Solutions pour l`usinage de prothèses totales de hanches

d’après un article technique
Sandvik Coromant
La pose de prothèses totales de hanches est actuellement l'opération chirurgicale la plus courante et la
mieux réussie dans le domaine orthopédique aux
États-Unis. En 2013, plus de 332 000 prothèses de
ce type ont été posées. Ce nombre croît régulièrement en raison du vieillissement de la population,
des progrès de la chirurgie et du développement
de la technologie des matériaux. Plus de 43 millions de personnes souffrent de différentes formes
d'arthrose ou d'arthrite. L'Académie des Chirurgiens
Orthopédiques prévoit que la demande en prothèses
totales de hanches augmentera de 174 % d'ici 2030.
La fabrication d'un nombre de plus en plus grand
d'implants prothétiques nécessite des innovations
constantes et un usinage très efficace.
Les implants médicaux doivent être hypoallergéniques, bio-compatibles et usinés avec préci-sion.
Le chrome-cobalt est le choix de prédilection des
chirurgiens et c'est un très bon matériau pour ce
type d'application exigeante. La résistance du matériau est de la première importance étant donné les
contraintes que les prothèses de hanches doivent
supporter. Les implants médicaux sont soumis à la
fatigue et le chrome-cobalt offre une résistance supérieure avec une grande dureté ainsi qu'une bonne
résistance à la corrosion et à l'usure. Il est facile à
couler en formes complexes et peut être poli très
finement pour obtenir des mouvements sans frottements des prothèses.
Toutefois, les propriétés qui font du chrome-cobalt
un excellent choix pour la fabrication de prothèses
de hanches le rendent difficile à usiner. Mais, même
si l'usinage de matériaux aussi durs et abrasifs que
le chrome-cobalt présente des difficultés, il est possible de l'usiner avec précision et efficacité. Alors
que les exigences qualitatives augmentent, il est
essentiel d'avoir un contrôle parfait des process
d'usinage de ce type de pièce. Un excellent état de
surface doit être produit pour éviter les irrégularités,
les fissures et les débris.
Aucune marge d'erreur
L'utilisation de plaquettes rondes pour le tournage des sphères
intérieures et extérieures de l'acétabule permet de produire des
copeaux plus fins dont l'évacuation ne pose pas de problèmes.
Le rayon des plaquettes rondes offre une entrée en coupe progressive. Avec une plus grande longueur de l'arête engagée en
coupe, l'épaisseur des copeaux est réduite.
Dans le secteur de la fabrication de pièces médicales, le respect des spécifications drastiques du
corps médical et de l'Agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux (Food and Drug
Administration, FDA) est une lourde responsabilité.
Le coût des rebuts peut s'avérer élevé avec des
matières comme le chrome-cobalt. Outre le manque
à gagner dans la production et le temps perdu, les
rebuts dus à un manque d'expérience ou de formation et de connaissances sont financièrement inacceptables pour de nombreux ateliers. Pour obtenir
des process fiables et prévisibles qui garantissent
la répétabilité sans compromettre la qualité, il faut
choisir les outils correctement, appliquer les bonnes
conditions de coupe, produire et évacuer correctement les copeaux et baisser le coût à la pièce. Dans
cette optique, il est souhaitable de s'adjoindre le
TRAMETAL ƒ Septembre 2014 - B ƒ 33
TEMOIGNAGES
Solutions pour l'usinage
de prothèses totales
de hanches en chrome-cobalt
TEMOIGNAGES
Quels types de plaquettes fonctionnent le mieux
dans ce type de matière ? Il convient d'utiliser des
plaquettes qui offrent une arête de coupe résistante
et une très bonne résistance à l'usure en entaille
provoquée par l'abrasion. Les plaquettes rondes
avec un angle de coupe positif présentent plusieurs
avantages. Ces plaquettes permettent d'optimiser le
process de tournage ébauche intérieur des cupules
de prothèses de hanches en offrant un bon équilibre
entre la sécurité et la productivité.
Les pièces des
prothèses de
hanches qui
nécessitent un
usinage sont les
sphères intérieures
et extérieures de
l'acétabule, la tête
du fémur et la tige.
soutien et la formation de représentants de sociétés
d'outillage en relation avec des solutions spéciales
individuelles afin de surmonter les difficultés. On
attend des tolérances de l'ordre du micron et des
coûts à la pièce les plus bas possible, aussi toutes
les connaissances et toute l'expérience dont les ateliers peuvent profiter, les aidera à rester compétitifs
dans ce secteur d'activité.
Problèmes et pièges
Selon l'état dans lequel le chrome-cobalt est fourni
- coulé, forgé ou en barre - les difficultés de l'usinage
varient. Les ébauches coulées nécessitent moins
d'enlèvement de matière que les autres formes,
mais elles ont souvent une croûte dure. La matière
en barre demande normalement une opération de
perçage pour retirer une partie de la matière. Mais
elle est plus facile à usiner que les ébauches coulées
ou forgées car la dureté est plus homogène. Selon
l'échelle de dureté Rockwell C, la dureté du chromecobalt se situe entre 40 et 46 HRc, mais il peut y
avoir des particules atteignant 58 HRc. Il existe une
relation directe entre la dureté de la matière et la durée de vie des outils. Plus un alliage est dur, plus la
durée de vie des outils est courte et plus les arêtes
de coupe s'usent vite.
Choix des outils de coupe
Pour l'usinage de ce type de matière avec des outils à plaquettes indexables, il est inutile de chercher à faire des économies. Lésiner sur la qualité
des outils ne peut qu'apporter des problèmes lors
de l'usinage. Du perçage ébauche à la finition de
l'état de surface, les plaquettes peuvent aussi bien
donner de bons résultats que saccager la tâche.
S'il faut constamment changer les plaquettes ou
remplacer des outils cassés, l'usinage risque fort
d'être tout sauf rentable.
34 ƒ Septembre 2014 - B ƒ TRAMETAL
L'usure en entaille est un problème courant dans
l'usinage de ces pièces. C'est un mécanisme
d'usure qui se concentre à la profondeur de coupe.
Il réduit considérablement la durée de vie de l'outil et
provoque la formation de bavures sur la pièce. Ceci
conduit à la mise au rebut des pièces et réduit la productivité. Avec les plaquettes rondes, en appliquant
un angle d'attaque Kr de moins de 45°, il est possible de profiter d'une bonne fiabilité et d'une bonne
durée de vie d'outil. Les changements d'outils seront
ainsi moins fréquents. Les plaquettes rondes permettent aussi d'augmenter l'avance et la vitesse de
coupe afin d'avoir une productivité maximum. Si la
profondeur de coupe est très inférieure au rayon de
la plaquette, l'épaisseur des copeaux (hex) sera réduite relativement à l'avance et la longueur de l'arête
de coupe sera plus importante. Ceci se traduit par
une réduction des températures générées et par
une possibilité d'accroissement de l'avance et de la
vitesse, ce qui permet de maximiser la production.
Les pièces des prothèses de hanches qui nécessitent un usinage sont les sphères intérieures et extérieures de l'acétabule, la tête du fémur et la tige. Les
opérations nécessaires sont le perçage et le tournage ébauche, la semi-finition, le tournage finition et
le tronçonnage. Il convient de choisir des plaquettes
qui offrent une bonne sécurité de process dans les
coupes longues. Les paramètres importants sont le
rayon de bec des plaquettes, leur revêtement, leur
géométrie et leur nuance.
Le choix du rayon de bec est très important dans les
opérations de tournage. Un grand rayon de bec est
avantageux pour les grandes avances et les grandes
profondeurs de coupe car les arêtes sont plus résistantes et les forces radiales sont plus importantes. À
l'opposé, un petit rayon de bec convient aux petites
profondeurs de coupe ; les plaquettes sont moins
résistantes, mais il y a aussi moins de vibrations. Les
plaquettes résistantes à l'usure et à la chaleur offrant une bonne sécurité permettent d'usiner plus de
pièces. Les revêtements permettent d'augmenter le
temps de coupe en opposant une barrière thermique
au niveau de la zone de coupe. Qu'il s'agisse d'usinage de gorges ou de finition des états de surface,
il convient de sélectionner des géométries conçues
pour l'usinage du chrome-cobalt. Les géométries
polyvalentes très vives avec une ténacité d'arête élevée donnent les meilleures performances.
La précision des conditions de coupe joue un rôle
essentiel dans le contrôle et la prolongation de la
durée de vie des outils pour l'usinage de matières
dures et abrasives. La connaissance des conditions
de coupe correctes et le choix d'outils adaptés sont
des facteurs importants pour la sécurité des process et la productivité qui peuvent aussi contribuer
à prolonger la durée de vie des plaquettes et des
outils. La productivité est maximale lorsque les plaquettes peuvent usiner un lot complet sans avoir à
être remplacées. Il est aussi important d'appliquer
une avance et une vitesse de coupe correctes. Une
avance trop élevée peut provoquer des vibrations
et exercer une pression susceptible d'écailler ou de
casser la plaquette. Si la vitesse de coupe est trop
grande, la chaleur et les frottements augmentent,
ce qui peut écrouir la matière. Lorsque cela arrive, il
s'ensuit une cascade de conséquences qui réduisent
la durée de vie de la plaquette en raison d'une usure
accélérée et qui dégradent l'état de surface ainsi que
les tolérances.
La connaissance des conditions de coupe
correctes et le choix d'outils adaptés sont des
facteurs importants pour la sécurité des process
et la productivité qui peuvent aussi contribuer à
prolonger la durée de vie des plaquettes et des
outils. La productivité est maximale lorsque les
plaquettes peuvent usiner un lot complet sans
avoir à être remplacées.
Contrôle des copeaux
Le contrôle des copeaux est une des difficultés de
l'usinage du chrome-cobalt. Cette matière produit
souvent des copeaux longs qui ne se fragmentent
pas correctement et ont tendance à s'enrouler et
à s'enchevêtrer, ce qui peut conduire à des temps
morts inutiles. En effet, l'arrêt d'une machine pour retirer les copeaux enchevêtrés nuit à la productivité ;
la production ralentit et, au final, la rentabilité souffre.
L'utilisation de l'arrosage haute pression favorise
l'évacuation des copeaux et prévient l'écrouissage
en coupe en empêchant le transfert de la chaleur de
la plaquette vers la matière. L'arrosage haute pression permet d'acheminer le liquide de coupe directement sur l'arête. Cela favorise la fragmentation
et l'évacuation des copeaux et améliore donc la
stabilité des process ; en outre, l'abaissement de la
température au niveau de la zone de coupe prolonge
aussi la durée de vie des plaquettes.
Les techniques d'amincissement radial des copeaux
peuvent aussi être utiles ; c'est une raison supplémentaire pour l'emploi de plaquettes rondes. L'utilisation de plaquettes rondes pour le tournage des
sphères intérieures et extérieures de l'acétabule permet de produire des copeaux plus fins dont l'évacuation ne pose pas de problèmes. Le rayon des
plaquettes rondes offre une entrée en coupe progressive. Avec une plus grande longueur de l'arête
engagée en coupe, l'épaisseur des copeaux est
réduite.
Importance des états de surface
L'intégrité des états de surface est un aspect important qui justifie l'emploi du chrome-cobalt pour les
prothèses de hanches. Il est, en effet, nécessaire
d'utiliser une matière qui supporte l'usure et l'environnement du corps humain pendant toute une vie.
L'état de surface doit être excellent, non seulement
pour le confort des patients et la mobilité - les frottements seront réduits - mais aussi pour les traitements secondaires que les pièces doivent subir
avant d'arriver dans les blocs opératoires. Sans un
état de surface approprié, les codes et indications
qui sont gravés sur chaque pièce à des fins d'identification et de traçage ne seront pas visibles.
À partir de cette année, les implants médicaux fabriqués aux États-Unis doivent porter un identifiant
unique. Cela permettra aux patients, au personnel
médical, aux fabricants et aux autorités fédérales
de suivre chaque dispositif. Tous les implants fabriqués aux États-Unis porteront cet identifiant
d'ici 2018.
Les ateliers doivent produire des pièces de la
meilleure qualité au plus bas coût possible pour rester compétitifs. La demande en prothèses augmente
proportionnellement au vieillissement de la population. Le respect des directives drastiques des autorités et du corps médical présente bien des défis. Le
chrome-cobalt est une des matières les plus dures
et les plus abrasives. Il est difficile à usiner, mais
ses qualités en font un bon matériau pour les prothèses de hanches. Il supporte le poids des patients
et restaure leur mobilité. Il résiste à la corrosion et à
l'usure, il est hypoallergénique et bio-compatible, et
il peut être usiné avec précision pour produire des
articulations exemptes de frottements. L'usinage
de pièces de très grande qualité nécessite de comprendre les paramètres importants tels que le choix
des outils et des conditions de coupe, et le contrôle
des copeaux ; les connaissances, la formation et le
support technique permettent de surmonter les difficultés et de réussir dans ce secteur. ƒ
TRAMETAL ƒ Septembre 2014 - B ƒ 35
TEMOIGNAGES
Connaissances sur les conditions
de coupe