Brevet FR2602454A1 — publié le 19880212

PROCEDE ET DISPOSITIF PERMETTANT D'OBTENIR DES PIECES EN POLYMERE FORGEES ET APPLICATION DES PIECES AINSI OBTENUES A LA PREPARATION DE PROTHESES ORTHOPEDIQUES. L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant d'obtenir des pièces en polymère forgés et l'application des pièces ainsi obtenues à la préparation de prothèses orthopédiques. On sait que traditionnellement les implants orthopédiques, principalement cotyloidiens, sont réalisés en métal avec interposition d'une pièce de frottement. Le polyéthylène à haut poids moléculaire (Pe.h.Pm) s'est notamment imposé pour cette fabrication. Or, ce matériau aux propriétés frottante et anti-usure exceptionnelles ne peut se mettre en oeuvre par les techniques classiques appliquées aux polymères telles que l'injection par exemple. C'est pourquoi la plupart des implants sont réalisés par usinage. Malheureusement, ces réalisations usinées ont le grand inconvénient de ne pas fournir un excellent état de surface. Or, il s'avère que ce mauvais coefficient de rugosité (Ra) est à l'origine de débris d'usure dont l'organisme se débarrasse par génération de macrophages. Ces derniers s'attaquent ensuite à la prothèse, entraînant ainsi la destruction de celle-ci et l'obligation d'une nouvelle intervention chirurgicale. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients et concerne un procédé de préparation de prothèses, notamment d'implants orthopédiques en polymères. On connaît les avantages liés au forgeage. Ils sont tout d'abord d'ordre mécanique et technologique. En effet, il est possible par cette technique d'augmenter de façon exceptionnelle les modules et les résistances à la traction des matériaux plastiques cristallins. Certes, la mise en oeuvre de techniques de forgeage appliquées aux matières plastiques et aux matériaux composites est déjà connue. Mais, ces dernières ne permettent pas de maîtriser facilement le retour élastique (springback), ce qui conduit à des mises au point longues lorsque l'on part notamment d'une ébauche. Enfin, on doit avoir recours à des presses spécifiques à cette technique. Un autre but de l'invention est donc de s'affranchir de tous ces problèmes. Elle concerne donc plus précisément un procédé d'obtention d'implants orthopédiques en polymères, caractérisé en ce qu'il consiste à: - réaliser une ébauche sous la forme d'un tronc de cône; - placer cette ébauche chauffée à une température (92) dans une matrice fermée; - introduire un poinçon et le déplacer pour centrer automatiquement l'ébauche dans une empreinte et obliger cette ébauche à épouser le profil de la matrice fermée constituée par la combinaison de l'empreinte et du poinçon; - réguler les températures (91) de l'empreinte et (92) du poinçon pendant l'opération de formage. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente l'outillage de mise en oeuvre de l'invention au moment de l'introduction dans la presse de l'ébauche de matière plastique; - la figure 2 montre le bon centrage de l'ébauche dans l'empreinte lors de l'avancée du poinçon; - la figure 3 montre la pièce obtenue après forgeage coincée entre la matrice fermée et le poinçon avant libération de celui-ci et récupération de la pièce. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références sur toutes les figures. Selon une caractéristique essentielle, le procédé conforme à l'invention consiste à: - préparer une ébauche réalisée dans le matériau à forger, la forme de cette ébauche étant spécifique à chaque application; cette ébauche peut être usinée ou compactée à partir de poudre ou de granulés; - chauffer et placer cette ébauche dans une matrice fermée de telle sorte que, sous l'action d'un poinçon mobile se déplaçant par exemple dans un plan horizontal, elle prenne la forme de la pièce souhaitée; - réguler la température de l'empreinte et du poinçon qui peut être adaptée à toute presse à injection en lieu et place de la buse d'injection. Un tel procédé, conforme à l'invention, dispense donc d'investir dans une presse de forgeage spécifique et d'obtenir grâce à un outillage simple adaptable aux presses d'injection classiques qui peuvent ainsi, dans un même atelier, servir au moins aux deux fonctions d'injection et de forgeage, des pièces forgées en matière plastique particulièrement adaptées aux applications en orthopédie (PehPm ou tout autre matériau thermoplastique cristallin non injectable). Les figures 1, 2 et 3 illustrent schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. L'outillage constitué de parties rentrées coniquement ou par colonne est installé sur une presse à injecter (1) dont seule les parties intéressant l'invention sont décrites, comme le bâti (B) par exemple, à l'exclusion de tout autre périphénque. La partie arrière comporte un circuit de refroidissement (2) et un circuit de réchauffage (3) ou un dispositif de chauffage par induction. Ces circuits sont parcourus par des fluides en régime turbulent. Le fluide chaud est à une température (@ le fluide froid circule à une température (@a) voisine de la température ambiante. La buse de la presse (1) est remplacée par un poinçon (4) mobile et poli. La température du poinçon (4) est réglée par des moyens non représentés à une température (92) légèrement supérieure à (91) mais inférieure à la température de fusion (Tf) du matériau à traiter, par exemple du polyéthylène à haut poids moléculaire (Pe.h.Pm). L'empreinte (10) délimitée par un profil (100) est munie, à l'extrémité du parcours d'écoulement de masselottes (11) destinées à recevoir -un éventuel excédent de matière; cette empreinte (10) est réalisée en deux parties (10a) et (lOb) complémentaires du profil de la pièce définitive que l'on veut obtenir. Une ébauche (5) de forme tronconique est introduite dans l'empreinte (10) et se centre automatiquement lors de l'avancée du poinçon (4). La forme de l'ébauche est adaptée pour que son centrage se fasse facilement et automatiquement. La forme tronconique répond à cette exigence. L'opération de mise en forme se déroule de la manière décrite cidessous. Lorsque l'outillage est à la température (B1 + 10 C), l'ébauche (5) préalablement chauffée à la température (92 + 10 C) est introduite par l'orifice correspondant à la buse ctest-à-dire, selon l'invention, par l'entrée destinée au poinçon (4). Le forgeage est effectué par avance de l'unité d'injection (111) portant le poinçon (4) à vitesse très faible, de l'ordre de quelques mm/s, de façon à orienter très lentement les channes moléculaires. Après arrêt en butée, cette position est maintenue cinq minutes, puis le circuit de refroidissement (2) est ouvert. Lorsque l'outillage est à nouveau à température voisine de la température ambiante a la pièce (50) est éjectée à l'air comprimé de manière classique. La température (92) du poinçon (4) ne doit pas varier de façon sensible sous peine de ne pas reproduire l'état de surface recherchée à savoir un taux de rugosité (Ra) compatible avec l'application de la pièce (50) ainsi forgée aux prothèses orthopédiques. Dans un exemple nullement limitatif, les températures (tel) et (92) sont pour la (P.E.h.Pm) respectivement 120 et 1250 C. Le coefficient de rugosité (Ra) ainsi obtenu est excellent et au moins égal à 0,8 microns. On obtient en effet par ce procédé et cet outillage conformes à l'invention une pièce qui, par sa nature, la qualité du profil obtenu et son état de surface, convient parfaitement à la préparation d'implants orthopédiques, notamment cotyloldiens et plus généralement de prothèses orthopédiques. REVENDICATIONS 1) Procédé d'obtention de prothèses orthopédiques en polymères présentant un état de surface excellent, caractérisé en ce qu'il consiste à: - réaliser une ébauche sous la forme d'un tronc de cône; - placer cette ébauche chauffée à une ~température (ê2) dans une 2 matrice fermée; - introduire un poinçon et le déplacer pour centrer automatiquement l'ébauche dans une empreinte et obliger cette ébauche à épouser le profil de la matrice fermée constituée par la combinaison de l'empreinte et du poinçon; - réguler les températures (tel) de l'empreinte et (ê2) du poinçon pendant l'opération de forgeage. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est usinée ou compactée à partir de poudre ou de granulés. 3) Procédé selon l'une des revendicatioris précédentes, caractérisé en ce que ce matériau est du polyéthylène Pe.h.Pm ou tout matériau thermoplastique cristallin non injectable. 4) Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une empreinte (10) en deux parties (l0a) et (lOb) destinées à coopérer avec un poinçon mobile (4) poli. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le poinçon (4) est adapté en lieu et place de la buse d'une presse à injection (1). 6) Dispositif selon rune des revendications précédentes, caractérisé en ce que le poinçon (4) centre automatiquement l'ébauche (5). 7) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que d'une part, l'empreinte (10) comporte un circuit de réchauffage (3) et de refroidissement (2) dans lequel circule un liquide capable d'amener l'empreinte à la température (tel) et de la ramener à la température (êa) voisine de la température ambiante; d'autre part, le poinçon (4), lorsqutil est en action, est maintenu à une température (92) supérieure à (tel) et inférieure à la température de fusion (Tf) du matériau traité. 8) Application du procédé et du dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que Débauche (5), sous l'action conjuguée de l'empreinte (10) et du poinçon (4), se trouve mise à la forme d'un implant orthopédique présentant un état de surface atteignant un bon coefficient de rugosité (Ra) au moins égal à 0,8 micron.