Fabrication précise : nous avons conçu une solution de fabrication économique pour une jonction précise entre l'implant fémoral et la tête fémorale !

Les prothèses de hanche doivent être conçues avec une précision extrême. Il s’agit notamment de la zone de jonction entre l'implant fémoral et la tête fémorale. La solution d’usinage que nous avons conçue s’appuie essentiellement sur l’utilisation d’un système d’axe U et un alésoir de forme. Ces outils de précision (et les autres) permettent de respecter toutes les tolérances requises, tout en augmentant la productivité par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles

Si une articulation de la hanche compromet la qualité de vie en raison d’une limitation des mouvements et de douleurs persistantes, et que les méthodes de traitement conservatrices ne sont plus d’aucune aide, de nombreuses personnes décident de se faire implanter une prothèse, cela se produit plus de 200 000 fois par an en Allemagne. Ils espèrent une amélioration durable. Pour cela, outre un bon chirurgien et des soins de premier ordre, des « pièces de rechange » de qualité supérieure sont également nécessaires.

Une prothèse de ce type se compose généralement d’un implant fémoralavec une tête fémorale, d’une cupule ’acétabulum' et d’une pièce intermédiaire offrant des propriétés de glissement optimales. Une attention particulière doit être accordée à la jonction entre l'implant fémoral et la tête fémorale qui y est attachée. Pour que les surfaces coniques s’adaptent parfaitement, elles doivent être conçues avec la plus grande précision et la meilleure qualité de surface.

Lors de la fabrication de ces composants, les outils utilisés jouent un rôle décisif. Dirk Martin, notre responsable Applications médicales explique : « Une prothèse de la hanche se compose de matériaux difficiles à usiner qui sont non seulement soumis à des tolérances strictes, mais doivent également être usinés de la manière la plus économique possible. Finalement, une prothèse de hanche doit être disponible pour de nombreuses personnes dans une qualité optimale. Nous nous efforçons, constamment, à trouver des solutions adaptées à ces opérations d'usinage. »

Utile pour trouver des solutions : une vaste expérience et un large éventail d’outils

Le groupe CERATIZIT est un fournisseur complet dans le secteur de l’usinage, disposant d’un accès à une large variété d’outils de conception standard et spéciale et à un savoir-faire approfondi en matière d’usinage. « Avec notre vaste gamme de produits et l’expertise de nos techniciens d'application, nous sommes parfaitement équipés pour relever les défis que représentent l'usinage de la zone de jonction entre l'implant et la tête fémorale », explique le responsable d’application M. Martin. « Nous pouvons utiliser notre large programme d’outils pour tester différentes approches afin de trouver finalement la solution optimale. »

Dans le cas de la prothèse de la hanche, les exigences du client sont particulièrement élevées et multiples. L'implant fémoral en alliage de titane à haute résistance Ti6Al4V affiche une tolérance angulaire de seulement +/-5’ dans la zone de jonction de forme conique. Les autres tolérances sont de 3 µm pour la rectitude, 8 µm pour la circularité et 60 μm pour le diamètre. Il est également primordial que le taux de portance spécifié soit atteint dans le cône et qu’un profil rainuré défini avec précision soit produit.

La tête fémorale est généralement réalisée dans un alliage de base cobalt (Co-Cr-Mo). Leur perçage conique doit conserver les mêmes tolérances élevées de forme, d’angle et de dimension, ainsi que le taux de portance spécifié. De plus, aucune marque, aucune strie ne doit être créé pendant l’usinage. Dirk Martin ajoute un autre facteur décisif : « Nous avons besoin d’une solution de fabrication adaptée à la production de masse. Cela signifie que le processus d’usinage doit être fiable et nécessiter le moins de surveillance possible. »

L’axe U flexible et l’alésoir conique spécial représentent les clés du succès

Pour la réalisation des contours extérieurs coniques, nous avons opté pour une fraise conique en carbure monobloc. Un système d’axe U prend en charge l’ébauche et la finition. « Il s’agit d’un axe CN interchangeable et librement programmable pour les centres d’usinage, explique Dirk Martin, permettant toutes les opérations de contournage et de tournage. Les porte-outils et les plaquettes amovibles peuvent être utilisés pour la réalisation de formes intérieures ainsi que pour les opérations d’usinage extérieur. Cela permet généralement de réduire considérablement les temps de production, avec une qualité de surface optimisée et une précision dimensionnelle supérieure aux méthodes conventionnelles ». Et cela signifie que la forme conique de l'implant fémoral peut également être produite sur un centre d’usinage. Avec l’avantage que toutes les opérations d’usinage peuvent avoir lieu sur une seule machine. De manière conventionnelle, un tour et une fraiseuse seraient nécessaires, impliquant des ajustements, du temps et des coûts supplémentaires.

Pour la réalisation de l’alésage conique dans la tête fémorale, notre solution implique les étapes suivantes sur un tour : tout d’abord, la pièce est dressée afin de présenter une surface plane pour le foret en carbure 180° à 4 listels. Celui-ci produit donc un perçage à fond plat. L’usinage de la forme conique est réalisé avec un outil multi-fonctions de tournage EcoCut Classic, avant qu’un alésoir conique spécial en carbure monobloc ne vienne réaliser la zone de contact optimale avec une qualité de surface et une tolérance parfaites. Sa capacité en terme de qualité de finition permet à l’utilisateur d’économiser des coûts de production supplémentaires. Dirk Martin commente : « En matière de précision, nous pourrions également créer le contour intérieur avec un axe U. Cependant, l’alésoir représente la méthode optimale pour obtenir la surface extrêmement lisse requise. »

Perspectives pour l’avenir

En résumé, les formes critiques des éléments composant la prothèse sont conçues de manière très sûre et extrêmement rentable, grâce à notre solution. Le modèle de contact souhaité (taux de portance et surface portante) ainsi que les tolérances se situent, pour les deux usinages, largement au-dessous des limites prescrites. Dirk Martin est fier des performances de ses équipes : « Nous avons ainsi pu nous positionner auprès de notre client, une entreprise d’industrie médicale de renom, comme un prestataire complet : avec la perspective de nouvelles commandes. » Cela nous a permis également de démontrer nos compétences pour des applications similaires, par exemple pour la réalisation de prothèses d'épaules ou de genou.

Notre solution en bref et les atouts concrets

Contour extérieur conique de la l'implant fémoral (réalisé sur un centre d'usinage) :

Pré-ébauche avec une fraise spéciale de forme conique en carbure monobloc
- Ø 12,0 mm / z4
- Vc 90 m/min, fz 0,12 mm, Apmax 16 mm
Usinage ultérieur optimisé grâce à l’axe U avec la plaquette amovible spéciale avec un rayon de 0,8mm
- Ébauche avec Ap(1) : 0,20 mm et Fz(1) : 0,10 mm
- Finition avec Ap(2) : 0,03 mm et Fz(2) : 0,24 mm

Réalisation de l'alésage conique dans la tête fémorale sur un tour CN :

Perçage à fond plat avec un foret carbure à 180° spécial D12 avec 4 listels
Utilisation de l’EcoCut pour l’usinage ébauche des formes(EcoCut Classic 3xD avec XCNT 040102ER CTPP430)
Finition avec un alésoir conique en carbure monobloc spécial avec une conicité de 5°42‘30“ +/-5‘