Des chercheurs de Skoltech et MEPhI ont mis au point une technique de polissage au laser qui élimine efficacement à la fois la rugosité de surface et les pores sous la surface des pièces métalliques de forme complexe fabriquées avec une imprimante 3D. Décrit dans Optiques et technologie laser , la nouvelle méthode est particulièrement bien adaptée au traitement de surface des implants médicaux. L'article démontre qu'il surpasse les techniques précédemment disponibles, qui ont tendance à bien fonctionner lorsque la rugosité ou la porosité est le problème, mais pas les deux.

"Les imprimantes 3D peuvent produire des pièces métalliques de formes très complexes, mais la surface finit par être rugueuse et il y a des pores indésirables à environ un dixième de millimètre sous la surface", a déclaré le premier auteur de l'étude, Skoltech Materials Center Ph.D. a commenté l'étudiant Daniil Panov. "Notre groupe a modifié le processus de polissage au laser conventionnel de manière à réduire à la fois la rugosité de surface et la porosité sous la surface d'un facteur d'environ 10 sur l'acier ; et il n'y a aucune raison pour qu'il ne fonctionne pas avec du titane ou du cobalt-chrome - le d'autres matériaux courants pour les implants médicaux."

Ceci est remarquable, car aucune autre technique de finition ne peut résoudre ces deux problèmes à la fois de manière satisfaisante. Le polissage au laser conventionnel, par exemple, est bon pour traiter la rugosité de surface, mais il n'aide pas vraiment avec les pores indésirables, car il ne fait pas fondre le métal assez profondément pour atteindre les pores enfouis à environ 0,1 mm sous la surface. D'autres techniques basées sur l'impact utilisent des particules ou des impulsions laser pour "marteler" à plusieurs reprises la surface, ce qui entraîne l'élimination des pores, mais celles-ci obtiennent des résultats modérés lorsqu'il s'agit de réduire la rugosité de surface - en fait, certaines d'entre elles l'augmentent même.

"L'idée derrière la méthode est simple :plutôt que d'effectuer plusieurs passages sur la surface avec un laser à une puissance "optimale", comme cela se produit dans le polissage au laser conventionnel, nous augmentons la puissance pendant l'un des passages, en faisant fondre une couche plus épaisse de métal », explique Panov. "La puissance optimale est appelée ainsi pour une raison, donc ce réglage sacrifie une certaine qualité de surface en termes de rugosité. Mais ce compromis mineur de plusieurs pour cent est vraiment insignifiant si l'on considère le gain de se débarrasser des défauts de sous-surface embêtants."

La seule alternative serait un traitement en machine, qui enlève mécaniquement les 0,2 mm supérieurs du matériau, supprimant les pores et laissant une surface lisse. Cependant, cela va à l'encontre de l'objectif de l'impression 3D, car si la forme est suffisamment simple pour être usinée, une imprimante 3D n'aurait probablement pas été utilisée en premier lieu.

"Nous avons également étudié comment notre technique de finition affecte la fatigue du métal", a ajouté Panov. "Avec la rugosité de surface et la porosité sous la surface, cette propriété est également importante pour les implants médicaux, car ils sont exposés à des contraintes mécaniques répétées. Il s'est avéré que non seulement vous obtenez une réduction d'environ 90 % de la rugosité et de la porosité, mais le matériau résultant gagne également en propriétés de fatigue."

Alors que dans cette étude, les chercheurs ont travaillé avec de l'acier, ils disent que leur technique peut être transférée à des pièces imprimées en 3D faites des deux autres métaux couramment utilisés dans les implants médicaux :le titane et l'alliage cobalt-chrome. C'est ce sur quoi l'équipe travaille actuellement.

"Les pores souterrains sont les points faibles à partir desquels la détérioration des matériaux commence après l'exposition à des charges cycliques, il est donc essentiel qu'ils soient éliminés", a déclaré Panov. "De plus, si vous regardez une articulation artificielle du genou, par exemple, vous remarquerez qu'elle a une forme complexe et que certaines de ses surfaces sont exposées à des frottements répétés - et doivent donc être extrêmement polies - mais pour d'autres, une certaine rugosité pourrait être bénéfique en termes d'intégration avec les tissus biologiques. Le polissage au laser a la précision nécessaire pour atteindre ce type de sélectivité."

Le chercheur principal de l'étude, le professeur agrégé Igor Shishkovsky du Center for Materials Technologies de Skoltech, a commenté :« Ce qui rend également notre technique intéressante, c'est que vous pouvez l'utiliser pour créer des surfaces structurées avec des micro-motifs artificiels. Cela peut aller des effets les plus connus telles que l'amélioration des propriétés d'absorption d'huile de la surface, les conditions de mouillage et la gravure triviale à des tâches plus difficiles :structuration de la surface de l'implant avant la chirurgie, placement de l'étiquette d'identification et formation de grilles de diffraction sur la surface pour le diagnostic fonctionnel de l'appareil, entre autres. + Explorer plus loin

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