News Dimanche 6 mars 2022 - 21:12

Fabrication additive et structures en treillis

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La fabrication additive apporte de nombreux avantages à l’industrie des dispositifs et produits médicaux. Parmi ceux-ci, les structures en treillis améliorent grandement les opérations chirurgicales ainsi que les résultats postopératoires. Toutefois, la technologie nécessite des compétences spécifiques, notamment dans la conception. Explication avec Vincent Nuttens, fondateur et P.-D.G. de 3D MEDICAL.

L'entreprise française 3D MEDICAL est un précurseur mondial dans la conception et l'application de structures en treillis dans le domaine des dispositifs médicaux implantables de façon permanente. Elle est également l'un des premiers fabricants à utiliser la technologie de fabrication additive en France. Vincent Nuttens, fondateur et P.-D.G. de 3D MEDICAL, a découvert le potentiel des structures légères dans le secteur médical et les a appliquées pour la première fois en 2014 sur des implants rachidiens produits en série.

Qu’apporte la technologie de fabrication additive à la production de dispositifs médicaux ?

La fabrication additive (FA) représente sans aucun doute une approche innovante de la production de dispositifs médicaux, avec de nombreux avantages tels que :

  • la rapidité de production depuis la conception initiale jusqu'au dispositif médical final,
  • la conception de structures qui ne peuvent être produites d'aucune autre manière, comme les structures trabéculaires,
  • l’adaptation d'un dispositif médical directement aux besoins spécifiques du patient,
  • etc.

Mais elle peut aussi représenter de nombreux défis à relever lorsqu'il s'agit de l'appliquer à la production de dispositifs médicaux, liés principalement à la technologie de fusion sur lit de poudre SLM (Selective Laser Melting).

Quelles sont les difficultés liées à cette technologie ?

Les principales difficultés que nous rencontrons sont liées :

  • à la qualification,
  • à la densité du matériau,
  • à la conception du support afin d'éliminer l'impact du procédé sur la géométrie de la pièce (déformation),
  • à la gestion du gaz inerte et à son influence sur les paramètres de production,
  • au réglage du laser,
  • et enfin, à la garantie de la propreté finale du dispositif médical.

Et les poudres...

De petits changements dans la qualité de la poudre peuvent avoir des conséquences sur la qualité du dispositif médical final, même si la poudre brute est conforme aux spécifications. Pour la sécurisation de la production, il est donc nécessaire de contrôler tous ces paramètres, non seulement la poudre brute, mais aussi l'influence du processus sur les propriétés de la poudre (composition chimique, rafraîchissement).

Vous relevez la difficulté dans la conception des supports. Pourquoi ?

La conception des supports est l'étape la plus critique et la plus essentielle de la SLM. Ces supports servent d'ancrage, dissipent la chaleur et empêchent la déformation thermique des pièces. Ils doivent donc être suffisamment solides pour conserver la géométrie des pièces et minimiser les mouvements des pièces – la résonance pendant le mouvement de la machine à recouvrir –, mais ils doivent rester fragiles et permettre leur retrait sans influence sur la surface de la pièce.

Et pour la conception finale du dispositif médical, notamment les structures en treillis ?

La technologie SLM permet de créer des structures poreuses radicalement différentes. La forme et la taille des pores sont parfaitement régulières, sans limite d'épaisseur. L'étude in vivo des structures poreuses réalisées en titane par SLM permet d'observer l'excellente ostéo-intégration de ce type de structure. Ces structures sont conçues de manière à mieux correspondre à la limite d'élasticité et au module d'élasticité de l'os hôte, et donc à éviter le stress shielding. Cela représente un avantage inestimable pour minimiser les éventuelles complications postopératoires et garantir la durée de vie requise de l'implant.

La propreté de la pièce finale doit être indiscutable. Elle n'utilise pas de supports de production, ce qui élimine la contamination potentielle provenant de ce type de produits chimiques.

La diminution du volume du matériau avec un effet positif sur la visualisation radiographique postopératoire est un avantage important ?

Les implants métalliques sont bien connus pour leur faible capacité d'imagerie par rayons X. Cela est dû à la densité du matériau. Lors d'une radiographie, les éléments de faible densité absorbent moins de radiations. Cela se traduit par une zone blanche ou claire sur l'image radiographique. De plus, les éléments denses, pendant l'absorption du rayonnement, projettent des ombres et empêchent donc de voir les matériaux environnants moins denses. Dans le cas des structures réticulaires, la densité est beaucoup moins importante, ce qui facilite le processus de radiographie.

Pouvez-vous nous expliquer vos paramètres de conception ?

Pour éviter l'oxydation, le processus SLM est réalisé dans une chambre avec un gaz inerte, ici de l'argon, qui permet la dilution de l'oxygène présent, et sert également à éliminer la suie et les particules d'éclaboussures provenant du processus de fusion. Le producteur doit assurer et surveiller un débit constant comme l'un des paramètres les plus critiques du processus. Pour obtenir des pièces parfaitement denses, les pistes construites doivent être continues et pénétrer le substrat suffisamment profondément pour assurer une connexion optimale entre les couches. Il y a une adéquation délicate entre le dépôt de la couche, la distance du laser (focus), le flux d'argon, les paramètres du laser (puissance, vitesse de balayage) et bien sûr la pièce de conception.

Actuellement, le problème est principalement lié à la propreté particulière des dispositifs médicaux à structure poreuse. Les limites pour les particules métalliques sans réactions toxiques étudiées, comme le Ti, ne sont pas définies. Le nettoyage des pièces de la poudre résiduelle se concentre principalement sur le nettoyage dans les nettoyeurs à ultrasons, mais avec de longs cycles de nettoyage, il y a un risque de dommages à la structure fine. La question de savoir si un nettoyage est suffisant reste donc ouverte.

La définition constante du flux par 3D MEDICAL permet une bonne répétabilité de la fusion, ainsi que des paramètres adaptés à la production qui respectent la conception individuelle de la pièce. En ce qui concerne le traitement post-fabrication, nous utilisons une combinaison parfaite d'influences physiques pour renforcer les propriétés mécaniques en supprimant les éventuels pores, vides, fissures internes. Enfin, pour garantir la propreté de nos pièces, nous utilisons des paramètres tels que la température du bain, la durée du cycle et le séchage, adaptés à la conception spécifique des dispositifs médicaux et aux exigences de la salle de nettoyage.

Tout ceci permet de laisser les pièces avec un faible apport, sans le cas alpha, et la densité et les propriétés mécaniques correspondant à l'usinage des pièces, conformément aux normes applicables (ASTM F3001-14).

Découvrez-en plus sur notre site Internet : www.3dmedical.fr.

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