Fabrication directe d’implants osseux biocéramiques sur mesure par le procédé de fusion laser sélective

Fabrication directe d’implants osseux biocéramiques sur mesure par le procédé de fusion laser sélective

 Fabrication additive indirecte

Projection de liant (3DP) D’après la norme ISO/ASTM 52900 : 2015, la projection de liant est un procédé de fabrication additive dans lequel un agent de liaison est déposé de manière sélective pour assembler les matériaux poudreux. Cette technologie, développée au MIT par M.J. Cima et E.M Sachs en 1991 (Cima, et al., 1991), est aussi appelée Impression 3D (3DP). Ce type de machine comprend une cuve remplie de poudre et équipée d’une plateforme se déplaçant suivant l’axe vertical (Figure I-5). Un dispositif d’étalement de la poudre permet d’homogénéiser la surface de poudre entre chaque couche. Une tête d’impression vient distribuer de façon sélective le liant liquide. La fabrication se déroule conformément aux étapes suivantes : 1 Répartition de la poudre céramique de façon homogène sur toute la surface du plan de travail. 2 Dépôt sélectif de fines gouttelettes de liant liquide, suivant le modèle numérique, pour assembler les particules de la poudre. A l’issue de cette étape la première couche est créée. 3 Descente du bac de poudre d’une épaisseur de couche. Fabrication additive directe indirecte Fusion sur lit de poudre Photopolymérisation en cuve (SLA) Projection de liant (3DP)

Mise en forme des biomatériaux céramiques 

Uniformisation de la surface de poudre. 5 Dépôt sélectif de fines gouttelettes de liant liquide, suivant le modèle numérique, pour assembler les particules de la poudre. A l’issue de cette étape la deuxième couche est créée. 6 Ces étapes se répètent jusqu’à ce que le modèle soit créé. 7 Nettoyage et suppression de la poudre excédentaire. 1 système d’alimentation en poudre 2 matériau en poudre réparti en lit de poudre 3 agent de liaison liquide 4 appareil distributeur comprenant le raccordement au système d’alimentation en agent de liaison 5 dispositif d’étalement de la poudre 6 plateforme de fabrication et élévateur 7 produit Figure I-5 : Représentation schématique de la projection de liant (NFISO17296-2). Une fois l’objet 3D fabriqué, un cycle thermique de déliantage/frittage permet d’éliminer le liant et de consolider la poudre céramique. Dans le domaine de la bio-ingénierie, c’est un procédé qui a été largement étudié (Bergmann, et al., 2010), (Fierz, et al., 2008). La Figure I-6 donne un exemple d’implant en TCP obtenu par le procédé 3DP et par une étape additionnelle d’infiltration qui permet d’augmenter la tenue mécanique de la pièce (Khalyfa, et al., 2007). En effet, la consolidation du matériau au cours du frittage n’est pas suffisante car la porosité créée lors de l’élimination du liant est trop importante. Il en résulte que la tenue mécanique des pièces fabriquées par ce procédé est généralement trop faible. Pour pallier cet inconvénient, une autre méthode a été développée dans le but de mettre en forme des particules céramiques plus fines (< 20 µm) et d’augmenter la densification au cours du frittage. Cette méthode consiste à remplacer la poudre par une suspension céramique laquelle est étalée sur le support de fabrication, séchée et consolidée par l’ajout du liant (Williams, 2008). Même si cette technologie permet de produire des pièces rapidement et à moindre coût, la résolution et les propriétés mécaniques des pièces obtenues sont trop faibles. Cette technologie est bien plus adaptée à la fabrication de prototypes qu’à la fabrication de pièces fonctionnelles. Par ailleurs, quelques matériaux seulement sont compatibles avec l’impression 3D.

Photopolymérisation en cuve (SLA)

D’après la norme ISO/ASTM 52900 : 2015, la photopolymérisation en cuve est un procédé de fabrication additive dans lequel un photopolymère liquide, plongé dans une cuve, est durci de manière sélective par polymérisation activée par la lumière. La photopolymérisation en cuve, aussi appelée stéréolithographie, était initialement dédiée à la fabrication d’objets en polymère comme par exemple des moules pour couler une pâte céramique (Chapell, 2003). Ce procédé repose sur la polymérisation couche par couche d’une résine irradiée par un rayonnement UV. La résine est constituée de photo-initiateurs qui absorbent le rayonnement et de monomères réactifs qui récupèrent l’énergie absorbée par ces derniers et déclenchent la polymérisation. L’objet 3D est construit sur une plate-forme baignant dans la résine qui descend à chaque fois d’une épaisseur de couche grâce à un élévateur. La machine est équipée d’un dispositif de recouvrement et de nivellement de la surface du liquide (racleur) et d’un miroir permettant de focaliser le faisceau laser sur la surface du liquide (Figure I-7). La fabrication se déroule conformément aux étapes suivantes : 1 Immersion de la plateforme dans la cuve de photopolymère (résine liquide photosensible). 2 Balayage point par point, suivant le modèle numérique, avec le laser, de la surface du liquide. A l’issue de cette étape, la première couche photopolymérisée est durcie. 3 Descente de la plateforme d’une épaisseur de couche. 4 Balayage point par point, suivant le modèle numérique, avec le laser, de la surface du liquide. A l’issue de cette étape, la deuxième couche photopolymérisée est durcie. 5 Ces étapes se répètent jusqu’à ce que le modèle soit totalement créé. 6 Nettoyage, suppression des supports, post-photopolymérisation par une nouvelle exposition aux UV pour parfaire la réaction de polymérisation et ainsi accroître la résistance de l’objet.  1 laser 2 miroir incliné avec focalisation 3 plateforme de fabrication et élévateur 4 structure du support 5 produit 6 cuve remplie de résine liquide photosensible Figure I-7 : Représentation schématique de la photopolymérisation en cuve par une source de lumière laser (NFISO17296-2) Pour assurer une bonne consolidation au cours de la construction, il est important de maîtriser les dimensions de la zone polymérisée. Dans le cas d’une résine pure, l’épaisseur Ep et la largeur Lp de la zone polymérisée peuvent être exprimées en fonction de la densité d’énergie reçue, DE, et de la densité d’énergie critique, DEC, qui est la valeur minimale pour initier la polymérisation. Ep et LP s’expriment alors de la façon suivante : E𝑝 = D𝑝 ∙ ln ( 𝐷𝐸 DEc ) I-1 et, L𝑝 = √2 ∙ 𝑤0 ∙ √ln ( 𝐷𝐸 DEc ) I-2 avec, DE = 2 ∙ 𝑃0 𝜋 ∙ 𝑤0 ∙ 𝑉 I-3 où Dp, est la profondeur d’absorption du rayon lumineux dans la résine, P0, la puissance du laser appliquée au centre de la Gaussienne, w0, le rayon du laser au plan focal et V, la vitesse de balayage du faisceau laser. En exprimant Lp en fonction de EP (I-4), il apparaît que la zone polymérisée est plus profonde que large lorsque ln ( 𝐷𝐸 DEc ) > 2 soit DE > 7,4∙DEC (Figure I-8) : L𝑝 = ∅𝐿 ∙ √( 𝐸𝑃 2 ∙ D𝑝 ) I-4 avec ∅𝐿 = 2𝑤0 le diamètre du laser. 3 20 Chapitre I – Le projet OsseoMatrix : Contexte, enjeux et pilotage Figure I-8 : Forme de la zone polymérisée d’une résine pure (Ep > Lp ). La stéréolithographie peut être adaptée à la fabrication de pièces en céramique en ajoutant des particules céramiques à la résine photosensible et porte le nom de CSL (Ceramic Sereolitography) (Griffith, et al., 1996). Deux exigences antagonistes sont demandées : i. Pour obtenir des pièces céramiques de géométrie et de tenue mécanique satisfaisantes, la fraction volumique de particules céramiques doit être au moins égale à 50 % (Hinczewski, 1998). ii. Pour étaler correctement la résine et former des couches homogènes, la suspension doit être fluide. Or, la viscosité de la suspension (résine liquide + céramique) augmente avec la fraction volumique de particules céramiques. L’enjeu est donc de trouver un compromis entre ces deux critères qui évoluent en sens inverse. La solution pourrait être l’utilisation de résines beaucoup plus fluides mais elles présentent l’inconvénient d’être beaucoup moins sensibles aux UV.