Brevet FR2695063A1 — publié le 19940304

Procédé de fabrication de pièce en matière plastique par moulape-thermoformage contrôlé La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage-thermoformage contrôlé de pièce en matière plastique résistant au frottement et au fluage ainsi que le dispositif nécessaire à la mise en oeuvre du procédé et les pièces résultant de la mise en oeuvre dudit procédé. Un certain nombre de pièces en matière plastique telles que les prothèses articulaires ou les pièces mécaniques telles que pignon, plaque de guidage, roulement, pallier, etc ont une durée de vie limitée dans le temps en raison de phénomènes de fluage de matière et d'usure liés au frottement engendré lors de l'utilisation desdites pièces. Ce problème est particulièrement crucial dans le cas des implants orthopédiques, principalement les prothèses de hanches et de genoux qui sont réalisées 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 parusinage. 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 qui donnent naissance à des enzymes. Ces derniers s'attaquent ensuite à la prothèse en lysant notamment les matériaux constitutifs de scellement, entraînant ainsi la destruction de la liaison de celle-ci et lrobligation d'une nouvelle intervention chirurgicale. En conséquence, pour améliorer les propriétés mécaniques de ces pièces soumises à des contraintes mécaniques importantes, il a déjà été proposé un certain nombre de solutions.On connaît ainsi dans le brevet français N 2.578.780 un procédé qui permet de réaliser des pièces en matière plastique par forgeage en orientant les chaînes moléculaires dudit matériau utilisé, qui est généralement une matière plastique à haut poids moléculaire, et d'améliorer ainsi de manière significative les propriétés mécaniques desdites pièces, en particulier la résistance au fluage. Cependant, le procédé décrit dans ce brevet ne permet pas d'améliorer de manière importante la résistance au fluage, à l'usure et d'obtenir un retrait ou retour élastique de la matière homogène garantissant une fiabilité dimensionnelle. Le manque de résistance à l'usure et au fluage ne permet donc pas d'augmenter notablement la durée de vie des implants grâce à ce procédé. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication-de pièces telles que des prothèses articulaires, des pièces mécaniques diverses, etc, présentant des#propriétés mécaniques nettement améliorées notamment en ce qui concerne la résistance au fluage, à la traction, à l'usure sans présenter de retrait important lors de leur fabrication. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé simple et rapide. La - présente invention concerne à cet effet un procédé de fabrication de pièce en matière plastique par moulagethermoformage contrôlé, caractérisé en ce qu'on introduit à l'intérieur d'une cavité de moulage au moins une ébauche de matière plastique P1 portée en superficie ou à coeur à une température proche ou égale à la température de fusion, en ce qu'on introduit à l'intérieur de ladite cavité une matière plastique P2 en fusion, en ce qu'on forme la pièce dans le moule au moyen de la pression d'injection et/ou d'un poinçon mobile dans ladite cavité de moulage. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la matière plastique P2 qui présente un poids moléculaire inférieur ou égal à Pi est introduite par injection et on déplace le poinçon pour qu'il vienne en contact de préférence avec l'ébauche de manière à obliger l'ébauche et la matière plastique injectée à épouser le profil de la matrice fermée constituée par les parois de la cavité du moule formant empreinte de la cavité et du poinçon. De ce fait, l'ébauche, qui est constituée d'un matériau qui est un polymère, présente des chaînes moléculaires orientées parallèlement à la surface de frottement au moins dans la zone de la pièce située endessous ou affleurant cette surface. L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend un moule délimitant une cavité réalisée en deux parties, complémentaires du profil de la pièce définitive que l'on veut obtenir, ledit moule comportant un point d'injection permettant l'introduction d'une matière plastique injectable et/ou un poinçon mobile à l'intérieur de la cavité et obturant ladite cavité de moulage. Ce dispositif et ce procédé sont plus particulièrement destinés à la fabrication de prothèses orthopédiques ou d'implants et de pièces mécaniques diverses. D'autres caractéristiqnes met -áväntages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, lesquels description et dessins sont donnés surtout à titre d'exemples. Dans ces dessins la figure 1 représente une vue en coupe d'un moule équipé d'un poinçon mobile et d'une buse d'injection permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention, ledit moule renfermant dans sa cavité de moulage une ébauche la figure 2 représente le moule de la figure 1 après compression et formage contrôlé de la pièce les figures 3 et 4 représentent des vues en coupe d'un moule de dent de pignon (sans poinçon mobile) respectivement avant compression et après compression ;; la figure 5 représente une vue en coupe d'un moule équipé d'un poinçon mobile avant compression et dont la cavité est remplie de deux ébauches et d'une couche armée stratifiée. Conformément à l'invention, la mise en oeuvre du procédé permettant la fabrication de pièce en matière plastique qui présente une bonne résistance à l'usure, au fluage et à la fatigue, nécessite de disposer d'un moule et de réaliser une ébauche 4 de matière plastique P1. Le moule est généralement un moule ouvert en deux parties. Ce moule est généralement équipé d'une buse d'injection et sa cavité de moulage 1 peut être obturée par un poinçon mobile 3. Cette ébauche 4, pour permettre d'optimiser les propriétés mécaniques de la pièce finale, sera de préférence une ébauche constituée d'un matériau thermoplastique cristallin ou semi-cristallin non injectable tel par exemple qu'une matière plastique à haut poids moléculaire. On peut citer à titre d'exemple le polyéthylène à très haut poids moléculaire qui est fréquemment utilisé notamment dans la réalisation de prothèses articulaires et pièces de frottement. Cette ébauche peut également être renforcée au moyen d'un renfort tissé ou non tissé tel qu'une charge de fibre de verre par exemple. Cette ébauche est portée à une température proche ou égale à la température de fusion du matériau Pl utilisé. Par exemple pour le polyéthylène, on choisit une température étant comprise dans la plage allant de 200C en dessous de la température de fusion TF du polyéthylène jusqu'à 100C au-dessus de cette température de fusion TF.Il est à noter que la température de fusion TF du polyéthylène est déterminée par calorimétrie et qu'elle correspond au maximum de la vitesse de transformation enregistrée en calorimétrie. Cette ébauche pourra également être chauffée sur une seule face qui sera la face devant adhérer à la matière plastique P2 injectée ou comprimée. On parle dans ce cas de chauffage en superficie ou en surface. Outre cette ébauche 4, il est nécessaire d'introduire à l'intérieur de la cavité de moulage, une matière plastique P2 portée à température de fusion, cette matière plastique étant de préférence injectable. Cette matière plastique P2 présente un poids moléculaire inférieur à la matière Pl. Cette matière plastique P2 peut être injectée à l'intérieur de la cavité de moulage suivant un grand nombre de modes de réalisation qui sont fonction de la configuration du moule et du nombre d'ébauches introduites. Ces différents modes de réalisation seront décrits ci-après. On peut également imaginer que la matière plastique P2 ne soit pas, comme c'est le cas souvent pour la matière plastique P1, injectable.Dans ce cas, on dispose les matières plastiques P1 stratifiées et P2 sous formes respectives d'ébauche et de lopin à l'intérieur de la cavité de moulage puis on comprime l'ensemble pour former la pièce. Ce mode de réalisation est représenté à la figure 5. L'étape de compression qui permet le formage de la pièce et qui est subséquente aux étapes d'introduction des matières plastiques P1 et P2 dans le moule peut être réalisée de manière variable et programmée. En effet, lorsque lesdites matières plastiques sont introduites à l'intérieur de la cavité de moulage, on forme la pièce dans le moule soit au moyen de la pression d'injection et uniquement au moyen de celle-ci comme le montre la figure 4, soit au moyen d'un poinçon 3 mobile dans la cavité de moulage comme le montre la figure 5, soit au moyen à la fois de la pression d'injection et du poinçon 3 mobile comme le montre la figure 1. Ces trois moyens pour obtenir une pièce -aux propriétés mécaniques intéressantes permettent de couvrir un grand nombre d'applications.En effet, dans certains cas, il est nécessaire que l'ébauche constituée par un matériau hautement résistant au fluage et à la fatigue, c'est-à-dire généralement une matière plastique à haut poids moléculaire et donc pouvant subir un certain nombre de frottements soit disposée à la surface de la pièce, comme cela est le cas dans les figures 1, 3 et 5. Au contraire, dans certains cas très rares, on préfèrera que ce soit la matière injectabl#e qui soit disposée en surface de la pièce. Il peut également être intéressant de prendre la matière plastique injectée P2 en sandwich entre deux ébauches- 4 ou bien encore de prendre en sandwich entre deux ébauches À un renfort comme le montre la figure 5. L'intérêt de pouvoir utiliser un poinçon mobile à l'intérieur de la cavité de moulage et d'éventuellement le combiner à la pression d'injection pour former la pièce comme le montre les figures 1 et 2, est de pouvoir orienter les chaînes moléculaires du polymère constitutif de l'ébauche de telle sorte qu'elles soient parallèles à la surface de frottement au moins dans la zone de la pièce située en dessous ou affleurant cette surface. Cette caractéristique particulière est notamment obtenue grâce au fait qu'on déplace le poinçon mobile pour qu'il vienne en contact avec l'ébauche 4 de manière à obliger l'ébauche 4 à s'orienter de manière similaire à celle précisée ci-dessus. L'orientation moléculaire consécutive à la mise en oeuvre introduit au niveau des propriétés mécaniques une anisotropie qui peut être préjudiciable à la stabilité dimensionnelle du produit fini. Le fait d'injecter une matière renforcée sur une ébauche à basse température augmente l'orientation de celle-ci d'autant plus que la température d'écoulement est faible. Le procédé permet d'obtenir sur l'ébauche, par exemple, la partie frottante de la pièce, des cristallites de faibles tailles et une orientation maximale dans le sens de l'effort. Or cette orientation peut être mieux contrôlée par le fait que l'on travaille sur un matelas visqueux 5 de la matière injectée P2. L'action ' du poinçon 3 sur l'ébauche 4 oblige l'ébauche et la matière plastique injectée P2 à épouser le profil de la matrice constituée par les parois de la cavité du moule et éventuellement le poinçon. De plus, le fait de réchauffer et porter à température de fusion dans certains cas qu'une partie de l'ébauche comme le montrent par exemple les figures 1 et 2 permet de mieux orienter les chaînes moléculaires dans la partie froide. En outre, ces possibilités de réglage notamment le fait que l'avance du piston peut être contrôlée par rapport à la vitesse d'injection permettent d'obtenir une pièce exempte de tension interne. Pour permettre une reprise des efforts mécaniques, il est préférable d'intégrer un renfort armé soit dans l'ébauche 4 soit dans la matière injectée ou non P2. Ainsi, dans le cas de la figure 3 qui représente la fabrication d'une dent de pignon, le matériau renforcé est la matière injectée P2. Au contraire, dans la figure 1, c'est l'ébauche qui est renforcée. Le fait de renforcer l'ébauche permet d'obtenir une pièce dont la surface, à base de matériau à très haut poids moléculaire, possède une meilleure résistance à l'usure à la fatigue avec un bon coefficient de frottement et avec des performances mécaniques toutefois qui, grâce au renfort, apportent une résistance au fluage, la reprise des efforts se faisant par les matériaux de renfort. Il est à noter que le poinçon 3 mobile dans la cavité de moulage 1 est déplaçable en translation dans ladite cavité dans le sens de la hauteur de l'ébauche 4. La pression appliquée au poinçon 3 pour déplacer le poinçon jusqu'a une position finale permettant le formage desdites matières est fonction à la fois de la composition de l'ébauche 4 et de la matière plastique injectée P2. Le poinçon est maintenu en position finale pendant une période variable généralement de quelques secondes de manière à obtenir un retrait homogène et un bon contrôle dimensionnel de la pièce finale sans tension interne. Ensuite, la pièce formée est extraite de la cavité de moulage par des moyens d'éjection en soi connus.Cette cavité de moulage et ce moule peuvent être, en fonction desapplications, de forme très variable, le moule pouvant être formé en plusieurs parties, le point d'injection se trouvant sur l'une des parties du moule et le poinçon mobile sur l'une ou l'autre partie du moule, ou au contraire, on peut également utiliser conformément à la figure 3, un moule comportant uniquement un point d'injection sans poinçon mobile, ou encore un moule comportant uniquement un poinçon mobile. Grâce à ce procédé, il devient aisé de fabriquer des prothèses articulaires notamment des cotyles de hanche et des plateaux tibiaux ou encore des pièces mécaniques. Un exemple de fabrication d'un support butée-palier est fourni ci-après conformément aux figures 1 et 2. L'ébauche 4 en matière plastique P1 est composée d'un polyéthylène à très haut poids moléculaire usiné (6 000 000 de moles). Elle est portée à une température de 160 C en surface sur une épaisseur 4a de 2 mm, l'autre épaisseur de 4 mm est à 800C environ. La matière injectée 5 en matière plastique P2 est un polyéthylène à très haut poids moléculaire (3 500 000) chargé de fibres de verre. Elle est portée à 170 C. L'ébauche 4 est placée dans le moule puis on injecte très rapidement (1,5 secondes) un volume de matière plus petit que le volume de l'empreinte. Ensuite, le piston comprime l'ébauche sur le matelas de matière injectée jusqu'à la cote C.Pendant cette phase, la pression d'injection est maintenue en dessous de la pression résiduelle dans l'empreinte par la force F2 du poinçon. Ensuite, après le refroidissement du canal d'injection, la pression du piston sera programmée dans le temps pendant environ 120 secondes. L'injection est contrôlée par rapport à l'avance du piston de compression sur l'ébaucher ce qui permet d'ajuster les taux d'orientation de la matière de l'ébauche. La partie côté d'injection du moule sera régulée à 50-60"C, celle côté compression ébauche sera régulée de 1250C à 600C linéairement pendant un temps de 240 secondes. La pression exercée sur le piston sera également dégressive de 120 kgs/cm2 à 50 kgs/cm2 pendant -le temps de refroidissement de 240 secondes suivant une courbe appropri#ée. Cela évitera toute contrainte dans la pièce moulée et permettra d'ajuster les phases amorphes et cristallines. Il est à noter que ces #valeurs numériques ne sont fournies qu'à titre d'exemples. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièce en matière plastique par moulage-thermoformage contrôlé, caractérisé en ce-qu'on introduit à l'intérieur d'une cavité de moulage (1) au moins une ébauche (4) de matière plastique P1 portée en surface ou à coeur à une température proche ou égale à la température de fusion de P1, en ce qu'on introduit à l'intérieur de ladite cavité (1) une matière plastique P2 à une température proche ou égale à la température de fusion, en ce qu'on forme- la pièce dans le moule au moyen de la pression d'injection si P2 est introduit par injection et/ou d'un poinçon mobile dans ladite cavité de moulage (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déplace le poinçon (3) pour qu'il vienne en contact de préférence avec l'ébauche (4) de manière à obliger l'ébauche et la matrice fermée constituée par les parois de la cavité de moulage et du poinçon. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ébauche (4) est constituée d'au moins un matériau thermoplastique P1 non injectable tel qu'une matière plastique à très haut poids moléculaire. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ébauche (4) est un polymère dont les chaînes moléculaires sont orientées parallèlement à la surface de frottement au moins dans la zone de la pièce située endessous ou affleurant cette surface. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une des matières plastiques P1, P2 de ladite pièce est renforcée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on insère le renfort entre lesdites matières plastiques P1, P2. 7. Procédé selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le renfort est constitué par un matériau tissé. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sous l'action conjuguée de la pression d'injection ou du poinçon mobile (3) ou de l'empreinte de la cavité de moulage (1), on met lesdites matières plastiques P1 et P2 à la forme d'un implant. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit implant est un cotyle. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sous l'action conjuguée de la pression d'injection et de l'empreinte de la cavité de moulage (1), on met lesdites matières plastiques P1 et P2 à la forme d'une pièce mécanique. Il. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moule délimitant une cavité réalisée en deux parties, complémentaires du profil de la pièce définitive que l'on veut obtenir, ledit moule comportant un point d'injection permettant l'introduction d'une matière plastique injectable et éventuellement un poinçon (3) mobile à l'intérieur de la cavité et obturant ladite cavité de moulage (1).