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Development of ceramic and multi material components by additive manufacturing methods for personalized medical products

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La fabrication additive de céramique prend une nouvelle dimension

La fabrication additive (FA) de céramique promet des géométries jusqu’ici impossibles pour une large gamme de composants, des bijoux personnalisés aux instruments chirurgicaux.

Technologies industrielles

Le projet CerAMfacturing, financé par l’UE a développé une approche totalement nouvelle pour la FA multi-matériaux de céramique. «En permettant la production en série de composants personnalisés et multifonctionnels pour de multiples applications, il est possible d’obtenir des combinaisons de propriétés jusqu’alors incompatibles, comme des composants électriques conducteurs/isolants, denses/poreux ou bicolores», explique le Dr Tassilo Moritz de l’Institut Fraunhofer pour les technologies et les systèmes céramiques (IKTS), coordinateur de projet. Des processus de production différents pour une large gamme de produits Les chercheurs ont développé trois systèmes polymériques sur mesure pour fabriquer des composants céramiques multifonctionnels: la fabrication par dépôt de filament fondu (DFF), l’impression 3D thermoplastique (T3DP) et la fabrication de céramiques par lithographie, désormais connue sous le nom de photopolymérisation en cuve (VPP). Tous ces processus ont leurs propres utilisations et applications spécifiques. Avec le DFF, par exemple, il est possible de produire rapidement des composants volumineux et complexes avec une efficacité matérielle élevée. La T3DP est particulièrement utile pour une approche multi-matériaux et applique des microgouttelettes de suspension pour la fabrication par points. La VPP, quant à elle, utilise une couche de suspension céramique durcissable à la lumière qui peut ensuite être frittée à pleine densité. L’équipe de CerAMfacturing a développé cinq composants d’études de cas très différents: un élément chauffant infrarouge (IR), un implant rachidien, un implant partiel du genou, une micro-pince chirurgicale et un boîtier de montre personnalisé. Personnalisé et unique Initialement, les données de spectrographie par résonance magnétique sont transférées dans des fichiers CAD pour produire des implants médicaux spécifiques au patient, tels des implants du genou ou de la colonne vertébrale, des pinces chirurgicales et des appareils thérapeutiques. En fonction de l’anatomie et des besoins du client, l’équipe sélectionne le matériau ou les combinaisons de matériaux souhaités ainsi que la technologie de FA appropriée pour produire les composants de l’étude de cas. En outre, de nouveaux filaments, suspensions et matières premières remplis de particules de céramique ou de métal ont été mis au point pour différents procédés de FA. Les trois nouvelles machines de FA développées pour une utilisation multi-matériaux pour la VPP, la FFF et la T3DP ont été présentées avec succès lors d’un atelier du projet organisé par Fraunhofer IKTS au cours de la seconde moitié du projet et lors d’un atelier sur les matériaux hybrides et les procédés de fabrication additive (HyMaPro) après la clôture du projet avec Fraunhofer IWS. La vidéo du projet présente ces trois machines. Trois films distincts ont récemment été publiés dans le Journal of Visualized Experiments (JoVE). Résoudre les imprévus Le réchauffeur de prothèse IR initialement prévu s’est avéré être trop volumineux pour être fabriqué par les trois machines de FA et a été remplacé par un réchauffeur IR beaucoup plus petit avec une structure de chauffage méandrique fermée. Pour un autre problème dû au coefficient de dilatation thermique incompatible de la combinaison de matériaux initiale, un nouveau partenariat acier inoxydable/zircone a été sélectionné. L’avenir de la FA en céramique «La personnalisation constitue l’une des priorités», souligne le Dr Moritz. «Le projet CerAMfacturing a permis de montrer à une communauté plus large les possibilités offertes par les techniques de FA pour individualiser ou personnaliser les produits médicaux et de consommation», poursuit-il. La personnalisation des produits de consommation pour un style de vie plus sophistiqué est «à la mode» et la technique de FA protégera ces produits de la contrefaçon et du piratage. Deux demandes de brevet ont été déposées sur la base des résultats du projet. Afin de mieux promouvoir les résultats du projet CerAMfacturing en tant qu’outil de marketing, «CerAM», en combinaison avec les trois méthodes de FA développées, doivent être enregistrés en tant que marques: CerAM FFF, CerAM T3DP et CerAM VPP. «Le projet ouvrira la porte à l’hybridation de matériaux et de procédés et apportera une contribution remarquable à la communauté scientifique en matière de combinaison de matériaux différents par des méthodes de FA», conclut le Dr Moritz.

Mots‑clés

CerAMfacturing, céramique, méthodes de FA, implant, fabrication additive, chirurgical, multi-matériaux, réchauffeur IR, fabrication de filaments fondus, impression 3D thermoplastique, fabrication de céramique par lithographie, photopolymérisation en cuve

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