Utilisation de la fabrication additive dans la fabrication d’implants orthopédiques

Techniques existantes

Il existe à ce jour de nombreux types de machines de fabrication additive. On retrouve dans celles-ci les machines de stéréolithographie, les machines de dépôt de couches, les machines de dépôts de filaments, et les machines de projection de poudres. Si on regarde les matériaux mis en forme par fabrication additive, on constate que de très nombreux matériaux peuvent être mis en forme grâce à ce procédé. Tout d’abord, historiquement on a mis en forme des thermoplastiques en liquide par bombardement d’électrons couche par couche sur un réservoir de polymère liquide : c’est la stéréolithographie ou SLG). On a ensuite créé des pièces par dépôt de filaments de plastique à l’état pâteux sur une plaque de fabrication, plus communément appelé : Fused Deposition Modeling ou FDM. Il existe aussi des machines à jet d’encre tridimensionnelles (ink jet printing), mais aussi des machines dites d’impression 3D sur lit de poudres. Plus récemment, des machines de frittage de poudres grâce à un laser ont vu le jour : la technologie SLS: selective laser sintering. Il existe aussi dans ce domaine, le « Laser cladding», qui implique de l’injection de poudre en continu. Ou encore les technologies EBM, Electron Beam Melting, et LENS, Laser Engineered Net Shaping, qui se servent aussi de poudres métalliques pour réaliser des pièces en fabrication additive. D’autres technologies moins connues existent telles que le « Laminated object manufacturing » ou LoM, une technique de fabrication à base de feuilles de métal découpées et soudées entre elles ou encore des techniques de solidification de gaz grâce à un laser comme le « selective laser cherm » ou le « vapour deposition ». Toutes ces méthodes de fabrication sont résumées dans la figure 1-6 et dans l’article de Kruth, 1998.

OBJECTIFS DE L’ÉTUDE

L’objectif global de cette étude est d’évaluer la technologie de fabrication de frittage de poudres laser (Selective Laser Sintering ou SLS) pour son application aux implants orthopédiques. Le premier objectif est de fabriquer des échantillons poreux et d’évaluer la technologie de fabrication SLS dans une optique de fabrication d’implants biomédicaux. Le second est d’évaluer les propriétés mécaniques de notre matériau sur différentes configurations de porosités. Pour cela, nous allons concevoir des échantillons et des méthodes d’essai particulières pour réaliser nos analyses. Ces tests permettront de qualifier en partie les capacités de fabrication de la machine sur des échantillons poreux. Nous utiliserons aussi des méthodes de traitement d’images pour faire une caractérisation dimensionnelle de nos échantillons. Le premier, présenté au chapitre 3, est divisé en deux sous objectifs. Le premier est la conception et la fabrication des échantillons en titane poreux. Le second sous-objectif est l’évaluation des dimensions de nos échantillons grâce à des microtomographies et des traitements d’images adaptés.

Nous avons donc étudié les paramètres suivants : l’influence de la direction de fabrication sur les dimensions obtenues, la dispersion en 3D des épaisseurs des barres dans les échantillons et enfin, l’influence de la taille des barres et des pores sur la précision de fabrication. Le second, présenté au chapitre 4, porte sur des essais de compression que nous avons réalisés et le dépouillement de ceux-ci. Nous avons étudié deux méthodes de compression. La première méthode est une méthode classique d’essai de compression complète que nous avons réalisé sur certains de nos échantillons. Nous analysons ensuite les données expérimentales qui découlent de ces essais pour évaluer la résistance mécanique des structures poreuses testées et la contrainte maximale relevée pour chacun des échantillons testés, nous allons aussi estimer la différence entre le résultat d’une compression expérimentale et une simulation numérique en termes de contrainte maximale appliquée. La seconde est une compression par incréments pour estimer le comportement plastique de notre structure poreuse. Nous évaluons ensuite la plastification d’un de nos échantillons afin de mieux comprendre le comportement de notre matériau pour de faibles sollicitations.

Choix des dimensions des échantillons

Pour fabriquer nos échantillons, nous avons tenu compte de deux paramètres : la force maximale exercée par la machine de test mécanique, et la place sur la plaque de fabrication de la machine SLS. Pour le premier paramètre, nous avons eu à disposition une machine MTS mini Bionix.II58 qui a une capacité maximale de charge de 100 kN. Il faut donc prendre en compte cette valeur et concevoir les échantillons tels qu’on ne dépasse pas ou peu 90% de la capacité maximale de la machine, tout en satisfaisant au maximum aux recommandations de la norme ISO13314-2011 : essais mécaniques de métaux-essais de ductilité- essais de compression des métaux poreux et cellulaires. Pour savoir si nos échantillons vont rentrer dans ces conditions, nous avons fait un calcul pour estimer les efforts nécessaires pour arriver à la rupture de nos échantillons. On considère que la résistance de notre échantillon est au maximum égale à celle d’un échantillon de section égale à la somme des sections des barres. Dans ce cas, on calcule le cas le plus défavorable soit le plus gros diamètre de barre (1mm). Pour les données du matériau, on utilise les fiches du constructeur de machines EOS (voir chapitre 1, section 1.5).

Ce qui donne le calcul suivant pour la surface pleine équivalente sur la section où se trouve le moins de matière (???) : Avec ??.? la contrainte maximale conventionnelle déterminée en trouvant l’intersection entre la courbe de traction (en contrainte/ déformation) et la droite de pente égale au module d’élasticité ayant une abscisse à l’origine égale à 0,2% de déformation (cf. figure 3-4). Si on choisit un nombre de barres selon la norme, on prendra des échantillons de dimensions au minimum égales à 10 fois la taille d’un pore (ici 2 mm pour les plus gros). Soit des échantillons de 7 pores au minimum pour des échantillons de 2 mm de pore et de 1 mm de barre. Nous avons décidé de prendre 8 pores afin d’avoir une symétrie des échantillons par rapport à une barre. On obtient pour ce nombre de pores une force de 88kN ce qui est adéquat pour la machine de compression que nous allons utiliser. On fabrique les cubes du maillage désiré en le plaçant dans un sandwich de titane plein qui permettra d’appliquer une force de compression de manière homogène sur l’échantillon lors de l’essai de compression (cf. Figure 3-5).

Méthode de traitement d’images à l’aide du logiciel Image

Nous avons ensuite utilisé une méthode de traitement d’images qui permet au départ de caractériser les structures métalliques des échantillons. L’intérêt de ce traitement d’images est qu’il permet d’obtenir des dimensions sur nos échantillons de manière très précise. Pour cela nous nous sommes servis du logiciel ImageJ, un logiciel libre (http://imagej.nih.gov/ij/), qui permet, grâce à la méthode décrite juste ensuite, de faire les traitements d’images qui nous intéressent. Donc, pour récupérer les informations dimensionnelles sur les échantillons grâce aux images, on utilise une méthode en quatre étapes. La première est de passer l’image de son format 32bits à un format 8bits afin de pouvoir faire tous les autres traitements. Ensuite, on effectue une segmentation de l’image (étape i. sur la figure 3-13). Ce filtrage permet de séparer clairement notre échantillon du fond noir ou des bavures que nous ne voulons pas traiter. La seconde étape de traitement est un passage de la forme segmentée à un squelette qui représente les points milieux de nos barres et les localisations des noeuds de notre structure (étape ii. de la figure 3-13), c’est la génération du squelette valué (notation pour la pondération d’information sur un pixel).

La troisième étape nous fournit une détermination des positions et des dimensions des noeuds sous la forme d’un document texte, c’est l’étape de détermination des centres (étape iii. Figure 3-13). Enfin, la dernière étape, l’analyse (étape iv. Figure 3-13), nous renvoie un fichier texte contenant toutes les informations relatives aux barres : longueur, position, largeur moyenne, ainsi que leur angle moyen et ce, en combinant les informations du squelette valué et des positions des centres. On peut voir sur la figure 3-14 les résultats des différentes étapes du traitement. L’image a est le résultat du passage de notre image en 32bits. L’image b est l’image segmentée qui sert ensuite à créer le squelette valué (image c). L’image d présente un extrait du fichier texte que l’on récupère à la fin de l’analyse des barres et qui contient toutes les informations dimensionnelles de nos barres.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES ET DE LA LITTÉRATURE
1.1 Implants orthopédiques
1.1.1 Définition
1.1.2 Principaux fabricants de prothèses orthopédiques
1.1.3 Problèmes liés à l’implantation de prothèses orthopédiques
1.2 Le phénomène de « stress shielding »
1.2.1 Définition
1.2.2 Solutions apportées par la littérature à ce phénomène
1.3 État de l’art de la fabrication additive
1.3.1 Fabrication « classique »
1.3.1.1 Définition
1.3.1.2 Inconvénients de la fabrication « classique »
1.3.2 Définition de la fabrication additive
1.3.3 Techniques existantes
1.3.4 La technologie SLS
1.3.4.1 Méthode de fabrication
1.3.4.2 Particularités de la technologie SLS
1.4 Utilisation de la fabrication additive dans la fabrication d’implants orthopédiques
1.4.1 Matériaux mis en forme par fabrication additive
1.4.1.1 Les métaux
1.4.1.2 Les céramiques
1.4.1.3 Les plastiques
1.4.2 Avantages de la fabrication additive pour le domaine biomédical
1.4.2.1 Personnalisation du design
1.4.2.2 Rentabilité pour de petites et moyennes séries
1.4.2.3 Possibilité de création de porosités contrôlées
1.4.3 Description de la norme ISO_13314_2011
1.4.4 Conclusion
CHAPITRE 2 OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
CHAPITRE 3 CONCEPTION ET FABRICATION DES ÉCHANTILLONS POREUX
3.1 Conception des échantillons
3.1.1 Structures poreuses en titane
3.1.2 Choix des dimensions des échantillons
3.2 Fabrication des échantillons
3.3 Étude des échantillons fabriqués
3.3.1 Premières observations suite à la fabrication
3.3.2 Préparation des échantillons pour les essais
3.3.3 Évaluation géométrique des échantillons
3.3.3.1 Évaluation géométrique à l’aide d’un microscope confocal:
3.3.3.2 Méthode de traitement d’images à l’aide du logiciel ImageJ
3.3.3.1 Premières observations sur les prises de clichés
3.3.3.2 Méthode de contrôle global non destructif (μCT-scan)
3.3.3.3 Premières observations sur la technique de prise d’images
3.4 Analyse dimensionnelle
3.4.1 Méthode d’analyse des barres dans nos échantillons :
3.4.2 Résultats obtenus après traitements
3.4.2.1 Échantillon B500P500
3.4.2.2 Échantillon B500P1000
3.4.2.3 Échantillon B1000P2000
3.4.2.4 Remarques générales sur les échantillons
3.5 Discussion sur la technique de fabrication SLS pour la création de nos échantillons
3.5.1 Respect des dimensions nominales
3.5.2 Problèmes liés à l’inclinaison des barres
CHAPITRE 4 CARACTÉRISATION MÉCANIQUE DE LA STRUCTURE POREUSE
4.1 Premiers essais de compression : compression à la rupture
4.1.1 Méthodologie de l’essai
4.1.1.1 Matériel utilisé
4.1.1.2 Mode opératoire des essais de compression à la rupture
4.1.2 Calcul de la rigidité du montage
4.1.3 Méthode de calcul des propriétés mécaniques
4.1.4 Résultats des essais de compression à la rupture
4.1.4.1 Échantillon de B500P500
4.1.4.2 Échantillon de B500P1000
4.1.4.3 Échantillon de B1000P2000
4.1.4.4 Comparaison des propriétés mécaniques des 3 échantillons
4.1.4.5 Comparaison entre le modèle numérique de B500P1000 et l’échantillon testé en compression complète
4.1.5 Discussion
4.2 Essais de compression par incréments
4.2.1 Méthodologie de l’essai
4.2.2 Résultats
4.2.3 Conclusions sur les essais de compression par incréments
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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