Complexité géométrique, étanchéité, résistance aux chocs, précision, usinabilité, biocompatibilité... Les exigences en matière de matériaux pour le Nudge Zero sont nombreuses, et l'impression 3D en interne est le seul moyen de répondre à ces besoins dans les délais requis.
Le Nudge Zero devrait être un dispositif médical de classe II utilisant des ultrasons focalisés de faible intensité pour traiter, à terme, les troubles cérébraux, de la dépendance aux opioïdes aux acouphènes en passant par la dépression. Les exigences applicables aux pièces sont élevées, notamment parce que certaines doivent fonctionner à l’intérieur d’un appareil d’IRM. En outre, les ingénieurs doivent être en mesure d’itérer en une journée ou moins. Il y a quelques années encore, produire ces pièces aurait été quasiment impossible, mais grâce aux avancées de la technique d'impression 3D et des matériaux, l'équipe de Nudge peut itérer en interne en moins d'une journée.
« Si cela fonctionne et permet de traiter ne serait-ce que certaines des pathologies envisagées, nous pourrions changer radicalement la vie de centaines de millions de personnes. Peu de technologies offrent à la fois un tel niveau de faisabilité et un potentiel aussi considérable pour aider autant de personnes. Nous devons donc nous atteler à la tâche aussi rapidement que possible. »
Sam Schmitz, ingénieur
Le Nudge Zero se compose de trois éléments :
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Le cœur, une matrice à ultrasons à grand nombre de canaux intégrée dans une structure de type casque, utilisable dans un appareil d’IRM.
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Le panier, qui dégaze, déionise et chauffe l’eau destinée à la matrice à ultrasons.
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L’électronique de commande, qui génère les formes d’onde nécessaires à la formation de faisceaux de la matrice à ultrasons.
Le panier et le cœur utilisent des pièces imprimées en 3D sur Form 4L, y compris le boîtier du cœur. D'autres pièces en silicone sont moulées dans des moules imprimés en 3D — le tout en moins d'une journée.
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Le meilleur matériau pour la tâche
« Nous faisons pleinement confiance à Tough 2000 Resin comme matériau d’usage final, de même que nous nous fions à la SLS en matière de longévité. Si on la laisse tomber ou qu’on la frappe, elle ne se cassera pas. »
Sam Schmitz, ingénieur
Rien ne vaut un bon matériau ! Certaines parties du cœur doivent être étanches et résistantes aux chocs afin de supporter les manipulations et l’usage courant, tandis que d’autres doivent être biocompatibles. M. Schmitz utilise un certain nombre de matériaux Formlabs pour les pièces, et a récemment ajouté la nouvelle version de Tough 2000 Resin.
Tough 2000 Resin : remplacement du polycarbonate usiné
Tough 2000 Resin est un matériau rigide, solide et résistant aux chocs, comparable à l'ABS. M. Schmitz a d'abord essayé la nouvelle version de Tough 2000 Resin avec une pièce à parois fines dont il avait besoin immédiatement. La pièce de 1 mm d’épaisseur s’est enclenchée sans se casser. M. Schmitz a ensuite pris l'exemplaire supplémentaire qu'il avait imprimé et l'a testé.
« J’ai essayé de l'écraser avec un marteau et c’est là que j’ai vraiment réalisé : waouh, c’est excellent. Il y a toute une série d’autres pièces à parois fines en polycarbonate, car nous avons vraiment besoin de cette résistance aux chocs. Avant, je les faisais usiner, mais à mesure que je les révisais leur conception, j’ai commencé à toutes les remplacer par de la Tough 2000 Resin. Elles fonctionnent très bien. »
Sam Schmitz, ingénieur
Le panneau de boutons a été imprimé en Tough 2000 Resin.
À mesure qu’il révisait les conceptions des couvercles, M. Schmitz les a imprimés en Tough 2000 Resin, remplaçant des pièces auparavant sous-traitées et usinées en polycarbonate. Grâce à la Form 4L, M. Schmitz a pu modifier sa conception en fonction des besoins et obtenir une impression en quelques heures.
Tough 2000 Resin : un grand boîtier étanche aux détails fins
Le boîtier de la matrice est de grande taille — environ 300 mm de long et 250 mm de diamètre — et se compose de deux pièces devant s’emboîter et être étanches, ce qui exige une grande précision dimensionnelle ainsi qu’une résistance à la déformation et au fluage. Une résolution fine des détails est également requise. Comme le dispositif doit fonctionner dans un appareil d'IRM, il ne peut contenir aucun métal — les vis doivent être en plastique. En outre, l’appareil est transporté sur plusieurs pâtés de maisons jusqu’à un appareil d'IRM pour être utilisé lors des séances, puis vers différents sites d’essais. Le transport ne se fait pas en douceur et le boîtier doit être résistant aux chocs.
« Nous ne pouvons pas utiliser d’inserts pressés ni d’inserts thermofixés ; il faut donc que la pièce soit suffisamment robuste pour pouvoir être taraudée directement — c’est essentiel. Il s’agit exclusivement de filetages M3, que nous taraudons directement dans la résine Tough 2000 V2. Cela fonctionne très bien. »
Sam Schmitz, ingénieur
L’assemblage s’ajuste avec un joint en caoutchouc interposé. Une fois qu'il est serré, c'est étanche. Une fine couche de RTV est également appliquée, « par excès de prudence », comme le précise M. Schmitz. « Nous avons constaté que, surtout avec les nouveaux supports, tout s’imprime correctement et que l’assemblage se fait sans laisser de grands jeux. »
À l’origine, le boîtier était sous-traité pour une impression 3D par frittage sélectif par laser (SLS), mais après les tests menés par M. Schmitz avec Tough 2000 Resin, et compte tenu du volume d’impression de la Form 4L, il a tenté d’imprimer le boîtier en interne. Non seulement Tough 2000 Resin offrait la résistance aux chocs requise, mais sa précision dimensionnelle et sa finition de surface étaient supérieures à celles des pièces sous-traitées. M. Schmitz imprime les trous au diamètre nominal de taraudage, puis reprend le matériau à l’aide d’un foret.
« Les gains de temps sont considérables. Je peux imprimer chacune de ces moitiés en une seule fabrication : il suffit d’une journée pour disposer des deux pièces, contre deux semaines chez un prestataire ou plusieurs milliers de dollars en frais d’accélération. »
Sam Schmitz, ingénieur
Coût de production de l'ensemble des coques
| Imprimante | Coût total | |
|---|---|---|
| Sous-traitance | SLS grand format | $7,000-10,000 |
| En interne | Form 4L | $145 |
Gains de temps
| Durée de production de la pièce | Temps de ponçage de la pièce | Temps d’apprêt et de peinture | Total | |
|---|---|---|---|---|
| SLS sous-traitée | 5 jours (accéléré) | 8 h | 2 h | 5 jours + 10 h finition de surface |
| SLA en interne | 1 jour | 3 h | 2 h | 1 jour + 5 h de finition |
Un gain de temps supplémentaire a été obtenu lors des retouches. Selon M. Schmitz, « Les nouveaux boîtiers en résine Tough 2000 présentent une précision dimensionnelle supérieure à celle des boîtiers sous-traités ».
Des gains de temps et de main-d’œuvre significatifs sont également observés lors des opérations de finition. Les pièces SLS grand format sous-traitées nécessitaient huit heures supplémentaires de ponçage. Avec la Tough 2000 Resin sur la Form 4L, un léger ponçage suffit désormais, suivi d’un apprêt et d’un coup de peinture pour obtenir la couleur souhaitée. Un ponçage et l’application d’huile minérale ont été envisagés, mais l’huile minérale est fluorescente en IRM.
Du point de vue de la fabricabilité du dispositif, M. Schmitz indique que si plusieurs centaines d’unités devaient être produites, le moulage par injection serait probablement envisagé, mais qu’il nécessiterait une refonte importante en raison des contre-dépouilles et des trous internes. Pour cette raison, « même si nous devions en fabriquer 50, nous les imprimerions probablement encore en Tough 2000 Resin ».
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Tough 2000 Resin V2 est un matériau robuste, dont la solidité et la rigidité sont comparables à celles de l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), et qui combine ténacité et résistance élevée à la température et au fluage.
Grey Resin : moules et pièces de test
Les quatre Form 4L de Nudge fonctionnent en continu. Toutes les pièces de test et tous les moules sont imprimés en Grey Resin, le matériau de référence chez Nudge. M. Schmitz fabrique des moules en silicone complexes en deux, trois ou quatre pièces en Grey Resin. En raison de la géométrie et des contre-dépouilles, il est impossible de produire ces moules avec une autre méthode que l'impression 3D — y compris sur une commande numérique par ordinateur à cinq axes.
Le joint de tête est un joint conforme qui assure l’étanchéité entre la tête de l’utilisateur et le bain d’eau du cœur. Les moules de cette grande pièce comportent de nombreuses contre-dépouilles, ce qui rend l'impression 3D idéale pour la production. En outre, avec la Form 4L, « nous pouvons imprimer toutes ces pièces de moule en deux heures et demie, ce qui permet d’itérer une première fois avant le déjeuner, de couler le joint, d’aller déjeuner, de le tester, puis d’en réaliser un autre dans l’après-midi », explique M. Schmitz. « S'il ne s'ajuste pas, il suffit d'en fabriquer un autre le même jour. C'est assez incroyable. Nous en avons fabriqué des dizaines. »
Rigid 10K Resin : moules pour le thermoformage
Certains moules destinés au thermoformage sont imprimés en Grey Resin, le matériau de travail économique de référence chez Nudge. Mais pour les petites pièces, les détails très fins ou les moules qui doivent résister à de nombreux cycles sans se déformer, ils utilisent Rigid 10K Resin.
Rigid 10K Resin, fortement chargée en verre, est stable à haute température et sous forte pression, ce qui la rend idéale pour la production en grande série de pièces thermoformées.
Résines biocompatibles
Les pièces de test sont souvent imprimées en Grey Resin. Mais une fois les spécifications déterminées, les pièces imprimées en 3D qui touchent la peau ou le bain-marie sont produites dans des résines biocompatibles, notamment BioMed Clear Resin pour le boîtier de la matrice, ainsi que Tough 1500 Resin.
Nylon 12 Powder
En plus de l'impression 3D en résine, M. Schmitz imprime sur Fuse 1+ 30W. Nylon 12 Powder est utilisée pour les composants qui rendent l'appareil plus ajustable tout en subissant la contrainte et la pression de maintenir le dispositif rigide à l'intérieur d'un appareil d'IRM émettant des vibrations. M. Schmitz utilise la fonction Autopacking (Agencement automatique) de PreForm pour minimiser la durée d'impression.
Pièces finales imprimées en 3D
« Je vois clairement un avenir pour un grand nombre de ces pièces imprimées en tant que pièces finales, à condition qu’elles soient correctement conçues, utilisées dans leurs limites et validées par des analyses appropriées. Nous pouvons encore aller beaucoup plus loin dans le processus que ce que les gens imaginent avant d’en venir — si jamais cela devait arriver — aux méthodes de fabrication traditionnelles.
Sam Schmitz, ingénieur
Le Nudge Zero fait actuellement l'objet de tests internes. Chaque test entraîne la demande de nouvelles pièces et de mises à jour de la conception. Bien que le dispositif puisse un jour être fabriqué de manière traditionnelle, cela impliquerait de revoir la conception de nombreuses pièces, les géométries complexes ne pouvant pas être usinées. M. Schmitz estime que le Nudge Zero pourrait être fabriqué en interne, compte tenu des capacités offertes par les Form 4L et la Fuse 1+ 30W, ainsi que par l’utilisation de matériaux haute performance.
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