1 et le 316L, du titane Ti64 – Ti6AI4V, du titane Ti64ELI qui peut être utilisé pour la GDT ; et la société américaine Optomec, un grand fournisseur de cobalt satellite 21, de titane 6-4 6-2-4-2, de l’acier inoxydable 316 i utilisé pour MLD / LENS. Concernant les matériaux polymères, EOS (DE) et

Stratasys (IL) sont les principaux fournisseurs. EOS (DE) propose également du PEEK HP3 – polyaryletherketone avec les processus SLS tandis Stratasys (IL) vend de l’ABS-M30i pour FDM. Oxford Performance Materials produit polyéthercétonecétone (PEKK), mais ne vend pas la poudre car ils produisent leurs propres dispositifs biomédicaux.

Le processus de fusion sur lit de poudre métallique

Bien que nous ne puissons pas fournir toutes les caractéristiques techniques des matériaux utilisés par les systèmes de fabrication additive dans le secteur médical, les principales caractéristiques utilisées par les systèmes EBM d’Arcam sont celles décrites dans le tableau ci-dessous.

Arcam_rapport_wholers_a3dm_magazine

Céramique et biomatériaux

De nombreuses entreprises offrent des systèmes de fabrication additive pour les matériaux céramiques. Ces matériaux sont principalement utilisés dans le secteur dentaire, médical et biomédical, le moulage, l’aérospatiale, mais aussi dans les appareils ménagers. Ces matériaux sont généralement résistants à la chaleur et recyclables. Les sociétés 3D Ceram, Materialise et Sculpteo offrent des services d’impression 3D pour les produits à base de céramique. À plus long terme, la bio-impression ou l’ingénierie tissulaire (impression d’organes) et l’impression de médicaments devraient devenir le principaldomaine.

Notes

1 – http://3dprint.com/52354/3d-print-medical-implants/

2 – Idea Consult (http://www.ideaconsult.be) et http://www.industrial-lasers.com/articles/2013/04/3d-printing-of-peekexpands-options-for-additive-manufacturing-i.html

3 – Idea Consult (http://www.ideaconsult.be) et https://www.nae.edu/Publications/Bridge/57865/58467.aspx

4 – http://www.nist.gov/tip/wp/pswp/upload/129_precision_additive_manufacturing_of_medical_device.pdf

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Gaëtan Lefèvre

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