Soutenance mémoire
Exigences mécaniques
Bien que les mousses métalliques destinées pour des applications orthopédiques soient majoritairement conçues pour supporter des charges de compression, l’étude du comportement en flexion, tension et torsion reste inévitable en raison des chargements multiaxiaux que vont subir les implants. De manière générale, le module de Young des mousses métalliques doit se rapprocher le plus possible de celui des tissus osseux dans le but de minimiser le phénomène de déviation des contraintes. Il s’agit de l’une des principales exigences mécaniques à considérer. De plus, la résistance mécanique des mousses métalliques (limite d’écoulement et contrainte ultime) se doit d’être plus élevée que celle des tissus osseux afin de prévenir la défaillance de l’implant avant celle des os (Bansiddhi et al., 2008; Lefebvre, 2013). Les mousses métalliques doivent également posséder une excellente résistance à la fatigue sachant que, par exemple, l’articulation de la hanche subit environ 1.1 million de cycles de marche par année. Il est cependant bien connu qu’en raison de l’hétérogénéité de la structure poreuse, et donc à l’inévitable présence de concentrateurs de contrainte, la résistance en fatigue des matériaux poreux est plus faible que celle des matériaux denses (Yue, Pilliar et Weatherly, 1984).
Cependant, Brenne, Niendorf et Maier (2013), Cook et al. (1988) et Van Hooreweder et al. (2016) mentionnent que certains traitements thermiques (recuits et compression isostatique à chaud) peuvent être appliqués aux mousses métalliques dans le but d’améliorer leur résistance en fatigue. Van Hooreweder et al. (2016) mentionnent également qu’un post traitement du fini de surface par attaque chimique permet d’adoucir les concentrateurs de contrainte et donc d’améliorer la durée de vie en fatigue des structures poreuses. Lors de l’insertion de l’implant au sein des tissus osseux, un ajustement serré (press-fit en anglais) permet d’offrir une stabilité initiale adéquate évitant ainsi d’utiliser du ciment osseux lors de l’intervention chirurgicale. Par conséquent, il est nécessaire que la mousse métallique possède une bonne résistance à l’usure pour empêcher l’arrachement (ou le détachement) de particules ou débris métallique pouvant causer des problèmes usures au sein des articulations (third-body wear en anglais) ou des réactions inflammatoires à corps étrangers (Lefebvre, 2013).
Métallurgie des poudres
Parmi les nombreux procédés impliquant la métallurgie des poudres, il est possible d’en mentionner quelques-uns. Le frittage de poudres métalliques avec matériau espaceur (space holder method en anglais) se déroule en quatre étapes de fabrication (Figure 1.2). La première étape consiste à mélanger les particules métalliques et d’espaceurs. La deuxième étape consiste à compacter (de façon isostatique ou uniaxiale) le mélange poudres métalliques-espaceurs. Le produit résultant de cette compaction est appelé le produit vert et possède une certaine intégrité structurelle lui permettant d’être manipulé et usiné. La troisième étape consiste à traiter thermiquement le produit vert (à basse température) afin de retirer le matériau espaceur par pyrolyse. Le produit brun est alors obtenu. Enfin, la quatrième étape consiste à fritter le produit brun (la poudre compactée et vide d’espaceurs) à l’aide d’un traitement thermique à haute température (en deçà de la température de fusion du matériau). Il est alors possible d’assister à la consolidation des particules métalliques et à l’obtention d’une mousse métallique dont l’intégrité structurelle est maximale (Imwinkelried, 2007; Niu et al., 2009; Rivard et al., 2014; Wang et al., 2009). Ces dernières études ont d’ailleurs démontré la possibilité d’obtenir des mousses métalliques biocompatibles ayant des propriétés mécaniques similaires à celle des os humains tout en présentant une morphologie adéquate pour la croissance osseuse.000
Fabrication additive métallique
L’organisme ASTM International propose une norme permettant de catégoriser l’ensemble des procédés de fabrication additive (FA) selon sept grandes familles (ASTM F2792-12a, 2015). La famille la plus répandue pour la fabrication additive de structure métallique poreuse est la fusion sélective sur lit de poudre (powder bed fusion en anglais) utilisant soit l’énergie d’un faisceau laser (selective laser melting ou SLM en anglais) ou d’un faisceau d’électrons (electron beam melting ou EBM en anglais) pour la fusion des poudres métalliques. La fabrication typique d’une pièce par SLM est réalisée grâce à la fusion successive de couches composées de poudres métalliques et empilées les unes par-dessus les autres (Figure 1.5). Sur chacune de ces couches, la consolidation de certaines régions est réalisée en utilisant l’énergie thermique d’un faisceau laser contrôlé par un système de déflexion de miroirs.
Les couches physiquement reproduites lors de la fabrication sont obtenues à partir d’un modèle numérique sectionné en plusieurs tranches et conçu à partir d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Il est à noter que dans le but d’éviter les risques de feu et d’explosion, la fusion des particules métalliques doit être réalisée sous une atmosphère inerte d’argon ou d’azote (pauvre en oxygène). Ceci permet également de minimiser l’oxydation des composants lors de leur fabrication. Les quatre principaux paramètres de fabrication de ce procédé sont la puissance du faisceau laser, la vitesse du faisceau laser, la distance entre deux parcours du faisceau et l’épaisseur des couches de poudre métallique (Kruth et al., 2005; Vandenbroucke et Kruth, 2007). Lorsque combinés, ces paramètres déterminent la densité d’énergie du faisceau laser.
Propriétés morphologiques
En premier lieu, la morphologie des structures poreuses peut être classifiée en deux familles, soit les structures poreuses ordonnées (régulières) et stochastiques (aléatoires). Le choix d’une ou l’autre des familles va avoir une influence significative sur les caractéristiques morphologiques et mécaniques. Les métriques à considérer lors de la caractérisation de la morphologie des structures poreuses sont nombreuses, mais les principales sont la porosité, la taille, la forme et la distribution des pores, la surface spécifique et la perméabilité. Plusieurs méthodes destructives et non destructives peuvent être employées pour la caractérisation des différents aspects morphologiques des mousses métalliques (Banhart, 2001; Rouquerol et al., 1994). La porosité peut être mesurée à l’aide d’une simple pesée à sec si le volume apparent de l’échantillon est connu. Sinon, des méthodes standardisées fondées sur le principe d’Archimède peuvent également être utilisées (ASTM B962-15, 2015; ASTM C20-00, 2015). Même si elle n’est pas directement destinée pour les mousses métalliques, la norme ASTM C20-00 (2015) est particulièrement intéressante puisqu’elle permet de caractériser en partie l’interconnectivité des pores en fournissant des données sur la porosité ouverte et fermée d’un échantillon.
Les méthodes d’analyse d’image comme la stéréologie sont couramment utilisées pour caractériser la taille, la forme et la distribution des pores ainsi que la surface spécifique des structures poreuses (Abell, Willis et Lange, 1999; Rivard et al., 2014). La fonction Analyze Particles du logiciel ImageJ (Rasband) spécialisé en analyse d’image ou la fonction Regionprops du Image Processing Toolbox de MATLAB permettent d’effectuer de telles analyses à partir d’une coupe transversale binarisée d’une structure poreuse (voir la Figure 1.6 pour une métallographie typique d’une mousse de titane observée par microscopie optique). Il est à noter que la porosimétrie par intrusion de mercure peut également être utilisée pour mesurer la taille, la forme et la distribution des pores (Rivard et al., 2014) ainsi que la perméabilité (Zhiye et Qinhong, 2013) des structures poreuses.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction aux tissus osseux
1.2 Exigences fonctionnelles des structures poreuses pour les applications médicales
1.2.1 Exigences biologiques
1.2.2 Exigences mécaniques
1.2.3 Discussion
1.3 Fabrication des structures poreuses
1.3.1 Métallurgie des poudres
1.3.2 Fabrication additive métallique
1.3.3 Discussion et outils utilisés
1.4 Caractérisation des structures poreuses
1.4.1 Propriétés morphologiques
1.4.2 Propriétés mécaniques
1.4.3 Discussion et outils utilisés
1.5 Modélisation des structures poreuses
1.5.1 Approche de modélisation multiéchelle
1.5.2 Relations de mise à l’échelle
1.5.3 Génération de la morphologie des structures poreuses
1.5.4 Discussion et outils utilisés
CHAPITRE 2 MODELING OF METALLIC FOAM MORPHOLOGY USING THE REPRESENTATIVE VOLUME ELEMENT APPROACH: DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION
2.1 Avant-propos
2.2 Résumé
2.3 Abstract
2.4 Introduction
2.5 Characterization of the foam morphology (metrics)
2.6 Modeling the foam morphology
2.6.1 The modeling algorithm
2.6.2 Minimum size of the RVE
2.7 Validation
2.7.1 Foams manufacturing
2.7.2 Experimental validation
2.8 Discussion
2.8.1 Convergence of the RVE metrics
2.8.2 Mapping of the RVE
2.8.3 Experimental validation
2.8.4 Medical applications
2.8.5 RVE creation time
2.9 Conclusions
2.10 Acknowledgments
CHAPITRE 3 DESIGN, MANUFACTURE AND TENSILE PROPERTIES OF STOCHASTIC POROUS METALLIC STRUCTURES
3.1 Avant-propos
3.2 Résumé
3.3 Abstract
3.4 Introduction
3.5 Methodology of design, manufacture and testing of stochastic porous structures
3.5.1 Presentation of the multiscale modeling approach
3.5.2 Specimen design, manufacture and test process flow
3.5.3 Tensile specimens design
3.5.3.1 Minimum size of an RVE
3.5.3.2 Specimens with target porosities and porosity gradient
3.5.4 Specimens manufacture
3.5.5 Tensile testing
3.6 Results
3.7 Discussion
3.7.1 Scaling relations, experimental results and model validation
3.7.2 Morphology-generation algorithm and porosity gradient
3.7.3 Medical applications
3.8 Conclusion
3.9 Acknowledgments
CHAPITRE 4 DEVELOPMENT OF A POROUS METALLIC FEMORAL STEM: DESIGN, SIMULATION, MANUFACTURE AND MECHANICAL TESTING
4.1 Avant-propos
4.2 Résumé
4.3 Abstract
4.4 Introduction
4.5 Methodology of the porous stem development
4.5.1 Design of the porous stem
4.5.1.1 Identification of the dense and porous zones of the stem
4.5.1.2 Structural requirements for bone ingrowth, manufacturing limitations and porosity-dependent mechanical properties
4.5.2 Fabrication of the porous stem
4.5.2.1 Data preparation for selective laser melting additive manufacturing
4.5.2.2 Manufacturing and post-processing of the stems
4.5.3 Numerical analysis and experimental testing
4.5.3.1 Testing guidelines
4.5.3.2 Numerical analysis
4.5.3.3 Experimental testing
4.5.3.4 FE model validation: comparison of the numerical and experimental data
4.6 Results
4.6.1 Load-displacement diagram
4.6.2 Displacement and strain field
4.7 Discussion
4.7.1 Experimental validation
4.7.2 Manufacturing limitation
4.7.3 Surface-to-volume ratio
4.7.4 Future work
4.8 Conclusion
4.9 Acknowledgments
4.10 Appendix A
4.11 Supplementary information
DISCUSSION GÉNÉRALE ET CONTRIBUTIONS SCIENTIFIQUES
CONCLUSION GÉNÉRALE
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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