Utilisation des lasers dans l'industrie médicale Un point sur la fabrication des implants

Auteur / Rédacteur: Source : Aerotech / Marina Hofstetter

Fabriquer des implants en céramique de haute qualité nécessite des outils de précision pour le micro-usinage. Dentalpoint AG utilise un système de fabrication Aerotech avec scanner Galvo afin d'usiner une rugosité microscopique au laser sur les meules. Le robot de manutention et le poste de vision sont également pilotés par le contrôleur.

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Autant de broches que possible sur un minimum de surface : les implants sont produits sur des machines CNC compactes.
Autant de broches que possible sur un minimum de surface : les implants sont produits sur des machines CNC compactes.
(Source : Aerotech)

La société Dentalpoint AG produit des implants dentaires en céramique de haute qualité depuis 2006 et fait partie des pionniers dans ce secteur. Le premier système d'implants en deux parties en céramique blanche haute performance a atteint sa maturité industrielle en 2009. Sous l'appellation commerciale Zeramex, il est produit à Spreitenbach, en Suisse, pour être ensuite vendu à des clients en Europe, aux États-Unis et en Asie. Les clients des implants en céramiques à 100 % exempts de métal avec raccord vissé sont principalement des dentistes, des laboratoires dentaires, des techniciens dentaires et des distributeurs de produits médicaux.

« Par rapport aux implants en titane, notre variante en céramique en deux parties présente l'avantage d'être très esthétique et naturelle grâce à sa couleur blanche, d'être absolument compatible biologiquement et d'avoir une excellente ostéo-intégration », explique Philip Bolleter, directeur technique, responsable de la production et de la R&D chez Dentalpoint depuis sa création. Qu'il s'agisse d'une restauration dentaire d'une dent individuelle, de bridges, sur barres ou télescopique, Zeramex couvre toute la gamme des possibilités de restauration avec ses implants en céramique. La version la plus récente est l'implant en céramique Zeramex XT avec raccord à vis réversible, qui, selon le fabricant, offre une flexibilité prothétique maximale, en particulier dans la région antérieure.

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Fabriquer soi-même ses outils de précision

En principe, les implants se composent d'une vis au niveau de la racine et d'un embout en céramique qui est disponible en trois tailles standard, proposant un diamètre ou une longueur différents. L'adaptation individuelle est alors réalisée chez le dentiste. L'implant en céramique Zeramex XT est fabriqué à partir de dioxyde de zirconium ATZ fortement durci. Cette céramique à haute résistance va pouvoir être utilisée pour fabriquer des implants et des piliers de haute précision micrométrique, afin qu'ils puissent être reliés entre eux avec un ajustement parfait et sans contrainte. « Le processus de fabrication est assez fastidieux, présuppose un large savoir-faire dans la production d'implants et nécessite un haut degré d'exactitude géométrique et de précision », explique Philip Bolleter. Les pièces sont fabriquées sur des machines CNC avec des meules sur tiges diamantées pour un usinage dur, et la forme de la vis est obtenue à partir d'une ébauche. Or pour pouvoir fabriquer les implants, le fabricant a besoin d'outils extrêmement précis, avec des tolérances inférieures à 2 μm. Une technologie laser de pointe est donc utilisée pour d'une part usiner, profiler, ajuster, couper en longueur et structurer des petits plots (diamètres de 0,5 mm à 3 mm), et d'autre part pour usiner les roues de meulage, dont les ébauches ont un diamètre allant jusqu'à 20 mm et une longueur comprise entre 1 et 10 mm. Le système laser est également utilisé pour créer des prototypes d'implants dentaires et des plus petites quantités ne justifiant pas d'utiliser une machine CNC. Le support possède un trou dans lequel on fixe soit l'outil soit l'implant ensuite usiné au laser.

Système de fabrication avec tête Galvo pour le micro-usinage

« Nous accordons une valeur particulière à nos outils, car plus nous les fabriquons avec précision, plus les implants eux peuvent être produits avec précision », explique le directeur technique. C'est pour cette raison qu'il avait déjà investi dans un système d'Aerotech en 2016. Le fabricant est réputé pour ses systèmes de positionnement de haute précision avec technologie laser intégrée.

Philip Bolleter se souvient très bien des premières discussions avec Aerotech : « Nous n'avions aucune expérience avec la technologie laser et le fait de devoir en plus l'intégrer dans un système de fabrication constituait un grand défi. Nous étions conscients qu'il n'existait pas de système standard clé en main avec laser intégré, mais nous voulions quand même un fournisseur qui puisse couvrir un spectre aussi large que possible. » Avec Aerotech, ils ont trouvé le fournisseur qui était en mesure de mettre en œuvre l'idée du système de production souhaité. « Commande CNC, entraînements linéaires, axes, scanner Galvo pour le laser, tout provenait d'une seule source et avec un seul interlocuteur vraiment compétent », ajoute M. Bolleter. La partie mécanique complète avec entraînement linéaire, axes et logiciel de commande A3200 proviennent d'Aerotech, la cartérisation et le reste des périphériques ont été assemblés par l'équipe de Philip Bolleter. En outre, un robot de manutention fut intégré ainsi que d'autres composants supplémentaires, comme par exemple un système de mesure optique pour l'inspection au cours du processus. L'avantage est que le même contrôleur Aerotech peut être utilisé pour chaque fonction. « Ce qui était un autre point en faveur du système Aerotech. Nous pouvons à tout moment ajouter des périphériques sans avoir besoin d'acheter un nouveau logiciel de commande, par exemple si nous voulons intégrer une interface Profibus ou un axe piézo supplémentaire. Nous sommes vraiment flexibles et pas du tout limités », déclare Philip Bolleter avec enthousiasme.

Sept axes pour un usinage au laser flexible

Adrian Hunn, PDG de Dentalpoint, note que la sensibilisation accrue de la population à la santé entraîne actuellement une augmentation de la demande pour les produits Zeramex. De nouveaux produits tels que l'implant Zeramex Small Base 3,5 mm ont été développés spécifiquement pour répondre aux besoins des clients. Cependant, le système de fabrication était au maximum de ses capacités. C'est la raison pour laquelle la société a investi dans un deuxième système Aerotech, qui fonctionne aujourd'hui 24h/24, 7 jours sur 7. L'expérience acquise avec le premier système, dans lequel le laser structurait par le haut, fixé sous la poutre granit, a été intégrée au développement.

C'est pourquoi le fabricant a décidé de commander un nouveau système avec une trajectoire de faisceau fixe. Le scanner Galvo est monté de manière fixe et la pièce à usiner se déplace.

Les axes et le scanner laser sont vissés de manière fixe sur le granit. « En utilisant un scanner fixe et une pièce d'usinage mobile, nous avons été en mesure de réduire l'installation à environ ¼ de la surface de base et ce avec un débit, une qualité et une précision améliorés », précise Philip Bolleter. Le faisceau laser est guidé latéralement et les cinq axes de pivotement mécaniques reposent horizontalement sur la plaque de base, ce qui rend le système hautement compact. Les axes sont conçus pour répondre aux exigences de précision définies. Avec la commande Aerotech A3200, les sept axes peuvent être utilisés simultanément. La flexibilité d'usinage est uniquement limitée par le dispositif de serrage. Le défi pour Aerotech était de réaliser une trajectoire de faisceau fixe, malgré la grande compacité de l'ensemble du système de fabrication. « Notre souci principal était la compacité de la machine, avec des pièces d'usinage de seulement 3-4 grammes. Et bien que le système soit maintenant très compact, il offre les mêmes performances avec la même haute précision et en outre un meilleur débit », souligne Philip Bolleter. L'ancien système nécessitait beaucoup d'espace au sol, le nouveau tient pratiquement sur une palette Euro. « Un autre avantage pour nous est le fait que le système, avec ses 0,8 sur 1,2 mètre, soit mobile. Il peut être déplacé n'importe où au sein de notre production à l'aide d'un chariot élévateur et être remis en service de manière plug-and-play. »

Pour l'usinage d'une pièce, le système de fabrication est chargé par un robot de manutention. Ce dernier remet la pièce à usiner aux pinces de serrage pneumatiques et la positionne grossièrement par rapport au faisceau laser. Le réglage en finesse est ensuite effectué par les deux axes de réglage optiques dans une plage d'1 à 2 mm. Le temps d'usinage dépend de ce qui est usiné et de l'importance du volume à enlever. Si un seul disque de meulage doit être profilé ou dressé, cela prend entre 10 et 15 minutes, alors que le découpage au laser d'une meule sur tige de fil plus large à partir d'une ébauche prend environ 30 à 45 minutes. La partie qui demande le plus de temps est la fabrication d'un prototype, par exemple un implant complet avec filetage extérieur à partir de l'ébauche en céramique. Les tests et les prototypes sont réalisés pendant la journée, afin que l'installation puisse fonctionner sans interruption et sans problème pendant la nuit et le weekend pour la production d'outils. Un système de caméras a également été installé pour surveiller le processus à distance.

Philip Bolleter conclut : « Le nouveau système est conçu de façon à ce que nous ayons encore des capacités ouvertes de fabrication. Grâce à l'exploitation des deux systèmes Aerotech, nous disposons désormais de réserves suffisantes pour pouvoir couvrir la demande croissante d'implants en céramique dans la médecine dentaire. »

MSM

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