Éviter les erreurs d'usinage

La découpe de composants pour l'industrie médicale ressemble beaucoup à la chirurgie : le succès est gratifiant, mais l'opération peut être difficile. Les complications découlent de la conception et des spécifications difficiles des pièces, ainsi que des exigences strictes des organismes de réglementation, tels que la Food and Drug Administration. Ainsi, comme les chirurgiens, les ateliers ont besoin de connaissances, d'outils, de techniques et de pratiques spécifiques pour mener à bien les opérations médicales.

L'un des principaux défis auxquels sont confrontés les ateliers qui usinent des pièces médicales est de savoir comment traiter les différents matériaux. Par exemple, les implants rachidiens étaient autrefois constitués de matériaux courants comme le titane et l'acier inoxydable, a déclaré Mike MacArthur, vice-président de l'ingénierie chez RobbJack Corp., un fabricant d'outils de coupe en carbure monobloc à Lincoln, en Californie. Maintenant, cependant, les matériaux de ces implants comprennent des polymères comme le polyéther éther cétone et des options transparentes qui permettent aux médecins de voir à travers eux pour vérifier la progression du tissu cicatrisant.

"Nous développons donc des géométries spécialisées pour couper ces matériaux uniques", a-t-il déclaré.

RobbJack fabrique également des outils pour usiner des lentilles intraoculaires implantées dans les yeux. Ces lentilles étaient autrefois en plastique dur et rigide. Mais aujourd'hui, MacArthur a déclaré que les matériaux de choix sont des polymères souples et pliables qui permettent de plier les lentilles, ce qui les rend plus faciles à placer dans les yeux des patients.

Les forets étagés et hélicoïdaux en carbure monobloc de petit diamètre sur mesure de Star Cutter sont utilisés pour usiner les composants médicaux. Cours d'image de Star Cutter

"C'est bénéfique pour le patient", a-t-il déclaré. "Mais il est très difficile de couper ce type de matériau souple et caoutchouteux."

Pour répondre aux exigences de cette application, RobbJack fabrique des outils dans la gamme de 0,254 mm (0,01") de diamètre "avec des finitions ultra-polies et des arêtes de coupe ultra-tranchantes", a déclaré MacArthur.

Quant aux métaux, ceux qui gagnent en popularité dans l'industrie médicale ces dernières années incluent le nitinol flexible et le BioDur résistant à la corrosion. Bien que les propriétés de ces matériaux soient utiles dans les instruments médicaux et les implants, ils sont également plus abrasifs que les alternatives conventionnelles, a déclaré Steve Easterday, responsable des applications suisses chez NTK Cutting Tools USA à Wixom, Michigan.

Considérations relatives au revêtement

NTK Cutting Tools se concentre sur les revêtements d'outils de dépôt physique en phase vapeur multicouches pour les matériaux difficiles à couper. Bien qu'un revêtement épais en nitrure de titane puisse faire l'affaire pour le tourbillonnage du fil de titane, Easterday a déclaré qu'il ne suffirait pas pour couper l'abrasif BioDur ou le nitinol.

Pour les outils qui seront utilisés pour usiner ces matériaux, "nous pourrions faire un revêtement TiN puis le recouvrir d'un revêtement de nitrure de titane et d'aluminium pour lui donner plus de résistance à l'usure", a-t-il déclaré.

Les revêtements PVD peuvent être relativement épais, mais Easterday a souligné que le procédé PVD produit toujours des couches plus minces que le revêtement par dépôt chimique en phase vapeur. Cela rend les revêtements PVD plus adaptés aux inserts à arêtes vives nécessaires pour couper de petites pièces médicales.

Lorsque vous tournez de petites pièces, insérez "la netteté est primordiale car vous voulez moins de pression sur l'outil et une coupe plus libre", a-t-il déclaré.

Outre les revêtements, Easterday conseille aux ateliers d'usinage médical de porter une attention particulière aux avances et aux vitesses. Lors du passage de la coupe de vis à os en titane à des pièces médicales faites de matériaux plus durs comme le nitinol et le BioDur, par exemple, il a déclaré que la surface en pieds par minute et la vitesse d'alimentation devaient changer pour obtenir la bonne quantité de chaleur dans les copeaux. Lors du tournage du nitinol, il recommande de commencer avec un sfm et une vitesse d'avance nettement inférieurs à ceux utilisés pour le titane. Et dans certains cas, en fonction de la longueur et du diamètre du matériau, ainsi que de la profondeur de coupe, les paramètres initiaux peuvent devoir être ajustés au fur et à mesure du processus.

"Rien n'est vraiment gravé dans la pierre avec des avances et des vitesses sur ces matériaux exotiques", a-t-il déclaré. "Vous devez entrer là-dedans et le peaufiner afin de bien faire les choses."

Au fur et à mesure que le processus d'usinage progresse, la plupart des matériaux utilisés pour les pièces médicales ont tendance à durcir, a déclaré Gary McCarel, ingénieur d'application chez Star Cutter Co., un fabricant d'outils à Farmington Hills, Michigan. Par conséquent, il a déclaré qu'il était important d'avoir un processus stable, c'est-à-dire un processus dans lequel il y a un taux d'alimentation constant. Par exemple, il ne devrait pas y avoir de pause dans la coupe.

Garder votre sang-froid

McCarel recommande également "un flux de liquide de refroidissement toujours propre" pour couper les pièces médicales.

En outre, il a déclaré que les ateliers devraient faire des recherches pour s'assurer qu'ils utilisent des liquides de refroidissement de premier ordre et ceux développés spécifiquement pour l'usinage de composants médicaux.

Dans certains cas, a souligné MacArthur, les liquides de refroidissement conventionnels peuvent devoir être exclus pour l'usinage médical en raison des normes de pureté strictes. Les implants, par exemple, pourraient ne pas être autorisés à entrer en contact avec des contaminants potentiels. Dans ces situations, il a déclaré qu'une option consiste à s'assurer que la technique de coupe programmée ne génère pas de quantités excessives de chaleur. Par exemple, il a suggéré que les ateliers pourraient faire des coupes plus légères plutôt que lourdes, mais à des vitesses d'alimentation plus rapides.

Dans les applications médicales et autres, le liquide de refroidissement haute pression dirigé vers l'arête de coupe aide à évacuer les copeaux et à augmenter la durée de vie de l'outil. Image reproduite avec l'aimable autorisation de NTK Cutting Tools

Une autre possibilité consiste à utiliser du dioxyde de carbone supercritique pour le refroidissement et la lubrification. État fluide du CO2 maintenu au-dessus de sa température et de sa pression critiques, le CO2 supercritique ressemble à un gaz mais est aussi dense qu'un liquide. Lorsqu'il est utilisé comme liquide de refroidissement, le CO2 supercritique ne laisse aucune contamination résiduelle sur les pièces médicales, a déclaré MacArthur, dont la société s'est associée à des entreprises qui utilisent du CO2 supercritique pour usiner des pièces médicales.

Le CO2 supercritique "n'est pas la technologie la plus récente", a-t-il déclaré, "mais il est davantage testé et mis en œuvre pour l'industrie médicale".

Options du fournisseur

L'un des plus grands défis de fabrication posés par l'industrie médicale et d'autres est la réduction de la taille des pièces. En réponse, RobbJack a décidé de stocker ses outils miniatures de précision utilisés dans l'usinage médical par incréments de 0,0254 mm (0,001"), de 0,127 mm (0,005") à 1,5748 mm (0,062") de diamètre de coupe.

Au lieu d'avoir à se contenter d'un diamètre d'outil commun, "nous donnons aux clients la possibilité de choisir un diamètre de coupe au millième de pouce près", a déclaré MacArthur. "Cela leur permet d'optimiser beaucoup mieux leurs processus."

Il permet également aux utilisateurs d'obtenir des outils précis très rapidement. Ainsi, un dentiste, par exemple, n'aurait pas à attendre qu'un outil personnalisé soit fabriqué pour produire une couronne pour un patient en attente.

"Nous facilitons la livraison rapide des outils en les ayant tous en stock", a déclaré MacArthur.

Bien que des outils standardisés soient couramment utilisés dans l'usinage médical, Star Cutter pense qu'il existe des avantages importants à utiliser des outils personnalisés comme ceux qu'il fabrique pour les applications médicales.

"Nos outils sont conçus spécifiquement pour l'application", a déclaré Jamie Dunneback, directeur des ventes pour les outils ronds. "Vous obtiendrez donc de meilleurs résultats et un meilleur débit lorsque vous venez dans une entreprise comme la nôtre."

Il a déclaré que les petits composants médicaux sont souvent usinés avec un certain nombre d'outils standardisés différents. Cependant, lorsque Star Cutter évalue des pièces comme celles-ci, l'entreprise constate fréquemment qu'un seul outil combiné peut faire le travail.

"Lorsque vous regardez les gammes standard d'articles prêts à l'emploi, en particulier dans les micro-outils, (les entreprises) ne disposent pas de ces outils combinés", a déclaré Dunneback. "Ce sont tous des outils à diamètre unique."

Ainsi, par exemple, un atelier devrait acheter trois outils standardisés pour couper deux diamètres de trou différents, plus un chanfrein.

NTK Cutting Tools applique des revêtements TiN sur les systèmes de fraise à tourbillonner. image avec l'aimable autorisation des outils de coupe NTK

Star Cutter, cependant, peut créer un foret de petit diamètre capable de couper les deux diamètres de trou, ainsi que le chanfrein. En plus d'aider un atelier à réduire son temps de cycle, Dunneback a déclaré que cela améliorerait la qualité des pièces du point de vue de la concentricité, car un seul outil coupe les deux diamètres plutôt que deux outils séparés.

Dans les situations où plusieurs pièces sont fabriquées avec la même machine, un autre avantage de combiner différents outils en un seul est qu'il ouvre des espaces dans la tourelle pour des outils qui peuvent être utilisés pour d'autres travaux.

"Si les ateliers peuvent y charger des outils supplémentaires", a déclaré Dunneback, "cela leur donne la possibilité d'avoir une machine équipée pour plusieurs pièces prêtes à l'emploi plutôt que d'avoir à remplacer l'outillage (pour chaque travail) car tout ne pouvait pas tenir dans la tourelle à l'origine. "

Les meilleures pratiques

Les ateliers de découpe de pièces médicales peuvent également bénéficier des pratiques de base recommandées par McCarel. Il s'agit notamment de s'assurer que les fixations de la pièce à usiner et de la broche sont rigides et que les broches sont correctement alignées.

"Lorsque vous avez affaire à des forets en carbure monobloc, pour la plupart, leur rapport profondeur/diamètre est extrêmement élevé, ils sont donc fragiles", a-t-il déclaré. "Donc, si vous avez un problème d'alignement ou un mouvement quelconque dans la douille, vous allez casser ces outils et vous n'obtiendrez pas la qualité de trou nécessaire à l'utilisateur final de la pièce."

Une autre pratique importante consiste à s'assurer que la maintenance préventive est toujours effectuée sur les machines à des heures programmées.

"En tant qu'ingénieurs de service sur le terrain", a déclaré McCarel, "nous avons souvent vu qu'une pièce et un processus fonctionneraient bien, mais tout d'un coup, ils vont au sud parce que la machine n'a pas été entretenue."

Dans de tels cas, un certain nombre d'occurrences peuvent affecter négativement le processus d'usinage. Au fil du temps, par exemple, il a déclaré que les bagues rondes peuvent devenir ovales et que le liquide de refroidissement propre peut être encrassé par des particules en suspension.

Mais "ce sont des choses qui peuvent être évitées si vous avez mis en place le processus (de maintenance préventive) approprié", a déclaré McCarel.

Substance utilisée pour le meulage, le rodage, le rodage, la superfinition et le polissage. Les exemples incluent le grenat, l'émeri, le corindon, le carbure de silicium, le nitrure de bore cubique et le diamant dans différentes tailles de grain.

Manchon cylindrique, généralement fabriqué à partir d'acier à outils de haute qualité, inséré dans un gabarit pour guider les outils de coupe. Il en existe trois types principaux : renouvelables, utilisés dans les gaines qui à leur tour sont installées dans le gabarit ; press-fit, installé directement dans le gabarit pour les petites séries ; et liner (ou master), installé à demeure dans un gabarit pour recevoir des douilles renouvelables.

Procédé à haute température (1 000 °C ou plus), sous atmosphère contrôlée, dans lequel une réaction chimique est induite dans le but de déposer un revêtement de 2 µm à 12 µm d'épaisseur sur la surface d'un outil. Voir outils revêtus ; PVD, dépôt physique en phase vapeur.

Fluide qui réduit l'accumulation de température à l'interface outil/pièce pendant l'usinage. Prend normalement la forme d'un liquide tel que des mélanges solubles ou chimiques (semi-synthétiques, synthétiques) mais peut être de l'air sous pression ou un autre gaz. En raison de la capacité de l'eau à absorber de grandes quantités de chaleur, elle est largement utilisée comme liquide de refroidissement et véhicule pour divers composés de coupe, le rapport eau-composé variant selon la tâche d'usinage. Voir liquide de coupe ; fluide de coupe semi-synthétique; fluide de coupe à base d'huile soluble; liquide de coupe synthétique.

Distance entre le bas de la coupe et la surface non coupée de la pièce, mesurée dans une direction perpendiculaire à la surface usinée de la pièce.

Rapport de la profondeur d'un trou par rapport au diamètre de l'outil utilisé pour faire le trou.

Taux de changement de position de l'outil dans son ensemble, par rapport à la pièce lors de la coupe.

Procédé de revêtement d'outils réalisé à basse température (500°C), par rapport au dépôt chimique en phase vapeur (1 000°C). Utilise un champ électrique pour générer la chaleur nécessaire au dépôt du revêtement sur la surface d'un outil. Voir CVD, dépôt chimique en phase vapeur.

Procédé de revêtement d'outils réalisé à basse température (500°C), par rapport au dépôt chimique en phase vapeur (1 000°C). Utilise un champ électrique pour générer la chaleur nécessaire au dépôt du revêtement sur la surface d'un outil. Voir CVD, dépôt chimique en phase vapeur.

Souvent utilisé comme revêtement d'outils. AlTiN indique que la teneur en aluminium est supérieure à celle du titane. Voir outils revêtus.

Ajouté à l'outillage en carbure de titane pour permettre l'usinage de métaux durs à grande vitesse. Également utilisé comme revêtement d'outils. Voir outils revêtus.

Ajouté à l'outillage en carbure de titane pour permettre l'usinage de métaux durs à grande vitesse. Également utilisé comme revêtement d'outils. Voir outils revêtus.

La pièce est maintenue dans un mandrin, montée sur une plaque frontale ou fixée entre les centres et tournée tandis qu'un outil de coupe, normalement un outil à pointe unique, y est introduit le long de sa périphérie ou à travers son extrémité ou sa face. Prend la forme d'un tournage rectiligne (coupe le long de la périphérie de la pièce); tournage conique (création d'un cône); tournage pas à pas (tournage de diamètres différents sur la même pièce) ; chanfreiner (chanfreiner un bord ou un épaulement); parement (coupe sur une extrémité); filetages tournants (généralement externes mais peuvent être internes); ébauche (enlèvement de métal à grand volume); et la finition (coupes légères finales). Réalisé sur tours, centres de tournage, mandrins, visseuses automatiques et machines similaires.

Capacité de l'outil à résister aux contraintes qui provoquent son usure lors de la coupe; un attribut lié à la composition de l'alliage, au matériau de base, aux conditions thermiques, au type d'outillage et de fonctionnement et à d'autres variables.

William Leventon est rédacteur en chef du magazine Cutting Tool Engineering. Contactez-le par téléphone au 609-920-3335 ou par e-mail à [email protected].

Outils de coupe NTK États-Unis248-668-0100www.ntkcuttingtools.com/us

RobbJack Corp.844-342-0222www.robbjack.com

Star Cutter Co.248-474-8200www.starcutter.com