Magazine Lundi 25 février 2019 - 07:00

Rencontre avec Anne-Françoise Obaton du Laboratoire national de métrologie et d’essais

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La fabrication additive s'est implantée dans le secteur dentaire. Elle permet notamment de réaliser des implants sur mesure, adaptés à chacun des patients, de réaliser des structures lattices qui favorisent la pénétration osseuse et de réaliser des guides chirurgicaux qui aident à positionner les implants. Ces applications nécessitent toutefois des services d'analyses, de mesures, de caractérisations et de contrôles. La caractérisation et les contrôles des implants réalisés en fabrication additive sont essentiellement réalisés par tomographie à rayons X (XCT). Anne-Françoise Obaton du Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) et Franck Thibault, responsable commercial des produits et solutions Tomographie chez Zeiss, nous expliquent la tomographie à rayons X et son application pour des implants dentaires.

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Ingénieure de recherche en métrologie pour la fabrication additive, Anne-Françoise Obaton travaille au Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE). Son rôle est d’étudier des méthodes de contrôle non destructif (CND), plus spécifiquement des méthodes de CND volumiques, qui permettent de caractériser les pièces réalisées en fabrication additive. Elle cherche également, à terme, à caractériser métrologiquement les méthodes de CND les plus prometteuses face aux spécificités de la technologie additive : pièces de grande complexité géométrique, contenant des structures internes, ou structures lattices ; pièces pour lesquelles le matériau et la pièce sont élaborés simultanément.

Le champ d'activité du Laboratoire national de métrologie et d'essais est étendu : recherches, analyses, certification, formation, assistance technique… Dans le cadre du projet européenne AdvanCT et du projet national FUI – I AM SURE, il travaille également à la caractérisation métrologique des tomographes à rayons X (XCT). Il est également impliqué dans le groupe de travail « tomographie » de la COFREND. Enfin, il coordonne et travaille à la caractérisation métrologique des implants réalisés en fabrication additive dans le cadre du projet européen MetAMMI.

Le LNE est donc impliqué dans la fabrication additive d'implants dentaires. En collaboration avec un chirurgien de la société Z3DLab, il étudie la colonisation osseuse des implants réalisés en fabrication additive. Il travaille par ailleurs en commun sur tous ces sujets avec les autres laboratoires de métrologie nationaux au niveau mondial. Anne-Françoise Obaton revient d'un séjour d'un an au NIST, le laboratoire de métrologie américain. Elle a également travaillé pendant plus de deux mois au sein des laboratoires de métrologie allemands, le BAM et le PTB.

Quels sont les avantages de la fabrication additive pour la conception d’implants dentaires ?

Par rapport à la fabrication dite « traditionnelle », la fabrication additive offre de nombreux avantages, qui ont permis à la technologie de s'imposer dans le secteur dentaire. Elle permet de réaliser des implants sur mesure, adaptés au patient. Elle permet de réaliser des structures lattices qui favorisent la pénétration osseuse, d'où une récupération plus rapide du patient. Enfin, elle permet de réaliser des guides chirurgicaux qui aident les chirurgiens à positionner les implants avec davantage de précision.

Comment peut-on contrôler ces pièces ayant des cavités internes ou des canaux ?

Les pièces conçues par fabrication additive sont, pour l’instant, essentiellement contrôlées par XCT (tomographes à rayons X), mais l’un de mes objectifs est justement de trouver des méthodes alternatives, notamment pour la fabrication en masse de pièces personnalisées. Néanmoins, je pense que l'XCT restera la méthode de référence et la méthode pour le FAI (first article inspection). 

Qu'est-ce que la tomographie à rayons X ?

La tomographie est une méthode de contrôle non destructif volumique permettant d'imager en 3D l'extérieur, mais également l'intérieur d'une pièce. Elle consiste, dans un premier temps, à sonder la pièce avec des ondes électromagnétiques (micro-ondes, ondes térahertz, rayons X) ou des ondes élastiques (ondes sonores, ondes ultrasonores) sous différents angles de vue, tout en détectant l'interaction de ces ondes avec la pièce pour chaque angle indépendamment (acquisition de projections pour chaque angle). Dans un second temps, ces projections sont traitées numériquement avec un algorithme afin de reconstruire la pièce en volume. Les ondes les plus utilisées en tomographie sont les rayons X, car la résolution spatiale des images est bien meilleure qu'avec les autres ondes. En XCT, c'est l'atténuation des rayons X à travers la matière que l'on détecte, le plus souvent avec un détecteur plan composé d'une matrice de pixels, les acquisitions de projections se faisant généralement sur 360°.

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Photographie de la position de l’implant dans l’os devant le tube à rayons X avant la tomographie.

Un tomographe comprend une source (source de laboratoire ou radiation synchrotron), un capteur qui détecte l'interaction entre la pièce et les ondes (atténuation, réfection, diffusion, diffraction) et une table de rotation sur laquelle est positionnée la pièce à caractériser.

Quels sont les contrôles réalisés (géométrie, poudres non fusionnées…) ?

Les images de tomographie montrent des nuances de gris qui correspondent à l'atténuation des rayons X à travers la pièce, atténuation qui est proportionnelle à l'épaisseur et à la densité de la matière traversée. Elles permettent des contrôles dimensionnels et géométriques, des comparaisons entre CAO et scan X (conformité au modèle), des contrôles de poudre non fusionnée et des contrôles de défauts.

Quelles sont les autres méthodes de contrôles, leurs avantages et leurs inconvénients ?

Pour l'instant aucune autre méthode de CND ne permet d'avoir une aussi bonne résolution que l'XCT. En ne considérant que les méthodes de volume, on peut présenter les suivantes.

  • La tomographie térahertz (THz) : les ondes THz ne traversent pas le métal, mais la tomographie THz est appropriée pour le polymère et la céramique. La résolution des images n'est pas comparable à celle obtenue par rayons X.
  • La tomographie micro-onde : idem que pour les ondes THz, mais la résolution est encore moins bonne.
  • Les tomographies sonore et ultrasonore ont été étudiées à une époque, mais mises de côté. Ne faudrait-il pas reprendre ces études pour la fabrication additive ? Il semblerait que la méthode ultrasonore multiéléments (phased array) combinée à une méthode d'acquisition dite « full matrix capture » (FMC) et à une méthode de reconstruction basique dite « total focusing method » (TFM) soit relativement prometteuse. Cependant, il faudrait perfectionner la reconstruction pour améliorer la résolution spatiale et développer des outils de traitement du signal plus poussés pour simplifier l'interprétation des images. Les méthodes par ultrasons conventionnelles ne sont pas à la hauteur.
  • Les méthodes par résonance acoustique sont des méthodes globales (elles ne fournissent pas d'information sur l'emplacement du défaut : la pièce est simplement « bonne » ou « mauvaise ») avec lesquelles nous avons déjà obtenu des résultats très prometteurs, notamment avec des structures lattices. Ce sont des méthodes statistiques, par comparaison, nécessitant un nombre important de pièces de référence dites « bonnes ». Il est cependant nécessaire de développer des outils d'analyse des résultats plus performants, afin de pouvoir trier les pièces de façon plus précise.
  • Les méthodes par résonance acoustique non linéaire sont à explorer car elles permettraient de détecter des défauts plus petits que les autres méthodes de résonance acoustique linéaire (ci-dessus). Autre avantage : elles ne nécessitent pas un nombre important de pièces de référenc

Enfin, il faut évoquer les contrôles en ligne et in situ dans les machines de fabrication additive – contrôles thermiques, acoustiques, ultrasonores, optiques – qui se développent de plus en plus (encore en phase de développement et de validation). Ils ne permettront pas de s'affranchir complètement des contrôles post-fabrication, mais permettront de réduire les défauts en phase de fabrication s'ils sont combinés à des boucles de rétroaction, et de réduire ainsi les rebuts de pièces.

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