« À trop serrer la vis, elle finit par casser », dit un vieux dicton allemand. Pour éviter qu’il ne se concrétise avec des vis fragiles en titane utilisées en ostéosynthèse, des développeurs testent actuellement leurs produits de façon virtuelle dans les moindres détails, et ils y gagnent du temps.
Comme dans tous les processus de développement, la création de produits médicaux innovants comporte toujours une inconnue. Les points qui peuvent poser problème sont souvent identifiés trop tard et il devient alors difficile de garantir la fonctionnalité et la qualité recherchées. Ulrich Medical, une société familiale implantée à Ulm dans le sud de l’Allemagne, sait comment réduire sensiblement cette inconnue, depuis qu’elle a intégré la simulation avec Ansys dans son processus de fabrication de produits.
« Ce logiciel nous sert aujourd’hui à effectuer le plus tôt possible les calculs correspondant à une construction. Nous respectons ainsi les exigences de qualité les plus strictes pour les produits finis et au cours de la production », affirme Stefan Midderhoff, ingénieur en développement d’implants et d’instruments chez Ulrich Medical. En 2009, c’est lui qui a habilement pris en charge le déploiement du logiciel dans l’activité de développement du fabricant d’équipements pour le génie biomédical.
À peu près à la même époque où Ansys a été introduit, un poste de contrôle a été installé pour pouvoir comparer directement les résultats des tests à ceux des calculs, comme ce fut le cas pour les cages intervertébrales. Ces implants de colonne vertébrale sont utilisés après discectomie pour renforcer les articulations zygapophysaires. Ils doivent disposer d’un volume de remplissage le plus large possible qui pourra être entregreffé par le tissu osseux ou rempli d’os artificiel.
Des méthodes de contrôle standardisées sont prescrites comme tests d’admission. Chaque cage est par exemple placée entre deux composants d’entretoise sur lesquels s’exerce une charge axiale comme dans la colonne vertébrale. Les ingénieurs d’Ulrich Medical sont parvenus à mettre au point un test virtuel reprenant cette méthode de contrôle. « Avec notre système CAO Autodesk Inventor, nous avons conçu des modèles 3D correspondant à l’appareil de contrôle et aux cages, puis nous les avons transmis directement à Ansys par le biais d’une interface bidirectionnelle, avant de calculer les charges », explique Stefan Midderhoff. Les tensions à l’intérieur des cages ont pu être analysées et les résultats utilisés pour optimiser leur design.
Le système de simulation a également été utilisé par exemple pour concevoir un système à barre et à vis qui permet de stabiliser, fixer et corriger la colonne vertébrale. Étant donné la complexité de ces applications, les développeurs ont souvent dû faire appel à la société allemande Cadfem GmbH située à Grafing, pour comprendre dans quelle mesure la forme du filetage devait être prise en compte lors de l’interconnexion. Des conseils leur ont été donnés sur les vis de fixation à utiliser et les meilleures variantes de forme, pour que les vis sélectionnées ne se déforment pas sous l’effet de forces extrêmes et que le système à barre et à vis soit utilisable dans des conditions de charge optimales.
« Nous nous sommes très rarement posé des questions simples », souligne Stefan Midderhoff. « Il faut la plupart du temps tenir compte de plusieurs problèmes de contact, de frottement ou de blocage, par exemple, pour pouvoir éclaircir différentes questions pour la simulation. Nous n’hésitons pas alors à recontacter le support pour qu’il nous conseille sur les prochaines étapes et trouver une solution plus sûre. »
Les vis spéciales proposées par Ulrich Medical doivent répondre à de nombreuses exigences. Une vis à expansion, par exemple, doit avoir un diamètre réduit. Ce système à deux composants comporte une vis et une cheville d’environ 15 mm de long et de 5 mm de diamètre extérieur. Dès que la cheville est enfoncée, la vis s’écarte, se stabilise et améliore sa prise même si la qualité du tissu osseux est plutôt médiocre.
Il est important de savoir si la vis peut encore être utilisée efficacement avec un diamètre réduit ou si les ailettes se cassent lors de l’écartement. Dans la mesure où les vis sont fabriquées en titane ou en alliage de titane en raison de leur bonne tolérance par l’organisme, elles sont plus fragiles que les vis proposées dans d’autres matériaux. Ansys permet de calculer la force avec laquelle la cheville doit être vissée, sans qu’elle ne se torde ou ne se brise par friction ou blocage lors du vissage.
Stefan Midderhoff envisage globalement de renforcer l’intégration de la simulation dans le processus de fabrication de produits. Un projet génèrera bientôt des analyses dynamiques pour réunir des informations sur la résistance à l’usure et la défaillance possible des produits. Pour l’heure, il reste de nombreux tests dynamiques à réaliser en laboratoire, car ils sont prévus dans les normes en vigueur. Les test dynamiques sont souvent très longs et s’étalent parfois sur plusieurs semaines. Si un défaut de matériau apparaît au cours de la phase finale, il faut modifier le composant et recommencer la procédure. Le logiciel de simulation permet de gagner du temps, car il détecte ses points faibles plus rapidement. Un test final réalisé dans des conditions réelles sert alors en principe uniquement de confirmation.
Une autre approche pour optimiser l’utilisation de la technologie de simulation pendant le développement d’un produit consiste à automatiser le calcul des vis. Elle permettrait de développer une application dotée d’une interface composée d’assistants à partir d’Ansys. Une fois les paramètres requis saisis, la résistance de la vis serait automatiquement calculée. « Ces coûts d’automatisation se justifient uniquement s’il faut calculer un grand nombre de vis différentes », souligne Stefan Midderhoff. « Pour répondre à ces questions ou d’autres questions d’ordre biomécanique, nous sommes en contact permanent avec les spécialistes de la simulation chez Cadfem. » Ils nous aident, de par leur expérience, à utiliser le logiciel de simulation plus efficacement et, par exemple, à progresser dans de nouveaux champs d’application sur des projets communs.
Cadfem a également joué un rôle clé lors du déploiement du logiciel de simulation. En effet, bien que l’interface utilisateur d’Ansys Workbench soit simple à utiliser, tous les collaborateurs ont été formés au début en participant à des séminaires internes, dont les thèmes ont été développés en collaboration avec Cadfem, le centre de compétences en FEM d’Ansys. Des formations de niveau avancé en rapport avec des projets ont permis d’approfondir les connaissances des utilisateurs qui savent aujourd’hui tous utiliser le logiciel pour calculer eux-mêmes leurs opérations.
Gerhard Friederici Cadfem, Grafing (Munich)
La simulation montre à quel moment la cheville se casse dans la vis
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