Une solution d’usinage pleinement adaptée au travail de pièces de prothèses de hanche

Les prothèses de hanche doivent être fabriquées avec une grande précision, notamment dans la zone de jonction entre la tige fémorale et la rotule. Pour y parvenir, Ceratizit a développé une solution d’usinage basée sur un système d’axe U et un alésoir conique. En combinaison avec d’autres outils de précision de la gamme Ceratizit, les tolérances requises sont respectées, tout en augmentant la productivité par rapport aux méthodes de production conventionnelles.

Les prothèses de hanche se composent généralement d’une tige fémorale, d’une articulation sphérique nommée tête fémorale, d’un insert intermédiaire garantissant un mouvement aussi fluide que possible et d’une cupule cotyloïdienne implantée dans l’os iliaque. Lors de leur fabrication, une attention particulière doit être accordée à la connexion entre la tige fémorale et la tête afin que les surfaces coniques s’emboîtent parfaitement, et elles doivent être produites avec une précision et une qualité de surface maximales.

Les outils utilisés jouent donc un rôle crucial dans la fabrication de ces composants. Dirk Martin, responsable des applications médicales chez Ceratizit et membre de la Team Cutting Tools, explique : « Une prothèse de hanche est fabriquée à partir de matériaux difficiles à usiner et les éléments qui la composent doivent être réalisés dans les tolérances les plus serrées, mais aussi de manière économique. En résumé, une prothèse de hanche doit être abordable pour le plus grand nombre de personnes possible. Le rôle de Ceratizit consiste donc à développer des solutions d’outils adaptées à ces tâches. » 

Tester toutes sortes d’approches et retenir la solution optimale

L’expérience de Ceratizit dans le secteur de l’usinage est le fruit d’une connaissance approfondie d’une large gamme d’outils standard et spéciaux ainsi que de l’expertise d’usinage associée. « Grâce à notre vaste gamme de produits et à l’expérience de nos spécialistes d’application, nous sommes extrêmement bien placés pour apporter notre soutien et développer des stratégies d’usinage pour des applications telles que la connexion entre la tige et la rotule, explique Dirk Martin. Grâce à notre gamme d’outils, nous pouvons tester toutes sortes d’approches pour finalement ne retenir que la solution optimale. »

Dans le cas de la prothèse de hanche, les composants ont des exigences particulièrement élevées et variées. Pour la tige fémorale, fabriquée en alliage de titane à haute résistance Ti6Al4V, une tolérance angulaire de seulement +/-5′ doit être obtenue dans la zone de connexion 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 important que le rapport de contact spécifié pour le cône soit atteint et qu’un profil de rainure défini avec précision soit produit.

La rotule est, quant à elle, fabriquée dans un alliage à base de cobalt (Co-Cr-Mo). Son alésage conique doit présenter les mêmes tolérances de forme, angulaires et dimensionnelles, ainsi que le rapport de contact spécifié. De plus, il ne doit présenter ni trace d’usinage ni arête vive. Dirk Martin souligne un autre facteur crucial : « Nous avons besoin d’une solution d’usinage qui soit adaptée à la production en série. Cela signifie que l’usinage doit être sécurisé et nécessiter le moins de surveillance possible. »

Axe U et alésoir conique spécial

Pour produire le profil extérieur conique, les spécialistes de Ceratizit ont opté pour une ébauche avec une fraise conique en carbure monobloc. La semi-finition et la finition sont ensuite réalisées à l’aide d’un axe  U de Ceratizit. « Il s’agit d’un axe NC interchangeable et librement programmable pour les centres d’usinage, qui peut être utilisé pour l’usinage de contours ou pour le tournage, explique Dirk Martin. Les porte-outils et les plaquettes peuvent être employés pour créer des formes dans les alésages et/ou les travaux d’usinage extérieurs, réduisant de façon conséquente les temps de production, tout en offrant une qualité de surface optimale et une précision de forme plus élevée que d’habitude ». Cela signifie que la structure de la rainure souhaitée peut être produite sur le cône de la tige, même sur un centre d’usinage. L’avantage de ce procédé réside dans le fait que toutes les opérations d’usinage peuvent être réalisées sur une seule machine, alors qu’avec un procédé traditionnel un tour et un centre d’usinage seraient requis, générant des opérations de reprise, des montages, des coûts d’outils et d’outillages supplémentaires impliquant une perte de rentabilité.

Pour la production de l’alésage conique dans la rotule, la solution de Ceratizit permet la réalisation des différentes phases sur un tour CN : tout d’abord, un dressage de face afin d’obtenir une surface plane nécessaire à l’attaque du foret spécial en carbure monobloc à 180° qui produit un fond plat. Ensuite, un outil de tournage multi-fonctions EcoCut Classic est utilisé pour produire avec précision la semi-finition du cône, la finition étant quant à elle assurée par un alésoir conique spécial en carbure monobloc permettant de respecter les tolérances dimensionnelles et surfaciques extrêmement serrées. La possibilité de ré-affûtage de cet outil génère d’importantes économies. Dirk Martin commente : «  Nous étions également en mesure de produire le contour interne avec la précision requise avec un axe U. Cependant, l’utilisation de l’alésoir est la meilleure option technique et économique pour l’obtention de la qualité de surface ultra lisse exigée. »

Dans l’ensemble, l’approche de Ceratizit permet de produire les contours critiques de la prothèse de hanche en toute sécurité et de manière extrêmement économique. Le modèle de contact obtenu (rapport de contact et surface de contact) et les tolérances pour les deux processus d’usinage sont bien en dessous des limites spécifiées. Dirk Martin est fier du travail d’équipe accompli : « Grâce à cette approche, nous avons pu nous positionner en tant que fournisseur de services complets pour notre client, une entreprise de technologie médicale renommée, avec la perspective d’autres commandes. » 

EQUIP PROD • N°129 Juin 2021