La fabrication additive d'implants orthopédiques - Yanneck SUCHIER - Benoit VERQUIN
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Lyon Biopole
8/02/16
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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
Lyon Biopole
Le CETIM 8/02/16
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Bourges Saint-Etienne
Fabrication additive :
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)
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 ..
Fabrication additive : principaux Lyon Biopole
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avantages
Personna-
lisation
Canaux
Texturation
internes
Allègement
Réduction des
assemblages Autres
L’orthopédie & Fabrication additive
Lyon Biopole
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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
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
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
Fabrication additive métal Lyon Biopole
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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
Lyon Biopole
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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.Lyon Biopole
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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’éprouvettesPhase 1 : Performances mécaniques – Lyon Biopole
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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 F3001-13Phase 1 : Performances mécaniques Lyon Biopole
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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 thermiquesPhase 1 : Performances mécaniques Lyon Biopole
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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
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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 tomographiquesPhase 2 : fusion laser sur lit de Lyon Biopole
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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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poudre - règles et limitations
EOS MP1
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 définirPhase 2 : fusion laser sur lit de Lyon Biopole
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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 adaptésPhase 2 : fusion laser sur lit de Lyon Biopole
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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 latticeLyon Biopole
La suite : Projet ORTHOPEE 8/02/16
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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
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Un procédé à considérer dans son intégralitéConclusion Lyon Biopole
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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
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