Ces dernières années, l’industrie de la fabrication de dispositifs orthopédiques a tiré parti de la technologie de prototypage rapide pour produire des implants spécifiques aux patients. Les méthodes de fabrication additive ont été de plus en plus utilisées pour produire des implants personnalisés en métal ou en PEEK pour l’arthroplastie de la hanche et la chirurgie de la colonne vertébrale. La technologie de fabrication additive (FA) pour le métal s’est avérée avantageuse en permettant des itérations de conception plus rapides, en minimisant le poids grâce à l’optimisation de la topologie et en permettant aux implants personnalisables de s’adapter à l’anatomie du patient, l’objectif principal étant d’améliorer l’ostéo-intégration.
L’ostéo-intégration, terme clé de cet article, est définie comme la capacité d’un implant artificiel à fusionner avec l’os au niveau moléculaire, améliorant ainsi la fonctionnalité, la résistance, la mobilité du patient et la sécurité.
Quelques considérations de conception qui affectent l’ostéo-intégration peuvent inclure, mais ne sont pas limitées à :
- Des matériaux qui limitent ou éliminent la possibilité que des molécules cytotoxiques soient déchargées de l’implant (par exemple, les ions de cobalt déchargés d’un implant de hanche en cobalt-chrome).
- Une qualité de surface ostéo-intégrative rugueuse et poreuse là où la pièce touche l’os, permettant un rapport de contact plus élevé et un meilleur « ancrage osseux »
- La géométrie de la pièce (et du matériau) qui créent une distribution uniforme de la charge, évitant une charge isolée sur une zone particulière de la pièce et/ou de l’os au fil du temps, ce qui peut entraîner une défaillance de la pièce.
Cependant, les surfaces ostéo-intégratives et les conceptions de pièces uniques sont de plus en plus difficiles à mettre en œuvre à mesure que la demande en FA métal augmente et que les limites de la technologie deviennent de plus en plus évidentes. À mesure que la FA métal entre dans la production de masse des implants orthopédiques, les coûts par pièce deviennent critiques et les fabricants doivent chercher à réduire ces coûts de manière créative, parfois au détriment de la qualité de la surface et de la résolution de la pièce. Par exemple, les fabricants peuvent réduire les coûts en utilisant des poudres plus grosses, des stratégies de numérisation laser plus rapides, des lignes de couches plus épaisses ou des méthodes de rechargement plus agressives. Ces problèmes sont exacerbés par les exigences strictes en matière de tolérance et de qualité de surface superfinie nécessaires pour que les implants présentent une résistance à la fatigue, une biocompatibilité et une ostéo-intégration suffisantes.
Heureusement, il existe peut-être une technologie capable d’atténuer certains de ces problèmes de fabrication pour les pièces imprimées en 3D en grande quantité. L’usinage électrochimique pulsé (en anglais Pulsed electrochemical machining – abrégé PECM) améliore la résolution des pièces et la qualité de la surface des implants orthopédiques en métal dans des volumes de pièces plus importants.
Comment le procédé PECM fonctionne
Le procédé PECM est une technique d’enlèvement de matière sans contact et non thermique qui utilise l’électrochimie, par opposition à la friction et/ou à la chaleur, pour enlever la matière de la pièce à usiner. Il fait circuler un fluide électrolytique chargé dans un espace microscopique entre l’outil (cathode) et la pièce (anode), et la proximité de l’outil et de la pièce est corrélée au taux d’enlèvement de la pièce. Pour ce faire, la cathode est façonnée à l’inverse de la géométrie souhaitée sur la pièce.
Ce fluide électrolytique remplit simultanément deux fonctions cruciales. D’une part, il sert de conducteur à la réaction électrochimique. Deuxièmement, le fluide agit comme un agent de rinçage qui élimine les déchets de la réaction et toute chaleur résiduelle susceptible d’affecter la conductivité locale de l’électrolyte.
La nature unique de ce procédé lui confère des avantages uniques. Par exemple, il permet d’effectuer simultanément l’usinage et la finition, car l’absence de chaleur ou de contact élimine la possibilité d’irrégularités de surface associées à d’autres procédés, telles que des couches refondues ou des bavures.
L’absence de chaleur ou de contact permet également au procédé d’éliminer en grande partie l’usure de l’outil. Le procédé PECM est donc idéal pour l’usinage de pièces en grande série et de caractéristiques identiques en tandem, avec une seule cathode personnalisée.
Le procédé PECM est principalement utilisé pour l’usinage de composants métalliques complexes dans les secteurs de l’énergie, de l’aérospatiale et des appareils médicaux. Il permet généralement d’usiner une pièce à partir d’une barre ou d’une forme quasi-nette. Toutefois, le procédé peut également être utilisé comme opération d’usinage secondaire ou de post-traitement sur des composants imprimés en 3D, et ses capacités uniques peuvent être particulièrement avantageuses pour les implants médicaux.
Fabrication additive et l’ostéointégration pour les cages vertébrales
La capacité de la FA à développer des pièces personnalisées spécifiques à chaque patient peut considérablement améliorer la sécurité, la mobilité et le confort du patient. Prenons un exemple rapide avec les cages vertébrales, un type d’implant orthopédique qui peut remplacer une ou plusieurs vertèbres.
L’une des considérations les plus importantes en matière de conception des cages vertébrales utilisées, par exemple, dans la chirurgie de la colonne lombaire, est d’éviter l’affaissement de l’implant, une sorte d’usure par fatigue au fil du temps. L’affaissement de l’implant dans une cage vertébrale inégale ou usinée de manière conventionnelle peut entraîner une pénétration partielle de la cage dans le plateau vertébral, ce qui peut avoir un impact sur l’intégrité structurelle de l’implant, réduire la mobilité du patient et provoquer des douleurs importantes.
Toutefois, grâce à la fabrication additive moderne, les ingénieurs et les chirurgiens peuvent produire une pièce qui maximise la zone de contact entre l’implant et le plateau vertébral (répartissant uniformément la charge), tout en évitant un implant trop grand qui entraverait la mobilité du patient. Une étude canadienne datant de 2022 a démontré ce point en évaluant la répartition des charges respectives des cages vertébrales fabriquées sur mesure et des cages vertébrales fabriquées de manière conventionnelle, et a finalement conclu que les cages fabriquées sur mesure et correspondant aux caractéristiques anatomiques du patient avaient une meilleure fonctionnalité, durabilité et ostéo-intégration.
Malgré ces avantages, la FA a des limites inhérentes qui peuvent perturber à la fois l’économie de la fabrication de ces pièces et leur fonctionnalité, et beaucoup de ces limites sont centrées sur la qualité de la surface.
Qualité de surface et implants
La qualité de la surface est cruciale pour la fonctionnalité et la sécurité des implants orthopédiques (ainsi que pour la plupart des autres dispositifs médicaux). Tout d’abord, une qualité de surface élevée est essentielle pour la sécurité et la durabilité des implants orthopédiques impliquant des frottements, tels que la « rotule » de la cupule acétabulaire d’un dispositif d’arthroplastie de la hanche. Non seulement une qualité de surface élevée réduit les frottements susceptibles d’incommoder le patient ou de limiter la durée de vie des composants, mais les matériaux contenant des ions potentiellement cytotoxiques (dont nous avons parlé plus haut) sont moins susceptibles de libérer ces particules si la qualité de la surface est plus lisse.
Une bonne qualité de surface est également plus sûre pour le patient d’un point de vue antibactérien. Le staphylococcus aureus (infection à staphylocoque) est la cause la plus fréquente d’infections périprothétiques car il adhère à l’implant dans un « biofilm ». L’un des principaux moyens d’éviter cette adhésion au biofilm consiste à utiliser des surfaces superfinies sur l’ensemble de l’implant (les surfaces ostéo-intégrées sont, comme on peut s’y attendre, plus sensibles au biofilm ; les chirurgiens peuvent appliquer un adhésif antibactérien sur la surface ostéo-intégrée de l’implant afin de s’assurer que l’os adhère d’abord à la surface).
Limites de la qualité de surface via la FA
Malheureusement, la technologie additive moderne a d’importantes limites ; elle ne peut pas produire des qualités de surface superfinies sur la plupart des composants de dispositifs médicaux sans un processus d’usinage secondaire. Les irrégularités de surface peuvent être causées par les lignes de couche elles-mêmes, le matériau refondu, les restes de la structure de support ou les particules de poudre. En outre, la plupart des procédés de FA ne permettent pas d’obtenir une résolution adéquate sur certaines caractéristiques, telles que les surfaces de la peau inférieure.
Ces limitations sont encore aggravées lorsque les fabricants de pièces métalliques imprimées en 3D utilisent des poudres plus grosses, des stratégies de numérisation laser plus rapides, des lignes de couche plus épaisses ou des méthodes de rechargement plus agressives afin de réduire les coûts pour la production de pièces en grande quantité.
Les limitations peuvent également être spécifiques à la pièce, comme dans le cas des cages vertébrales utilisées dans la chirurgie de fusion intersomatique lombaire mentionnée plus haut. Alors que certains aspects de la cage doivent présenter une surface poreuse et ostéo-intégrative, d’autres aspects doivent présenter une qualité de surface plus lisse, et ces caractéristiques combinées peuvent être difficiles à produire par les procédés de FA pour des volumes de pièces plus importants.
La solution PECM
Heureusement, le procédé PECM peut être capable d’atténuer bon nombre de ces limitations, en agissant à la fois comme une opération d’usinage secondaire et de finition pour les implants métalliques imprimés en 3D à grand volume, tels que les cages de fusion vertébrale, les dispositifs d’arthroplastie de la hanche et d’autres.
Tout d’abord, le procédé PECM peut servir d’opération d’usinage secondaire permettant aux pièces imprimées 3D d’atteindre une meilleure résolution, notamment sur les caractéristiques difficiles, telles que les parois minces et les surfaces de la peau descendante. Comme la plupart des procédés de FA métal ne peuvent atteindre qu’une épaisseur de paroi minimale d’environ 0,3 à 0,5 mm (0,012 à 0,020 pouce), un outil PECM personnalisé peut facilement réduire l’épaisseur de la paroi à <100 µm (0,004 pouce).
En outre, selon les données de Voxel Innovations, le procédé PECM peut améliorer la qualité de la surface des pièces métalliques imprimées en 3D de 5 à 10 µm Ra à moins de 0,5 µm, voire à 0,1 µm Ra. Ce procédé est aussi généralement plus rapide que les procédés conventionnels et peut reproduire ces caractéristiques à parois minces et à haute résolution potentiellement des dizaines de milliers de fois sans subir d’usure de l’outil.
Comme le procédé privilégie la conductivité électrique d’un matériau donné par rapport à sa dureté, le PECM est capable d’usiner des caractéristiques complexes dans des matériaux résistants couramment utilisés dans les implants métaux imprimés 3D, tels que les alliages de cobalt-chrome et les alliages de titane, y compris le Ti64.
Le PECM peut réaliser ces caractéristiques de haute résolution et de haute qualité de surface car le processus ne comporte pas de bavures, de couches refondues ou d’irrégularités de surface, et il est capable d’effectuer simultanément l’usinage et la finition, ce qui permet aux fabricants de gagner du temps.
Le PECM pourrait également utiliser une cathode personnalisée pour finir de manière sélective certains aspects d’une pièce médicale fabriquée de manière additive. Même si le procédé PECM ne peut pas reproduire les surfaces poreuses et ostéo-intégratrices sur les zones vertébrales d’une cage thoracique, par exemple, il pourrait à la fois finir de manière sélective les caractéristiques latérales et améliorer la résolution des pièces sur les surfaces de la peau inférieure dans des volumes de pièces plus importants.
Malgré la croissance exponentielle et la popularité des procédés de FA métal, et leur présence accrue sur le marché des dispositifs médicaux, les fabricants doivent se méfier de leurs limites. Ils doivent donc envisager une autre technologie de post-traitement capable de compléter les atouts de la FA et d’en atténuer les inconvénients. L’usinage électrochimique pulsé (PECM) peut être un outil capable d’améliorer la résolution des pièces et de créer des surfaces superfinies dans des volumes de pièces élevés.
A propos de l’auteur
Kirk Gino Abolafia est le responsable marketing technique de Voxel Innovations à Raleigh, en Caroline du Nord, aux États-Unis. Pour plus d’informations sur l’usinage électrochimique, consultez le portail éducatif de Voxel.
Cet article a été initialement publié dans le numéro de Mars/Avril de 3D ADEPT Mag.