La fabrication additive d'implants orthopédiques - Yanneck SUCHIER - Benoit VERQUIN

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La fabrication additive d'implants orthopédiques - Yanneck SUCHIER - Benoit VERQUIN
Lyon Biopole
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La fabrication additive d’implants orthopédiques

            Yanneck SUCHIER – Benoit VERQUIN
                           Cetim
                 yanneck.suchier@cetim.fr
                   benoit.verqui@cetim.fr
                   bruno.davier@cetim.fr

                                ©P-H. Claudel/Proxima
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Lyon Biopole

 Le CETIM                                               8/02/16
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                         Bourges   Saint-Etienne

Fabrication additive :
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Lyon Biopole
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                        Le CETIM dans les dispositifs médicaux                       Page 3

Les activités du Cetim dans le médical

     Conception / optimisation de Dispositifs Médicaux
     Expertise matériaux (métallique / composite / plastique / revêtement)
     Expertise en procédés de fabrication
         « Classiques » (forge / usinage / assemblage)
         « Innovants » (additive manufacturing, poudre)
     Expertise en propreté, accompagnement de la mise au point du protocole
      de nettoyage
     Métrologie (caractérisation dimensionnelle, topographie de surface)
     Caractérisation et validation par essais mécaniques (essais normalisés
      ou protocoles spécifiques)
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Fabrication additive – Définition -                        Lyon Biopole
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                         Principe
   Ensemble des procédés permettant de fabriquer , couche par couche , par ajout
    de matière, un objet physique à partir d’un objet numérique. (NF E 67-001)

Données numériques
Fichier CAO 3D - STL

Préparation des fichiers
Correction fichiers, orientation,
placement pièces, support, tranchage

Fabrication                                    PIECE

                                               SUPPORTS

Finitions
Nettoyage, détensionnement, enlèvement
des supports, sablage, traitement thermique,
usinage, tribofinition ..
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Fabrication additive : principaux               Lyon Biopole
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                avantages

                                           Personna-
                                            lisation

   Canaux
                             Texturation
  internes

                Allègement

Réduction des
 assemblages                                           Autres
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L’orthopédie & Fabrication additive
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                                                                                 8/02/16
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Le marché :
   CA mondial orthopédie 2012 : 34,6 B U$
   En Europe, en 2012
       ~ 900 000 prothèses de hanches (~150 000 en France)
       ~ 700 000 prothèses de genoux (~77 000 en France)
       ~ 68 000 prothèses d’épaules (~14 000 en France)      Source : Avicenne

Les enjeux de la fabrication additive pour ce secteur:
   Personnalisation des implants et ancillaires
   Réduction des stocks
   Fonctionnalisation de surfaces
   Matériaux
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Lyon Biopole

                      Médical & fabrication additive                              8/02/16
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 Align technology
                                                     Bridges         Spine
                          Materialise
Orthodontics

                          Cuting guide

Laboratoires Narval                                               Hearing Aids

   Mandibular         Kasios                                      Arcam
  Repositioning
     Device                                      Dental implant

                                         Arcam

     Implants           Wedge for                                  Skull Implant
    Orthèse /              tibial
    ancillaire          osteotomy          Hip Implant
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Lyon Biopole

              Fabrication additive & FDA                                             8/02/16
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   + de 70 dispositifs médicaux (DM) bénéficient d’une autorisation : 510(k)
   80% des dossiers déposés concernent la fusion sur lit de poudre
    (polymères&métal) -> 50% polymères, 37% Ti6Al4V, 4% CoCr, 3% CpTi, 4%
    other
Types de DM :
 Implants personnalisés                           Implants orthopédiques
       Implants crâniens                             Cotyle
       Maxillofacial                                 Cage
                                         OPM
                                                      Genou
                                                                             4Web

     Ancillaires personnalisés                   Dental
        Maxillofacial                               Bridges
        Genou                                       Implants
        Cheville                                    Orthèses               Resmed
                                    Materilise
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Fabrication additive métal                                                                        Lyon Biopole
                                                                                                                                         8/02/16
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                                  Des procédés variés
      Sans Fusion                                                                 Avec fusion

                                                  Lit de poudre                                              Apport direct

     Impression 3D et                Fusion laser               Fusion faisceau         Projection laser                  Dépôt fil
    Stéréolithographie                                            d’électrons

•    Prometal : 3D printing                                 •     Arcam             •   BeAM (Irépa laser)        •   Sciaky
                              •   Concept laser
•    3D Systems : SLS         •   EOS                                               •   Optomec                   •   Nosrk titanium
•    Digital Metal            •   3D Systems (Phenix)                               •   Trumpf                    •   Cranfield Univ.
•    Ex-one                   •   Realizer                                          •   Efesto
•    Prodways (A venir)       •   Renishaw
                              •   SLM Solutions
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                                 PROJET FADIPERF
Fabrication Additive D’Implants Personnalisés et/ou Fonctionnalisés
                                Retour d’expérience

          Le projet Fadiperf est cofinancé par l’Union européenne. L’Europe s’engage en Région Rhône-
                            Alpes avec le Fonds européen de développement régional.
Lyon Biopole

                       Présentation du Projet FADIPERF                                                         8/02/16
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   Objectifs :
       Accompagner quatre fabricants d’implants orthopédiques                                           dans
        l’évaluation et la qualification du procédé fusion laser.
       Mettre à disposition sur le territoire, sous forme d’une plateforme
        partagée, un équipement de fabrication additive à destination des
        industriels afin de favoriser le transfert de ces nouvelles technologies,
        tout en limitant les risques liés à l’investissement.
   Les partenaires : Aston, Cetim, Evolutis, Serf, Tornier
   Budget : 1 115 k€
   Financement : Industriels, Cetim, CG 42 et Feder via Région Rhône Alpes
   Durée: 2011 –2014

           Le projet Fadiperf est cofinancé par l’Union européenne. L’Europe s’engage en Région Rhône-
                             Alpes avec le Fonds européen de développement régional.
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                     Phase 1 - Benchmark                                                          Page 12

 Durée : sept. 2011 – sept. 2012
 Actions réalisées
     Evaluation de 3 fournisseurs
          2 Fusion laser
          1 Fusion par faisceau d’électrons (EBM)
     Principe : achat d’éprouvettes auprès des fournisseurs dans l’état de traitement thermique
      optimal à leur connaissance.
     Matériaux évalués : TA6V et Co-Cr
          Analyses chimiques (6 analyses)
          Essais mécaniques sur éprouvettes usinées (5 ép. / configuration)
          Essais de fatigue sur éprouvettes usinées (6 courbes de Wöhler)
          Essais de fatigue sur éprouvettes brutes avec structure lattices (6 essais type staircase)
          Caractérisation par analyse tomographique d’éprouvettes
Phase 1 : Performances mécaniques –                     Lyon Biopole
                                                                                    8/02/16

                             Fab additive vs Normes                                Page 13

   Propriétés Statiques
                                                        Technologies SLM et
                                                         EBM
                                                        3 Fournisseurs
                                                        Etat : post TTH
                                                        Matériau : TA6V ELI
                      CORROYE + AM
              FORGE
                                                         Données issues du
                                                         Projet FADIPERF -
                                                         CETIM

 Des propriétés mécaniques comparables aux procédés
conventionnels                                          FORGE : ISO 5832-3
                                                        CORROYE : ASTM F136-08
 Influence importante des traitements thermiques       FONDERIE : ASTM F1108
                                                        AM (Additive Manufacturing) :
                                                        ASTM F3001-13
Phase 1 : Performances mécaniques                         Lyon Biopole
                                                                                  8/02/16

                             en fatigue 1/2                                      Page 14

   Propriétés en fatigue
 Essais en flexion rotative : R = -1
             Comparaison des éprouvettes Ta6V : Fournisseur 1 & 2

           D varie de 358 à 600MPa
           Grande disparité / Influence importante des traitements thermiques
Phase 1 : Performances mécaniques                                    Lyon Biopole
                                                                                         8/02/16

                         en fatigue 2/2                                                 Page 15

 Comparaison avec la littérature

                                                     Transformation des données
                                                     R = -1  R = 0,1

                                                      FLP1,2,3 : Procédés de fusions sur
                                                      lit de poudre (FL et EBM).
                                                      Résultats issus du projet FADIPERF

    La limite d’endurance en Fabrication Additive peut être équivalente
   voire supérieure à la limite haute de produits laminés.
    La différence de performance peut être liée à la différence de TTH.
Phase 2 – Plateforme Partagée –                                             Lyon Biopole
                                                                                                       8/02/16
                     Moyen EOSINT M280                                                                Page 16

 Durée : janv. 2013 – mars 2014
 Retour d’expérience - Utilisation machine
     Tps utilisation machine : 3145 h sur 15mois (13,5mois)
     Nombre de fabrications lancées : 131
     Consommation poudre sur période projet :
          Ti6Al4V ELI : 90 kg
                                                                     Cetim
          Co-Cr MP1 : 220 kg
     Formation : anticipation à l’utilisation de logiciels, règles de conception, utilisation machine
     Quantification des avantages et inconvénients de ce type de technologie en configuration
      semi-industrielle.
 Actions transverses réalisées
     Mise en place de méthodes de calibration machine
     Essais d’optimisation supports
     Mise au point de traitements thermiques optimisés
     Analyses tomographiques
Phase 2 : fusion laser sur lit de   Lyon Biopole
                                                            8/02/16
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                  poudre - règles et limitations
 Supports
     Surfaces < ~ 40 °

 Contraintes résiduelles
     Fissures : pièce/supports

     Ex. Arrachement plateau !
Phase 2 : fusion laser sur lit de                                       Lyon Biopole
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                  poudre - règles et limitations
 Etat de surface
       Etat de surface selon orientation de la surface de fabrication

                                                 Paramètres de fabrication :
                                                          - Machine : EOS M280 / P=400W
                                                          - Epaisseur de couche = 30µm
                                                          - Matériau : Ti6Al4V ELI
                  °

 Découpe de pièces du plateau (Sciage, électro-érosion)
Phase 2 : fusion laser sur lit de                                                          Lyon Biopole
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 Influence du recyclage                                   Alliage        Doc. EOS
                                                                                      EOS MP1
                                                                                     2013-03-04
                                                                                                  2013-10-28    ASTM F75-
                                                                                                               07 (fonderie)
                                                           CoCrMo         CoCr MP1
                                                                                                  Recyclée x   UNS R30075
                                                                                       Neuve
                                 EOS                                                                 28
                   EOS                      Ti6Al4V ELI
                              Ti6Al4V ELI
                Ti6Al4V ELI                   suivant
Alliage TA6V                  2013-10-10                     Chrome %      26 à 30      27,7         25,7      27,00 à 30,00
                2013-10-02                  ASTM F136-
     ELI                                    08 (corroyé)
                               Recyclée                     Molybdène %     5à7         5,9          5,8        5,00 à 7,00
                  Neuve                     UNS R56401
                                 x30                          Nickel %     ≤ 0,10        -            -           ≤ 0,50

 Carbone %         0,01          0,01          ≤ 0,08          Fer %       ≤ 0,75      0,055        0,056         ≤ 0,75
                                                             Carbone %     ≤ 0,16       0,15         0,14         ≤ 0,35
 Aluminium %        6,4           6,4         5,5 à 6,5
                                                             Silicium %     ≤ 1,0      0,006       < 0,005        ≤ 1,00
 Vanadium %         4,1           4,1         3,4 à 4,5
                                                             Manganèse      ≤ 1,0       0,73         0,71         ≤ 1,00
   Fer %           0,19          0,19          ≤ 0,25
                                                            Tungstène %       -          -            -           ≤ 0,20
 Oxygène %        0,098          0,12          ≤ 0,13       Phosphore %       -          -            -          ≤ 0,020
  Azote %         0,012          0,01          ≤ 0,05        Soufre %         -          -            -          ≤ 0,010

Hydrogène %          -             -          ≤ 0,012         Azote %         -         0,16         0,16         ≤ 0,25

  Yttrium %          -             -              -         Aluminium %       -          -            -           ≤ 0,10
                                                              Titane %        -          -          0,016         ≤ 0,10
  Titane %         89,1          89,1          Base
                                                              Bore %          -          -            -          ≤ 0,010
                                                            Béryllium %       -          -            -              -

               Evolution de la composition chimique
               Recyclage limité - Taux de rafraichissement à définir
Phase 2 : fusion laser sur lit de              Lyon Biopole
                                                                           8/02/16
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                      poudre - règles et limitations
 Optimisation de traitements thermiques
     Résultats d’essais issus du projet FADIPERF
         Ti6Al4V ELI

                             Rm (MPa)     Re (MPa)   A (%)

            Ti64 ELI + TTH
               data sheet      1100        1000       11
              Fournisseur
            Ti64 ELI + TTH
                               939          864      19,1
              FADIPERF

         Co-Cr MP1
                             Rm (MPa)     Re (MPa)   A (%)

             Co-Cr+ TTH
              data sheet       1100         600       20
             Fournisseur
             Co-Cr + TTH
                               1238         670      37,5
              FADIPERF

           Optimisation possible de la structure métallurgique et
            des performances par post TTH adaptés
Phase 2 : fusion laser sur lit de                        Lyon Biopole
                                                                                             8/02/16

                              poudre - règles et limitations                                Page 21

  Contrôle santé matière et contrôle dimensionnel
           1 solution = tomographie
 Contrôle dimensionnel par mesure des          Détection de défauts
  écarts / CAO

      Y
              Recalage
          Z   pièce finie / CAO

                                                                        Détection de porosités
                                                                        à l’interface Corps –
                                                                        Structure lattice
Lyon Biopole

                        La suite : Projet ORTHOPEE                                                 8/02/16
                                                                                                  Page 22

 Budget : 1,45 M€   Période nov. 2014 – Nov. 2016
 2 niveaux d’accompagnement

     Plateforme partagée                                  Projet de R&D
 Objectif : Accompagner des industriels à            Objectif : Optimisation du process de
  l’utilisation de la technologie de fusion laser.     fabrication pour le domaine orthopédique.

 Activités :                                         Activités :
      Mutualisation d’une machine de                      Finition des pièces
         fusion laser                                      Nettoyage
      Matériaux : TA6V ELI et Co-Cr                       Traitements thermiques
      Formation et aide à la préparation                  Poudre
         (supportage, conception)                          Capabilité
      Suivi métallurgique

                 Avec le soutien financier de :
Conclusion                          Lyon Biopole
                                                     8/02/16
                                                    Page 23

Un procédé à considérer dans son intégralité
Conclusion                                                                                    Lyon Biopole
                                                                                                                          8/02/16
                                                                                                                         Page 24

   Une intégration à étudier « au global »
Méthode                              « Usine » FA                                         Enjeux
     Découverte

     Identification
     marché
                                                                                          Augmentat-
     Choix                                 Chaine numérique                                  ion
                           Compétences

                                                                                              VA
                                                                                          Produit/fon-
     Intégration                                                                             ction

                                                                   Process
                                                                                          Fabrication à
     Déploiement                                                                           la demande
                                            Fabrication additive

     Exploitation                                                            Diminution                   Production à
                                         Matériau(X)                          du stock                     cycle court

                                                                                             …
Lyon Biopole
                                       8/02/16
                                      Page 25

Merci de votre attention

      yanneck.suchier@cetim.fr

       benoit.verqui@cetim.fr
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