Magazine Dimanche 7 mars 2021 - 20:30

Le rôle vital des gaz dans la fabrication additive de dispositifs médicaux

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Les gaz atmosphériques jouent un rôle essentiel, mais souvent invisible, dans les processus de fabrication additive à base de poudres métalliques : développement des matières premières, stockage, processus d'impression de base et finition. Un rôle trop souvent méconnu.

Par Pierre Foret et Sophie Dubiez-Le Goff, experts fabrication additive chez Linde

La fabrication additive est de plus en plus employée dans le développement de pièces de rechange, la production en petites séries et l’outillage dans les industries manufacturières comme l’aérospatiale, l’électronique, l’automobile et les appareils médicaux. Parmi les industries à la pointe de la fabrication innovante, le secteur médical est devenu un segment majeur qui stimule la croissance de la fabrication additive.

En fusionnant des poudres métalliques couche par couche à partir de techniques laser, la fabrication additive permet de construire des composants complexes qui seraient très difficiles, voire impossibles, à réaliser avec les méthodes traditionnelles de fabrication soustractives. Les avantages de cette technologie comprennent une plus grande liberté de conception et de personnalisation, une résistance et une fonctionnalité accrues des produits, un temps d’assemblage réduit pour les composants complexes, une production localisée, une mise sur le marché rapide, une réduction des pertes, une obsolescence réduite, une dépendance moindre vis-à-vis des fournisseurs traditionnels et même la création de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques et comportementales uniques.

Un paysage manufacturier diversifié

Le paysage de la fabrication additive métallique pour la production de dispositifs médicaux est très varié, avec diverses technologies développées pour répondre à différentes exigences de production, y compris les matériaux utilisés, la finition de surface et le coût. Parmi les principaux procédés de fabrication additive, nous trouvons la fusion laser en lit de poudre (L-PBF) par laquelle une source laser est appliquée sélectivement sur un lit de poudre, qui s'abaisse à mesure que chaque couche est complétée et qu’une nouvelle couche de poudre est répandue sur la zone de construction. Il y a également le dépôt d’énergie dirigé par laser (L-DED), utilisant un faisceau laser de grande puissance, connecté à un robot ou à un système de portique, pour former un bain de fusion sur un substrat métallique dans lequel on introduit la poudre ou le fil métallique. Citons encore la projection de liant (binder jetting), dans lequel un liant liquide est déposé sélectivement pour joindre les particules de poudre et appliqué en couches alternées avec le matériau à lier.

Une chose reste constante : le besoin de gaz atmosphériques de haute qualité. Le gaz inerte, généralement l’argon ou l’azote, est au cœur de la fonction de fabrication ainsi que des processus périphériques, y compris les activités de pré et de postproduction. Il est le média le plus souvent utilisé pour la trempe pendant le processus de traitement thermique sous vide.

La personnalisation, un changement de paradigme

L’utilisation de la fabrication additive dans le développement de dispositifs médicaux ouvre des possibilités extraordinaires en termes de personnalisation, que ce soit pour des implants, des prothèses, des outils ou d’autres dispositifs en fonction des dimensions et des besoins spécifiques du patient. Non seulement elle représente un saut technologique pour améliorer les soins médicaux, mais elle permet également de réduire considérablement les coûts des soins de santé. Le temps que les patients doivent passer sous les soins médicaux postopératoires peut être réduit ainsi que la nécessité de procéder à des opérations correctives ou supplémentaires. En outre, le passage de la fabrication de masse à la fabrication « à la demande » devrait entraîner une réduction de la consommation de ressources telles que les matières premières et l’énergie. Enfin, grâce aux connaissances acquises lors de son utilisation dans le prototypage rapide, la fabrication additive peut offrir un temps de développement de produit considérablement réduit.

Contrairement à l’approche « de masse » ou « de taille unique » qui était généralement la procédure standard jusqu’à récemment, la fabrication additive peut produire des composants basés sur des structures lattices uniques et complexes plus efficacement que par l’usinage soustractif traditionnel. Ces composants à multiples facettes visent à imiter les parties du corps humain qui peuvent mieux s’assimiler à la structure osseuse et tissulaire du patient, ce qui permet de réduire les rejets et d’accélérer la guérison. Ils peuvent également créer des finitions de surface tout à fait spécifiques et distinctives, qui peuvent améliorer le taux de réussite des procédures chirurgicales. Ils bénéficient en plus des récentes avancées dans le développement des matériaux – notamment des alliages métalliques innovants – qui peuvent améliorer la durabilité et les propriétés tribologiques (c’est-à-dire l’interaction entre les surfaces lorsqu’elles sont en mouvement) des implants tels que les prothèses articulaires.

En raison des immenses avantages que cette technologie présente pour l’industrie des soins de santé, le marché mondial de la fabrication additive de dispositifs médicaux devrait croître, selon le dernier rapport Research and Markets daté de mars 2020, à un taux de croissance annuel moyen d’environ 17 % entre 2019 et 2026.

Une chaîne de valeur de grande envergure

Le processus de production de dispositifs médicaux via la fabrication additive repose sur une chaîne de valeur étendue et complexe, chaque partie supervisant des aspects cruciaux du développement. Les implants doivent être conçus spécifiquement pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ou la tomographie assistée par ordinateur (CT) d’un patient. Il faut donc faire appel à des experts médicaux pour les procédures d’investigation initiales, l’imagerie corporelle et la consultation du patient. La conception d’un modèle virtuel doit ensuite être réalisée à l’aide de logiciels et de scanners 3D par des concepteurs CAO spécialisés. Une fois que les modèles sont approuvés par le chirurgien, la fabrication réelle peut commencer. Diverses technologies de fabrication additive, allant de la fusion laser à la projection de liant, sont utilisées pour construire les composants couche par couche. La pièce est soumise à plusieurs process de contrôle de la qualité – comprenant le nettoyage, la validation, les tests et la vérification après impression – avant d’être stérilisé, emballé et livré aux hôpitaux, aux cliniques orthopédiques et aux centres de réadaptation.

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