Les partenaires du projet ZykloMed ont relevé les défis d'un usinage économique d'implants au design bionique multifonctionnel et non circulaire. Trois nouveaux procédés ont été explorés : le tournage excentrique, le tournage polygonal et le fraisage par tourbillonnage.

Les implants destinés aux domaines de l'orthopédie, de la traumatologie et du dentaire se caractérisent par des exigences élevées en matière de résistance, de biocompatibilité, mais aussi de géométrie du point de vue bionique. Il est en effet essentiel que la forme géométrique d'un implant soit adaptée au tissu osseux. Le design des surfaces fonctionnelles est ainsi de plus en plus sophistiqué, afin de faciliter la fixation dans le corps et de minimiser le traumatisme pour le patient.

Ces nouveaux designs font grimper les coûts de production, car les surfaces ne sont plus seulement circulaires ou angulaires. Ils présentent davantage de surfaces incurvées et d'éléments fonctionnels avec des transitions continues dans un espace réduit, ce qui nécessite plusieurs étapes de fabrication sur différentes machines. A titre d'exemple, la manipulation précise pour le resserrage exact d'une pièce représente un facteur de coût considérable.

C'est pourquoi les fabricants d'implants sont à la recherche d'une chaîne de fabrication complète leur permettant de limiter leurs coûts.

Plusieurs axes rotatifs synchronisés

Dans le cadre du projet Zyklomed soutenu par le ministère allemand de l'Education et de la Recherche, le fabricant d'outils Horn et ses partenaires (Index, Beutter Präzisions-Komponenten et l’Institut de technologie de Karlsruhe) ont relevé ce défi.

L'accent a été mis sur trois nouveaux procédés de fabrication : le tournage excentrique, le tournage polygonal et le fraisage par tourbillonnage, tous basés sur le principe cinématique de plusieurs axes rotatifs synchronisés. Si ce principe est bien connu, son application à des formes courbées non circulaires est très délicate, à plus forte raison quand il s'agit de répondre aux exigences de qualité du secteur médical.

Dans le cas du tournage excentrique, un outil en rotation est guidé le long d'une pièce à usiner en rotation avec un réglage de position. Les vitesses de rotation sont alors placées dans un rapport déterminé. La forme non circulaire se reproduit ainsi sur la pièce dans certaines limites. Ce procédé permet une fabrication hautement productive de contours extérieurs non circulaires. L'outil rotatif réduit en outre la charge thermique sur l’arête de coupe de l'outil, ce qui garantit une durée de vie élevée. Le procédé permet enfin de fabriquer des jonctions de profils coniques.

Le tournage polygonal permet de réaliser des contours non circulaires sur des tours (crédit photo : Horn).

De son côté, le tournage polygonal est un procédé permettant de réaliser des contours extérieurs et intérieurs non circulaires ayant la forme d'une hypotrochoïde. Tout comme le tournage excentrique, le tournage polygonal offre la possibilité de réaliser des contours non circulaires sur des tours. Dans ce processus, les axes parallèles de la pièce et de l'outil sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une distance axiale et sont amenés dans un certain rapport de vitesse de rotation par couplage de position. L'entraxe, le rapport de vitesse de rotation entre la pièce et l'outil et le cercle de vol de l'arête de coupe définissent les dimensions du contour. Un système d'outils pour le tournage polygonal est adapté spécifiquement au contour de la pièce à fabriquer.

Enfin, le fraisage par tourbillonnage est un processus hautement productif pour la fabrication de filets de vis à os. Une ou deux fraises circulaires sont placées à un certain angle par rapport à la pièce à usinée. Les sens de rotation des fraises et de la pièce à usiner peuvent être identiques ou opposés. Le rapport de vitesse de rotation de la pièce par rapport aux deux fraises dépend du nombre de filets et du nombre d'arêtes de coupe des fraises. Le fraisage par tourbillonnage permet pour la première fois de réaliser de manière économique des filetages avec un véritable pas variable en modifiant dynamiquement le profil du filetage.

Des essais proches de la production en série réalisés avec succès

Les partenaires du projet ont étudié et développé ces procédés en intégrant tous les aspects de la production que sont les outils, les machines et les techniques de commande.

Les nouveaux procédés ont été simulés et conçus sur la base de procédés connus, avec les mêmes bases mathématiques, afin de déterminer les exigences posées aux outils et aux machines. Les essais ont été échelonnés entre des tests en laboratoire et des tests de pré-série dans des environnements quasi-industriels.

Forts du succès de ces essais, les partenaires du projet ZykloMed ont fait un grand pas en avant vers l'objectif d'une fabrication économique d'implants au design bionique multifonctionnel et non circulaire. Outre l'obtention de nouvelles formes de pièces à moindre coût, ces procédés de fabrication aux cycles synchronisés offrent également un potentiel d'optimisation pour la fabrication économique d'implants existants, ainsi que des possibilités d'application au-delà de la technique médicale.

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