Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a Fabricación aditiva: presente y futuro de los implantes biomédicos

Ver más artículos sobre: Mecanitzat per al sector mèdic i dental

Aplicació en el sector biomèdic

Fabricació additiva: present i futur dels implants biomèdics

Dr. Vojislav Petrović, Nous Processos de Fabricació, Aimme 11/01/2013

En els últims temps, la indústria europea ha vist disminuir la seva competitivitat en la producció massiva de peces, enfront de tercers països que estan experimentant un gran desenvolupament industrial. Això es deu fonamentalment a algunes dels avantatges competitius d'aquests països: mà d'obra de menor cost, impostos més baixos i accés directe a les matèries primeres. No obstant això, Europa segueix estant al capdavant dels avanços tecnològics, la qual cosa li permet mantenir el lideratge en relació amb el desenvolupament de productes personalitzats i d'alt valor afegit. En particular, un dels nínxols on les empreses europees tenen major potencial, és el de fabricació de sèries curtes, de productes personalitzats, utilitzant tecnologies de fabricació avançada.

La Fabricació Additiva (FA), també coneguda com a Fabricació Ràpida o 3D Printing, és precisament una d'aquestes tecnologies avançades que permet realitzar ‘dissenys complexos i perfectament adaptats a la funcionalitat del producte’. Sorgides en la dècada dels noranta, aquestes tecnologies s'utilitzaven principalment per fabricar prototips visuals de baixa qualitat i resistència. En l'actualitat, i després de dues dècades d'evolució tant en materials com en els principis actius del processament, la FA és capaç de processar aliatges metàl·lics d'altes prestacions, tals com a titani, crom cobalt, acer, etc. Simultàniament, la filosofia de fabricació per capes, que permet un disseny lliure de limitacions tecnològiques, ha anat calant al món dels dissenyadors industrials i enginyers, per la qual cosa la FA té cada vegada major acceptació en la indústria. El sector de ‘productes biomèdics’ és un dels quals millor pot aprofitar el valor afegit de la Fabricació Additiva per diverses raons. En primer lloc, fabricar material per capes permet obtenir ‘implants amb zones poroses’, en les quals els porus estan ‘fets a mesura, amb grandària controlada’ i ‘molt bé connectats’. Alguns estudis, indiquen que les cèl·lules òssies creixen molt bé a través de titani fabricat mitjançant FA i produeixen una excel·lent osteointegración de l'implant. Els implants de titani fabricats mitjançant aquesta tecnologia combinen un cos sòlid amb regions poroses en una sola peça, la qual cosa els permet oferir altes prestacions i una elevada osteointegración. En segon lloc, la majoria de peces fabricades mitjançant FA solen requerir un postprocesado mecànic, amb la finalitat d'obtenir una qualitat superficial similar a la qual s'obtindria mitjançant mecanitzat. No obstant això, en els implants mèdics aquesta peculiaritat resulta avantatjosa, ja que la rugosidad superficial és un factor positiu, ja que permet una millor fixació de l'implant a l'element ossi. En tercer lloc, la ‘llibertat de formes i disseny’ que caracteritza a les peces fabricades mitjançant FA, és essencial, ja que permet produir implants absolutament personalitzats, a mesura del pacient en qüestió. Finalment, però no menys important, la fusió selectiva de materials quan s'usa aquest tipus de tecnologies, sol produir-se en atmosfera especial (gas inert o buit) la qual cosa atorga a les peces una puresa elevada. El cas d'estudi mostrat en la Figura 1, realitzat conjuntament per Aimme i l'Institut de Biomecànica de València, ofereix una visió completa de les característiques prèviament descrites.

Figura 1. Plançó de maluc fet a mesura (titani 6-alumini 4-vanadi), amb zona porosa superficial per a millor osteointegración, encaixat en el model del pacient fet en estereolitografía.

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.).

Figura 2. Etapes que componen la Fabricació Additiva.

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.

Figura 3. Flux de treball en la fabricació d'implants personalitzats usant tecnologies de FA.

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.

Figura 4. Un exemple de fabricació conjunta de diferents implants personalitzats en una mateixa fabricació (cortesia de Surgival).

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).