Essais de fatigue de dispositifs biomédicaux fabriqués par fabrication additive : pourquoi la charge multiaxiale est importante
Pour les composants biomédicaux, les essais de fatigue représentatifs de la charge physique sont essentiels pour saisir l’effet des défauts, de l’anisotropie et d’autres variabilités sur la durabilité, ainsi que pour obtenir l’approbation réglementaire.
Écrit par : Rebecca Reiff-Musgrove
La fabrication additive (FA) est de plus en plus adoptée pour les dispositifs biomédicaux, en particulier lorsque la géométrie spécifique au patient, les structures internes complexes et l’itération rapide offrent des avantages cliniques évidents. Les implants orthopédiques, les dispositifs rachidiens, le matériel de fixation et les outils chirurgicaux associés sont désormais couramment produits à l’aide de procédés de fabrication additive de métaux et de polymères. Étant donné que ces composants sont destinés à des applications à long terme et porteuses de charge, la performance en fatigue devient un facteur essentiel pour garantir la sécurité, la durabilité et l’approbation réglementaire.
Les dispositifs biomédicaux subissent rarement des charges uniaxiales simples en service. Ils sont exposés à des historiques de charge multiaxiale complexes, dictés par le mouvement humain. Pour les pièces fabriquées par fabrication additive, déjà sensibles aux défauts, à l’anisotropie et à l’état de surface, cette complexité de charge présente des défis uniques qui doivent être relevés par des programmes d’essais de fatigue soigneusement conçus.
Pourquoi la fatigue est importante pour les dispositifs biomédicaux fabriqués par fabrication additive
La défaillance par fatigue est un risque bien connu pour les dispositifs biomédicaux. Des composants tels que les tiges de hanche, les plaques osseuses, les tiges rachidiennes et les implants dentaires doivent supporter des millions de cycles de charge sur des années ou des décennies de service pour éviter des chirurgies de retrait complexes. Même lorsque les contraintes restent bien en dessous de la résistance statique du matériau, des charges répétées peuvent entraîner l’amorçage de fissures, leur croissance et, finalement, une défaillance catastrophique.
Pour les composants biomédicaux fabriqués par fabrication additive, on ne peut pas supposer que le comportement en fatigue corresponde à celui des équivalents fabriqués de manière traditionnelle. Les procédés de fabrication additive introduisent des caractéristiques microstructurales telles que la porosité, les défauts de manque de fusion, la rugosité de surface et les contraintes résiduelles, qui peuvent toutes réduire considérablement la durée de vie en fatigue. De plus, la nature couche par couche de la fabrication additive crée des propriétés mécaniques directionnelles qui interagissent fortement avec les modes de charge physiologique.
Complexité de la charge physiologique : au-delà de la fatigue uniaxiale
De nombreux programmes de fatigue conventionnels reposent sur une charge de traction ou de compression uniaxiale. Bien que cela puisse fournir des données de base utiles, cela représente une simplification de l’environnement de charge réel in vivo subi par les implants biomédicaux.
En service, les composants biomédicaux sont fréquemment soumis à des charges axiales et de torsion combinées — par exemple, les implants de hanche et de genou subissant simultanément une charge compressive et des moments de torsion pendant la marche, ou les dispositifs de fixation subissant un cisaillement cyclique et une rotation aux interfaces os-implant. Ignorer ces modes de charge combinés risque de sous-estimer l’accumulation des dommages et de déformer la performance en fatigue réelle.
Les essais combinés axiaux-torsion offrent un cadre puissant pour mieux représenter la charge physiologique tout en offrant un aperçu plus approfondi du comportement anisotrope des matériaux fabriqués par fabrication additive.
Aperçus du comportement en fatigue axiale-torsion
De nombreux procédés additifs, en particulier le dépôt de filaments polymères et certains procédés métalliques, produisent une microstructure laminée. Les propriétés mécaniques dépendent donc de la direction de la charge par rapport aux couches déposées. En appliquant des charges axiales et de torsion simultanées, les ingénieurs peuvent interroger le comportement apparent en traction et en cisaillement sur une gamme d’orientations.
Ces effets sont particulièrement pertinents pour les implants où les chemins de charge s’alignent rarement sur un seul axe principal. Sans essais multiaxiaux, un tel comportement resterait caché dans les ensembles de données de fatigue uniaxiale conventionnels.
Essais représentatifs et aperçu au niveau de l’implant
Pour les dispositifs biomédicaux, les essais de fatigue au niveau de l’échantillon sont souvent insuffisants. La géométrie locale, les structures en treillis, les formes de filetage et les traitements de surface peuvent dominer le comportement en fatigue. Les systèmes d’essais de fatigue à charge combinée offrent une plateforme flexible qui peut évoluer du criblage des matériaux aux essais représentatifs au niveau des caractéristiques ou des composants, aidant les ingénieurs à mieux comprendre comment les implants fabriqués par fabrication additive se comportent dans des conditions de service réalistes.
Comment Instron prend en charge les essais de fatigue multiaxiale pour les dispositifs biomédicaux fabriqués par fabrication additive
Instron® possède une vaste expérience dans le soutien des essais de fatigue et de durabilité pour les applications biomédicales, y compris les matériaux et composants fabriqués par fabrication additive. Les systèmes de fatigue axiale-torsion combinés tels que l’ElectroPuls® sont des solutions établies et prêtes à l’emploi capables de fournir une charge multiaxiale précise et reproductible.
Les systèmes ElectroPuls permettent aux ingénieurs biomédicaux de :
- Effectuer des essais de fatigue axiale et de torsion combinés précis
- Maintenir un alignement précis pour les matériaux fabriqués par fabrication additive anisotropes et sensibles aux défauts
- Caractériser la durée de vie en fatigue dans des conditions de charge physiologique réalistes
- Générer des données robustes et défendables, adaptées à la vérification de la conception et à la soumission réglementaire
Conclusion
Alors que la fabrication additive continue de transformer la conception des dispositifs biomédicaux, les essais de fatigue doivent évoluer pour refléter à la fois les réalités matérielles de la fabrication additive et la complexité de la charge physiologique. Les essais de fatigue axiale-torsion combinés constituent un outil puissant pour révéler l’anisotropie, comprendre les mécanismes de dommage et générer des données qui reflètent mieux la performance en service.
En combinant une charge multiaxiale représentative avec des systèmes d’essais de haute qualité et reproductibles, les ingénieurs biomédicaux peuvent évaluer en toute confiance la performance en fatigue, réduire les risques de qualification et mettre en œuvre en toute sécurité des dispositifs innovants et spécifiques au patient fabriqués par fabrication additive pour un usage clinique.
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À propos de l’auteur
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove est responsable du développement commercial pour ElectroPuls chez Instron. Son parcours comprend un MSci de l’Université de Cambridge avec un accent sur les propriétés de surface des pièces fabriquées par fabrication additive, ainsi que des rôles antérieurs dans les essais de matériaux pour l’industrie de la fabrication additive. Chez Instron, elle a occupé une série de rôles techniques et commerciaux, ce qui lui confère une compréhension approfondie de la technologie et des défis des clients qu’elle aborde.