Usinage médical : guide d'expert sur les outils de coupe pour précision et succès

La fabrication d'implants médicaux est prête pour une croissance significative alors que les techniques et matériaux s'améliorent continuellement. Ici, des experts offrent des insights précieux sur les matériaux, méthodes et machines-outils utilisés en usinage médical.

Chaque secteur industriel fait face à des défis uniques, mais l'usinage médical présente certains des plus grands. Tolérances serrées, géométries complexes et traçabilité méticuleuse — ce ne sont que quelques-uns des obstacles que les ateliers médicaux doivent franchir s'ils veulent concurrencer dans ce domaine exigeant.

Heureusement, beaucoup de personnes compétentes sont prêtes à partager des conseils d'application, en commençant par les experts cités ici.

Considérez les matériaux. À côté de l'aéronautique avec ses superalliages haute température, les métaux utilisés pour fabriquer des composants médicaux arrivent en proche seconde en termes de faible usinabilité. Dan Doiron, responsable produit fraisage chez Emuge Corp., explique que les barres et fonderies en cobalt-chrome, par exemple, sont couramment utilisées pour fabriquer le composant fémoral (supérieur) d'un implant de genou, avec le titane servant de plateau tibial en dessous. Les aciers inoxydables comme le 17-4 PH sont aussi assez courants dans les applications médicales, comme les outils d'alignement et de serrage chirurgicaux utilisés lors de l'installation d'implants.

Tous sont durs à usiner, et tous nécessitent des outils de coupe spécifiques au matériau pour la plus grande productivité.

« Quel que soit l'alliage, je recommande toujours que les clients se réfèrent à notre site web ou catalogue lors de la sélection d'outils de coupe, » dit-il. « Nous avons une large gamme de géométries destinées à divers matériaux médicaux, ainsi que des revêtements qui aident à maintenir la longévité et fournissent une durée de vie d'outil optimale. »

Derek Nading, ingénieur d'application pour M.A. Ford Mfg. Co. Inc., est d'accord, notant que les outils de coupe sur mesure sont aussi assez courants dans le secteur médical.

« Nous faisons beaucoup de alésoirs spéciaux et forets à gradins pour usage médical, où un atelier pourrait vouloir compléter deux ou plusieurs caractéristiques de pièce en une seule opération, » dit-il. « Et les fraises à barillet, aussi appelées outils à segment de cercle, deviennent plus populaires aussi, utilisées principalement pour la finition accélérée de prothèses de hanche et autres implants complexes. »

L'ingénieur R&D de KYOCERA SGS, Jake Rutherford, avertit que les revêtements d'outils de coupe pourraient être interdits dans certaines applications médicales particulières.

« C'est pourquoi nous offrons nos outils revêtus ou non revêtus, » dit-il. « J'ai visité des ateliers où il était difficile, voire impossible de valider un processus à cause de préoccupations qu'il y aurait des éléments microscopiques du revêtement laissés sur le composant, qui pourraient, à leur tour, lixivier dans le corps humain. »

Une approche méthodique

Notez ce dernier terme : validation de processus. Comme ceux qui fabriquent des composants aéronautiques critiques, les ateliers médicaux doivent souvent soumettre leurs processus d'usinage pour approbation client, et une fois validés, sont figés en place. Toute déviation de ces processus après coup nécessite des approbations supplémentaires, rendant l'amélioration continue lourde au mieux.

Une leçon de cette histoire est que les ateliers médicaux devraient faire appel à des experts en outils de coupe tôt dans le cycle de développement du processus. Cela aide à s'assurer qu'ils sélectionnent les meilleurs outils, déterminent les trajectoires d'outils les plus efficaces possibles, et évitent de retourner chez le client pour des changements post-validation. Dans d'autres cas, cependant, le faire vaut bien l'effort, surtout sur des travaux qui tournent depuis des années, ou où l'atelier est autrement dépassé en termes de technologie d'outils de coupe.

Un cas concret vient d'OSG USA Inc., où le responsable de district Dustin Loschiavo travaille étroitement avec un atelier médical du Michigan.

« Nous et certains de nos ingénieurs avons visité leur installation l'octobre dernier après qu'ils ont accepté de s'associer à nous, » dit Loschiavo. « Nous avons évalué leurs processus, regardé leurs machines-outils et bridage, et livré des solutions qui leur feraient économiser plus de 300 000 $ par an sur seulement quatre composants. »

Le responsable régional d'OSG, Chris Dravis, n'est pas surpris. « Dans ce cas particulier, ils utilisaient une technologie d'outil de coupe vieille de 10 ans, » dit-il. « En les faisant passer à des outils conçus pour les trajectoires d'outils modernes, ils ont pu augmenter considérablement l'engagement de coupe, améliorant significativement la durée de vie d'outil et les taux d'enlèvement de matière. Accordé, il y a des coûts internes associés à leur retour chez le client et le temps pour re-valider les processus, mais dans ce cas et beaucoup d'autres, ça en vaut vraiment la peine. »

Le responsable de district d'OSG, Aaron Kwapniewski, est d'accord, notant qu'il y a actuellement plus de 6 500 fabricants de dispositifs médicaux domestiques, et qu'il continue d'y avoir une forte demande sur tous pour réduire les délais et rogner les prix. « S'ils ne profitent pas des derniers et meilleurs outillages, ils laissent de l'argent sur la table et se mettent à risque, peut-être, de perdre des affaires face à d'autres concurrents, » note-t-il.

Dan Doiron d'Emuge a eu des expériences similaires. Il dit que des protocoles stricts pour assurer la cohérence de la fabrication d'implants existent. La traçabilité est critique, exigeant que les entreprises documentent quel lot de matériau, quelle machine-outil et même le type de fluide de coupe ils utilisent pour une pièce spécifique. « Changer pour une marque d'outil de coupe différente n'est généralement pas permis sans une revue sur pourquoi ce changement est nécessaire, » dit-il. « Malgré cela, c'est souvent une douleur nécessaire si les ateliers veulent rester compétitifs. »

Beaucoup de ces pièces sont petites, tombant facilement dans le territoire du micro-usinage. L'ingénieur d'application de KYOCERA SGS, Jacob Rak, a énuméré une poignée de composants médicaux plus petits, des stents et vis osseuses aux pièces pour pompes cardiaques et capteurs de surveillance respiratoire. Les tours CNC de type suisse ont longtemps été utilisés pour usiner beaucoup de ces pièces, avec les centres d'usinage 5 axes plus courants pour la fabrication d'implants.

« Les pièces médicales ont souvent des géométries uniques et sont faites de matériaux difficiles, donc c'est un travail exigeant, » dit-il. « Quel que soit ce que vous fabriquez, vous avez besoin du meilleur équipement que vous pouvez vous permettre si vous voulez être compétitif. »

Élevez la barre du porte-outil

Quelle que soit la machine-outil, quelle que soit la pièce, tolérances serrées et finitions de surface extrêmement fines signifient que les fabricants doivent aussi élever la barre sur leur porte-outil. Le besoin de concentricité minimale et de rigidité maximale exige l'utilisation de mandrins shrink-fit ou hydrauliques partout où possible. Les micro-outils peuvent nécessiter un investissement dans des têtes rapides (speeder heads) pour atteindre le régime de fonctionnement correct, et le fluide de coupe filtré haute pression est un must. Et suivez toujours les recommandations du fabricant d'outils de coupe — la plupart conviennent que les machinistes ont souvent peur de pousser les outils aussi fort qu'ils le devraient, ce qui mène généralement à une usure prématurée.

Certains ont aussi peur d'investir dans des outils de haute qualité ou de demander de l'aide pour les sélectionner. C'est selon Doiron, qui a noté qu'Emuge — comme la plupart des fabricants d'outils de coupe — effectue des tests scientifiques de grades carbure, revêtements, angles de dépouille et d'hélice, évacuation de bout, etc. Oui, toutes ces entreprises veulent vendre des outils, mais la meilleure façon de le faire est de fournir à leurs clients des résultats réussis.

« L'investissement dans l'outil optimal pour une application peut faire la différence entre tourner en lights-out, ou même entre profit et perte, » note-t-il. « C'est mon expérience, tant comme utilisateur final qu'ici chez Emuge. »

Quels conseils ou techniques pouvez-vous partager sur l'usinage médical ? Faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous.