Les applications de la technologie DLS de Carbon à l’industrie médicale

Cet article présente la technologie d’impression 3D DLS de Carbon et son immense contribution à l’industrie médicale.
Carbon DLS 3D print

L’industrie médicale est grande consommatrice d’innovations technologiques, non seulement dans le domaine de l’ingénierie médicale mais aussi dans celui de la fabrication industrielle. Des procédés technologies toujours plus avancés sont utilisés chaque jour pour convertir des concepts propres à bouleverser la vie de tous les jours en applications commerciales. Parmi ces technologies, la synthèse numérique par voie lumineuse (Digital Light Synthesis, ou DLS en anglais), est un procédé d’imprimerie 3D capable de réaliser des pièces mécaniques à partir d’élastomères spécifiquement conçus, dont les propriétés surclassent en tous points les matériaux habituels utilisés dans les procédés de stéréolithographie (SLA) ou de traitement numérique de la lumière (DLP pour Digital Light Processing). Grâce à cet article, vous comprendrez les multiples bénéfices qu’il y a à employer la technologie d’imprimerie 3D de Carbon dans le domaine de l’industrie médicale.

Qu’est-ce que la technologie DLS de Carbon ?

La technologie DLS de Carbon emploie le procédé CLIP (Continuous Liquid Interface Production, ou fabrication par interface liquide continue en français). Ce dernier se décompose en 2 phases : 

Étape 1 – Impression

Le procédé DLS présente des similarités avec la SLA : en effet, tous deux font usage d’une projection lumineuse sur un réservoir de résine pour produire des pièces solides. Toutefois, les similitudes s’arrêtent là. En DLS, un écran perméable permet le passage des molécules d’oxygène, tout en retenant la résine dans le bac. Ces molécules forment des liaisons microscopiques entre l’écran et la surface liquide communément appelée « dead zone » (zone morte). Cette couche oxygénée empêche la résine de polymériser directement au niveau de l’écran, ce qui fait qu’elle peut continuer à s’écouler dans la zone morte. De cette façon, les pièces obtenues présente des propriétés isotropes, pour lesquelles les pièces fabriquées via DLS de Carbon sont d’ailleurs bien connues.

Étape 2 – Polymérisation

Une fois le processus de formation achevé et la pièce en devenir retirée du bac de résine, selon le matériau utilisé (c’est particulièrement vrai dans le cas de certains matériaux avancés) il peut arriver que la polymérisation ne soit pas complète. Dans ce cas, la pièce est placée dans un four, dont la chaleur permet d’accélérer les liaisons croisées des chaînes polymères et de conférer à la pièce l’intégralité de ses propriétés mécaniques. Les ouvrages obtenus sont extrêmement résistants.

View of Carbon DLS particles in the process
Vue des particules au cours du processus d’impression DLS de Carbon

Les matériaux utilisables avec la technologie DLS de Carbon

Afin d’appréhender pleinement les bénéfices conférés par la technologie d’impression 3D DLS de Carbon, il convient, en premier lieu, d’expliquer les différences entre isotrope et anisotrope.

Anisotrope

Les propriétés mécaniques des matériaux anisotropes (ou des pièces fabriquées à partir de ces matériaux) varient en fonction du plan dans lequel elles sont mesurées. En règle générales, les pièces mécaniques imprimées en 3D sont anisotropes par nature en raison de leur mode de construction, une couche après l’autre. Prenons pour exemple un ouvrage réalisé en FDM, construit en empilant des couches le long de l’axe Z : l’interface entre chaque couche consécutive est un point faible de la structure, où des fissures peuvent apparaître. Ceci finira par induire une défaillance si jamais la pièce doit supporter une charge le long de ce même axe Z.

En revanche, ce genre de faiblesse n’existe pas le long des axes X et Y, et la pièce ne cèdera pas si elle est soumise à une charge sur ces axes-là. Il en résulte que la pièce est plus faible le long de son axe Z, par rapport aux axes X et Y. L’utilisation de pièces anisotropes n’est pas recommandée dans l’industrie médicale, du fait de la complexité des applications dans lesquelles elles peuvent être employées, où des charges peuvent s’exercer dans n’importe quelle direction.

Microscopic comparison of anisotropic and isotropic materials
Comparaison au microscope des matériaux anisotropes et isotropes. Source : Carbon 3D

Isotrope

Les matériaux et pièces isotropes, à l’inverse de leurs homologues anisotropes, ont les mêmes propriétés mécaniques, quel que soit le plan dans lequel ces propriétés sont évaluées et la direction dans laquelle les charges s’exercent, ce qui est absolument critique dans les applications à charges complexes multidirectionnelles. Peu de technologies d’impression 3D peuvent produire des pièces totalement isotropes, et la technologie DLS de Carbon est l’une des rares à en être capable.

Quels sont les matériaux disponibles ?

Le procédé DLS de Carbon est unique dans le sens où il est capable d’imprimer des ouvrages dans des matériaux de type élastomères, donnant au produit fini une résistance et une durabilité comparable à celle du caoutchouc. Certains de ces matériaux sont listés ci-dessous :

  • Uréthane Méthacrylate (UMA 90) – Ce matériau est similaire aux résines utilisées habituellement en SLA, dans le sens où il ne nécessite aucune polymérisation thermique post-impression.
  • Polyuréthane rigide (RPU 70) – Ce matériau est excellent pour la réalisation de pièces mécaniques en raison de sa résistance mécanique et thermique, et de sa robustesse.
  • Polyuréthane flexible (FPU 50) – Ce matériau est une variante flexible des résines polyuréthane. Il bénéficie d’une résistance et d’une solidité accrue.
  • Cyanate Ester (DLS CE 221) – Il s’agit d’un polymère rigide, exceptionnellement résistant aux hautes températures. Il possède également une grande rigidité et une importante résistance mécanique.
  • Époxy (DLS EPX 82) – Cette résine époxy dispose de remarquables propriétés mécaniques et est toute indiquée dans la fabrication de composants structurels.
  • Silicone (SIL 30) – En raison de sa biocompatibilité, ce  copolymère silicone-uréthane est un matériau très demandé dans l’industrie médicale. Il bénéficie également d’une bonne résistance aux déchirures.
  • Polyuréthane élastomère (EPU 40) – Ce matériau est très utilisé dans les applications visant à la réduction d’impacts, ou à l’amortissement des vibrations.

UMA 90

FPU 50

CE 221 3D printed part

CE 221

Carbon DLS SIL 30

SIL 30

CE 221 3D printed part
Carbon DLS SIL 30

Les matériaux ci-dessus ont des propriétés très variées en termes de résistance à la traction, de robustesse, de limite d’endurance, de résistance à l’abrasion et bien d’autres encore. Quelle que soit l’application finale, il y a fort à parier qu’au moins l’un d’entre eux (sinon plusieurs) sera approprié. Toutes ces propriétés sont nécessaires dans les applications médicales où les pièces utilisées, en plus de devoir satisfaire à un haut degré d’exactitude (notamment pour tout ce qui touche à la réalisation de guides ou de maquettes préparatoires à une opération chirurgicale), subissent généralement des niveaux importants de charge, et ce de façon redondante.

L’impression 3D DLS de Carbon appliquée à l’industrie médicale

Application #1 – Guides / Outillage

La technologie DLS de Carbon peut imprimer des pièces pour aider les chirurgiens à positionner plus précisément leurs trocarts, ou tout autre instrument chirurgical. La grande rapidité d’exécution de ce procédé, associé à son coût relativement modeste, permet de l’employer pour réaliser des guides basés sur les scanners 3D ou IRM d’un patient donné. La pièce ainsi réalisée sur-mesure s’adapte exactement au physique du patient, ce qui permet d’augmenter la précision de l’opération et d’en diminuer les risques.

Application #2 – Préparation à la chirurgie

En prévision d’une opération chirurgicale, il est commun pour les chirurgiens d’étudier les données relative au patient, et notamment ses tomographies et ses IRM. Les technologies modernes d’impression 3D permettent une meilleure préparation, en imprimant une réplique exacte, à l’échelle, des organes du patient, basée sur ces mêmes scanners.

Application #3 – Prothèses

La création de prothèses génériques ou sur mesure constitue l’un des champs d’application les plus répandus de l’impression 3D DLS de Carbon dans l’industrie médicale. Fabriquées avec les méthodes traditionnelles, les prothèses spécifiquement réalisées pour un patient s’avèrent généralement très coûteuses. D’un autre côté, les technologies basées sur une fabrication en couches successives (comme la technologie FDM) sont incapables de produire des pièces suffisamment fiables, mécaniquement parlant. La technologie DLS, en revanche, permet de réaliser des prothèses à prix réduits, à partir de matériaux de haute qualité (du genre de ceux utilisés en ingénierie structurelle), avec les propriétés adéquates pour des performances accrues.

Application #4 – Audioprothèses

Le domaine des audioprothèses a également énormément profité de la flexibilité offerte par la technologie DLS de Carbon. Afin de fonctionner correctement, chaque prothèse se doit d’être parfaitement adaptée à la forme du canal auditif du patient. La technologie DLS, en raison de sa grande précision, est tout à fait capable de réaliser de telles prothèses. De plus, elle est la seule à pouvoir les imprimer en utilisant des matériaux souples, de type élastomère, qui seront beaucoup plus confortables d’utilisation.

Application #5 – Prototypage

Les cycles de recherche et développement en ingénierie médicale sont particulièrement rigoureux. Il n’est pas rare de devoir générer de multiples prototypes afin de pouvoir ajuster correctement un produit et de tester sous tous les angles sa forme et ses fonctionnalités. Grâce à la technologie DLS de Carbon, vous pouvez utiliser des matériaux meilleur marché pour fabriquer rapidement des prototypes fonctionnels. Le même procédé pourra être utilisé pour la fabrication du produit final.

Conclusion

Les innovations technologiques portées par l’industrie médicales nécessitent des méthodes et des équipements de fabrication tout aussi avancés afin d’amener rapidement (et à un prix raisonnable) ces innovations sur le marché, et ce sans sacrifier ni à la qualité, ni à la fonctionnalité. Pour découvrir comment faire profiter l’industrie médicale du potentiel offert par la technologie d’imprimerie 3D DLS de Carbon, rendez-vous sur la plateforme de devis instantané de Xometry afin d’obtenir une estimation précise des coûts associés à votre dispositif médical.

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