Techniques de production Production hybride pour la technologie médicale

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Les spécialistes du développement de Mikron Tool à Agno, en collaboration avec DMG MORI et le soutien des experts en lubrifiants réfrigérants de Motorex, ont mis au point un processus de fabrication hybride afin d'optimiser la fabrication d'une « plaque de base glénoïde » (composant en titane d'une prothèse d'épaule inversée sans ciment).

À cette fin, un processus initial de tournage-fraisage, suivi d'un processus par fusion laser 3D et d'un usinage final avec un centre d'usinage a été mis en place. Le procédé hybride a le potentiel de s'imposer dans le domaine de la fabrication de prothèses. Par rapport à d'autres méthodes, ce procédé apporte des avantages économiques et qualitatifs.

Initialement, Mikron Tool, DMG MORI et Motorex ont testé et comparé différentes méthodes de production pour un composant à structure complexe d'une prothèse d'épaule en titane :

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• Usinage par enlèvement de copeaux, suivi d'un processus d'application de revêtement (hydroxyapatite ou projection de couches de titane).

• Construction purement additive avec post-usinage CNC.

• Fabrication hybride, une combinaison des deux méthodes précédentes.

Ils ont présenté ce dernier processus de fabrication dans le cadre des « Medical Days » 2023 au Technology Center de Mikron Tool à Agno.

Les étapes de productions nécessaires ont été réalisées avec les machines de production suivantes :

• Usinage avec NTX 1000 : fraisage-tournage-perçage

• Fusion laser avec LASERTEC 30 DUAL SLM : production additive

• Post-usinage avec DMP70 : finition par fraisage, perçage et taraudage

Géométrie complexe : structure de surface spécifique

La géométrie de la plaque de base glénoïde est complexe, le matériau utilisé, le titane grade 5 ELI, est exigeant en termes de technologie d'usinage. La surface de la prothèse tournée vers l'omoplate doit présenter des structures poreuses afin d'offrir au matériau osseux une bonne matrice pour la croissance respectivement l'intégration dans la structure métallique. Au centre de la plaque de base glénoïde se trouve une broche creuse qui est fixé à la glénosphère par un ajustement serré. Elle sert d'ancrage primaire stable de la prothèse dans l'os et nécessite une surface spécifique pour l'ostéointégration. Selon la conception de la prothèse, l'ancrage peut être renforcé par une vis centrale qui passe à travers la broche creuse.

Interfaces parfaitement adaptées les unes aux autres

La combinaison de l'usinages CNC et de la production générative a posé quelques défis aux spécialistes de Mikron Tool et de DMG MORI. Afin de garantir la qualité finale souhaitée tout en maintenant une rentabilité élevée, il était essentiel de développer un flux de travail optimal pour les différentes étapes de production Laser et d'harmoniser parfaitement la productivité des différentes machines.

La programmation des pièces, avec ses interfaces entre la fabrication additive et l'usinage, joue un rôle clé. La combinaison du logiciel CNC « Esprit » et du logiciel du laser 3D « Celos » permet une intégration parfaite de la production additive et de l'usinage.

Transfert direct des données pour l'impression 3D dans le programme CNC

Ces solutions logicielles permettent à l'utilisateur de transférer les données spécifiques pour l'impression 3D directement dans le programme CNC pour l'usinage. Il est ainsi possible de modifier des éléments tels que des surfaces et concevoir ou compléter des structures de soutien.

Pour les zones qui doivent être reprises, il détermine les surépaisseurs afin de pouvoir les usiner de manière optimale par la suite. Le fichier est ensuite importé dans le système de CAO de conception et édité. Cela permet de créer des processus continus, de minimise les temps d'usinage et augmente la fiabilité. Un processus de production sûr est garanti.

Définition et déroulement du processus de fabrication hybride

Sur la base des résultats des tests individuels précédemment éffectués (usinage et impression 3D), le déroulement du processus hybride a été défini comme suit :

• Enlèvement par copeaux ;

• Impression 3D SLM ;

• Finition par enlèvement par copeaux.

Il a été décidé, comme première étape, de fabriquer en série le corps de base plat du glénoïde, y compris les trous de vis et un perçage central fileté à partir de la barre avec le centre CNC NTX 1000.

Comme deuxième pas, la construction du tenon creux et de la surface d'implant nécessaire a été réalisée par fusion laser directement sur la surface aplatie du corps de base préfabriqué. Cette approche a été choisie pour réduire le surplus de matériaux et le temps de production. Un autre avantage : le post-usinage avec le centre DMP70 a pu être fortement réduit par rapport à la production purement additive. Seuls les profilés ont dû être finis et le tenon creux a dû être fileté.

Une phase de préparation exigeante

Afin d'optimiser le flux de production, il était nécessaire d'utiliser la pleine capacité de la « LASERTEC 30 DUAL SLM », qui permettait le montage de 56 semi-produits sur une plaque de serrage. Ce support était spécialement conçu, doté d'un nombre correspondant de poches aux dimensions exactes pour recevoir les pièces glénoïdes.

Positionnement exact du corps de base pour l'impression 3D

Afin de garantir la plus grande précision possible lors de l'application du matériau, les inserts ont dû être vissés très soigneusement à la plaque de support. Un filetage supplémentaire a été réalisé dans le corps des pièces à l'aide du NTX 1000. Pour un alignement uniforme et précis des pièces sur la plaque de support, une rainure d'orientation supplémentaire a été réalisée pour chaque nid. La contreforme correspondante a été fraisée dans les creux de la plaque. La position angulaire des corps de base a ainsi pu être définie avec précision.

Précision de positionnement 50 µm

Après avoir fixé la plaque de support dans la chambre de pression du LASERTEC 30 DUAL SLM, il était de la plus haute importance de déterminer la position exacte des pièces sur lesquels l'application du matériau devait avoir lieu. Pour une application précise du matériau, les lasers doivent être réglés avec précision. Cela nécessite un processus d'étalonnage qui comprend les étapes suivantes :

• Tout d'abord, le point zéro de la zone d'usinage est déterminé avec précision. Ce point sert de référence pour tous les positionnements et les post-usinages.

• Ensuite, le référencement automatique est effectué en déplaçant la tête laser vers les positions prédéfinies.

• Un dispositif de mesure intégré contrôle les positions réelles des pièces, détecte les écarts et génère les données de correction correspondantes afin de garantir un positionnement de haute précision.

Le calibrage garantit que l'usinage par laser est effectué au plus haut niveau de qualité et que les pièces créées par fusion laser correspondent aux spécifications souhaitées et présentent une qualité élevée. Dans cet exemple, le calibrage a permis d'obtenir une précision de position des composants disposés de 50 µm.

À propos de la maniabilité des pièces : pour la finition, la plaque de support est directement fixée dans le centre d'usinage DMP70, sur lequel est effectuée la finition par enlèvement de copeaux pour tous les implants.

Le processus de fabrication hybride développé dans le centre d'application de Mikron Tool a été conçu de telle sorte que les trois machines utilisées (NTX 1000, SLM 3D, DMP 70) permettent d'atteindre un output de 560 pièces par semaine.

Résumé du procédé

Voici encore une fois les étapes d'usinage et le nombre de travail à équipe :

• Opération 1 : pré-usinage avec la NTX 1000 en deux équipes.

• Opération 2 : impression 3D avec la LASERTEC 30 DUAL SLM en trois équipes.

• Opération 3 : usinage finition avec la DMP 70 en une équipe.

Les spécialistes de Mikron Tool et de DMG MORI ont comparé cette méthode de fabrication avec les autres procédés testés, rappelés ici :

• Usinage par enlèvement de copeaux suivi d'un revêtement pour l'ostéointégration.

• La construction complète de la plaque de base glénoïde est réalisée par un procédé SLM en 3D, suivi d'un ultérieur usinage le un centre d'usinage.

Le procédé de fabrication hybride de la prothèse d'épaule, développé par Mikron Tool et DMG MORI, avec le soutien de Motorex, s'avère être le processus idéal au point de vue économique et précision.

L'économie de coûts de la fabrication hybride pour un lot de 1000 pièces est rapport à :

• 4 %, par la production avec usinage et revêtement.

• 9 %, par rapport au procédé additif avec post-usinage.

Conclusion

Il ne fait aucun doute que la production purement additive aura à l'avenir un impact considérable sur toute une série de processus de production dans l'industrie de transformation des métaux. L'un des avantages réside dans la grande liberté géométrique qui permet de fabriquer des formes et des structures de pièces qui ne sont réalisables qu'à grands frais ou pas du tout avec des procédés d'enlèvement de copeaux.

Dans la symbiose de la production additive et de l'usinage par l'enlèvement de copeaux, le succès économique dépend fortement des exigences spécifiques de la pièce. Dans ce projet, il s'est avéré extrêmement avantageux que la surface de l'implant produit par fabrication additive présente d'excellentes propriétés. Elle est non seulement plus durable, mais elle possède également une structure beaucoup plus stable que les revêtements appliqués.

Par rapport à l'usinage CNC, la précision dimensionnelle est plus faible avec la technique de fusion laser, raison pour laquelle les étapes de post-usinage ne peuvent pas être totalement exclues. L'usinage CNC est nettement plus précis (champ de précision de 0,05 à 0,005 mm). De plus, les processus sont plus répétitifs quant à leur précision et produisent d'excellents états de surface.

Ceux qui s'intéressent concrètement à l'étude peuvent s'adresser directement à Mikron Tool par email et demander le whitepaper qui présente en détail les trois procédés et en montre les avantages et les inconvénients. MSM

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