Fabricació additiva: present i futur dels implants biomèdics
Caracterització tècnica
Una de les definicions més completes de Fabricació Additiva és la que va establir el Comitè F42 de l'ASTM (American Society for Testing and Materials). Segons l'ASTM F2792-12a ‘Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies’, la Fabricació Additiva ha estat definida com a “procés d'unió de materials per crear objectes, a partir de la informació continguda en un model 3D, usualment capa per capa, per contraposició a tecnologies de fabricació per substracció, com és el mecanitzat tradicional” (ASTM, 2010).
La fabricació additiva d'un implant s'inicia amb la segmentació del model 3D del mateix en capes molt fines (de 30 a 100 µm, segons la tecnologia). El fitxer que conté la informació del conjunt de capes (amb l'extensió.SLI, .SLC, .ABF; segons la tecnologia patentada) és enviat al sistema de fabricació additiva, que reconstrueix capa per capa el model físic de la peça en el material desitjat. Aquesta reconstrucció consisteix en la deposició d'una capa fina de pols metàl·lica i l'aplicació d'una font d'energia (generalment feix de làser o feix d'electrons) sobre ella. La deposició de la primera capa es realitza sobre una placa de fabricació i després capa sobre capa. El material no aconseguit pel feix queda intacte i es pot reciclar per a la fabricació següent. El resultat de la fabricació és una peça física idèntica al model 3D de l'implant. Si és necessari, la peça es pot sotmetre a postprocesado mecànic (mecanitzat de superfícies d'assemblatge, poliment, etc.) i tèrmic (homogeneïtzació, HIP, etc.).
El flux de treball en la fabricació d'implants mitjançant FA consisteix en: disseny de l'implant o si escau reconstrucció segons imatges CT, preprocesado virtual (creació de l'arxiu capejat), fabricació directa digital de l'implant, postprocesado mecànic i tèrmic (si resulta necessari), postprocesado sanitari (esterilització, envasat, etc.) i implantació quirúrgica com a pas final.
Àdhuc sent un flux de treball similar al seguit per tecnologies convencionals (forja, el mecanitzat, etc.), la fabricació d'implants mitjançant FA té importants avantatges en la producció dels implants customizados:
- Reducció del temps de lliurament, a causa d'alta productivitat i fabricació directa del model electrònic;
- Alta capacitat de customización amb flexibilitat de disseny total, incloent zones poroses fetes a mesura, canals interns, etc;
- Estalvi substancial en material, a causa del reciclat complet del material no processat;
- Absència d'utillatges i motlles, a causa de la fabricació directa del producte;
- Prestacions mecàniques idèntiques al material colat o forjat, a causa d'una fusió local completa de pols.
Al mateix temps, la FA té una característica singular molt valorada en la fabricació de productes personalitzats de tot tipus. La càmera de fabricació té un volum de grandària mitjana de 250x 250x 250 mm. Com a regla general, tots els models que poden cabre en el volum de la càmera de fabricació, són fabricats alhora, ja que la màquina no interpreta models sinó les capes albergades en l'arxiu capejat. Per tant, a diferència d'altres processos de fabricació, on cada implant personalitzat és fabricat individualment, mitjançant la FA es poden fabricar al mateix temps múltiples implants, completament diferents i personalitzats segons el pacient concret. En la Figura 4 es mostra una fabricació conjunta de 21 plaques d'osteosíntesis de fesomia diferent. Poder fabricar alhora implants completament personalitzats redueix costos de fabricació de manera molt significativa i millora la competitivitat del preu ofert.
Així doncs, resulta evident que la Fabricació Additiva és una opció molt competitiva a l'hora de fabricar sèries relativament curtes d'implants, amb elevat valor afegit i alt nivell de personalització. No obstant això, no cal oblidar que amb aquest tipus de tecnologies no es pretén substituir les tecnologies convencionals, ja que la FA no pot competir en la fabricació de sèries grans d'implants estandarditzats en talles. No obstant això, el desenvolupament de nous materials, la millora tecnològica, l'increment de productivitat i l'abaratiment d'equips entorn de la Fabricació Additiva, són realitats que es van observant any rere any, per la qual cosa sembla lògic considerar que aquestes tecnologies poden representar el futur, no solament de la producció d'implants mèdics, sinó de molts altres productes sanitaris.
Petrovic V et al. (2011). A study of mechanical and biological behavior of porous Tu6Al4V fabricated on EBM. Innovative Developments in Virtual and Physical Prototyping – Proceedings of VRAP 2011, 28 Sep – 01 Oct, Leiría, Portugal.
Thomsen P. et al. (2009). Electron beam-melted, free-form fabricated titanium alloy implants: Material surface characterization and early bone response in rabbits, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials Vol 90B, Iss 1, pg 35–44 (2009).