Une expertise combinée pour l'industrie médicale

Implants fonctionnellement intégrés grâce à de nouveaux procédés d'usinage synchronisés - ZykloMed

Dans le cadre du projet commun financé par le ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF), les partenaires INDEX, Paul Horn GmbH, Beutter Präzisions-Komponenten GmbH et l'institut wbk d'ingénierie de la production de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) démontrent leur expertise dans le domaine de l'industrie médicale. En utilisant des procédés de fabrication nouveaux et modernes, les partenaires ont relevé les défis de l'usinage économique d'implants multifonctionnels et bioniques non ronds. L'accent a été mis sur les trois procédés de fabrication que sont le tournage excentrique, le tournage polygonal et le fraisage par tourbillonnage.

Les implants médicaux modernes pour l'orthopédie, la traumatologie et la technologie dentaire se caractérisent par des exigences rigoureuses en matière de résistance, de biocompatibilité et de géométrie optimisée pour la bionique. La géométrie d'un implant est adaptée à l'os et au tissu. Au cours de ce processus, les surfaces fonctionnelles des implants sont conçues de manière de plus en plus sophistiquée afin de faciliter leur fixation dans le corps et de les rendre moins invasives pour le patient. Les nouvelles conceptions d'implants entraînent une augmentation des coûts de fabrication, car les surfaces ne sont plus circulaires ou carrées. Elles présentent davantage de surfaces courbes et d'éléments fonctionnels avec des transitions continues dans un espace très réduit. En particulier, la nécessité de plusieurs étapes de fabrication sur différentes machines entraîne une augmentation significative des coûts. Par exemple, une manipulation précise pour le serrage exact d'une pièce à usiner représente un facteur de coût considérable. Par conséquent, malgré le niveau élevé d'intégration fonctionnelle, un processus de fabrication efficace est nécessaire pour une production économique.

Nouveaux procédés

Les nouveaux procédés de fabrication que sont le tournage excentrique, le tournage polygonal et le tourbillonnage sont tous basés sur le même principe cinématique de plusieurs axes rotatifs synchronisés. Si ce principe est bien connu, son application à des formes non circulaires et courbes est très exigeante. En même temps, la mise en œuvre pratique doit répondre aux exigences de qualité élevées de l'industrie médicale.

Les partenaires du projet ont étudié et développé de nouvelles procédures de fabrication tout au long du processus et de la chaîne d'approvisionnement, depuis les machines et la technologie de contrôle jusqu'à la conception de l'outil, en passant par la production de prototypes et de préséries. Les processus de fabrication ont été simulés et conçus sur la base de méthodes connues avec les mêmes principes mathématiques afin de déterminer les exigences pour l'outil et la machine. Les essais ont été divisés en essais d'équivalence dans des conditions de laboratoire et en essais de présérie en laboratoire et dans des environnements proches de l'application. Les ingénieurs se sont concentrés sur la technologie des machines et des outils pour le développement et la conception des processus individuels.

Dans le tournage excentrique, un outil rotatif non circulaire est guidé le long d'une pièce rotative sous couplage positionnel. Les vitesses sont mises dans un certain rapport l'une par rapport à l'autre. La forme non circulaire est ainsi reproduite sur le composant dans certaines limites. Ce procédé permet une production très productive de contours extérieurs excentrés. La rotation de l'outil réduit la charge thermique au niveau de l'arête de coupe, ce qui garantit une longue durée de vie de l'outil. Le procédé permet également de produire des profils coniques.

Le polygonage est un procédé permettant de réaliser des contours extérieurs et intérieurs non circulaires ayant la forme d'un polygone. Comme le tournage excentrique rotatif, ce procédé offre la possibilité de produire des contours non circulaires sur des tours. Dans ce procédé, 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 à un rapport de vitesse spécifique sous l'effet d'un couplage positionnel. La distance axiale, le rapport de vitesse entre la pièce et l'outil et le diamètre de coupe des plaquettes définissent la dimension du contour. Un système d'outils pour le polygonage est adapté individuellement au contour de la pièce à produire.

Le tourbillonnage est un procédé très productif pour la production de filets pour les vis à os. Une ou deux fraises circulaires sont placées à un certain angle par rapport à la pièce à usiner. Les sens de rotation des fraises et de la pièce peuvent être identiques ou opposés. Le rapport de vitesse entre la pièce et les deux fraises dépend du nombre de filets et du nombre de plaquettes. Pour la première fois, le tourbillonage peut également être utilisé pour produire économiquement des filets avec un véritable pas variable en changeant dynamiquement le profil du filet.

Des tests proches de la production en série réussis

Grâce à des tests réussis dans un environnement de production en quasi-série, les partenaires du projet ZykloMed ont fait un grand pas vers l'objectif du projet de recherche, à savoir la production économique d'implants de conception bionique multifonctionnelle et non circulaire. Les ingénieurs ont prouvé que les processus de fabrication synchronisés permettent la production économique d'implants modernes. Outre la production de nouvelles géométries de composants, les processus offrent également un potentiel d'optimisation pour la production économique d'implants existants, ainsi que des applications possibles au-delà de l'industrie médicale.