Emboutissage ou Usinage : que choisissez-vous pour vos appareils métalliques ?

Daphné Allen | 30 mars 2018

Vous développez un dispositif médical en métal et équilibrez un budget, des délais, des considérations de conception, etc. Quel procédé choisissez-vous : emboutissage ou usinage ?DM+DI a demandé au vétéran de la fabrication de métaux Steve Santoro, vice-président exécutif de MICRO, de comparer les deux processus et de se projeter dans l'avenir de la fabrication de métaux. Santoro est chez MICRO depuis 2002 et a été dans l'industrie de la fabrication en sous-traitance pendant toute sa carrière.

MD+DI : Quelles sont les différences fondamentales entre l'emboutissage et l'usinage lorsqu'il s'agit de dispositifs médicaux ?

Santoro : Le principal facteur déterminant lorsque l'on considère l'emboutissage par rapport à l'usinage est lié à l'ajustement, à la forme et à la fonction d'un composant couplé à la géométrie de la pièce et au matériau utilisé. Si un dispositif médical est conçu pour un nombre indéfini d'utilisations, l'usinage fonctionne mieux, car il produit des pièces complexes qui prennent en charge la durabilité. Pour les produits destinés à être utilisés une seule fois, l'emboutissage est une meilleure approche car il peut produire des pièces de précision qui ont tendance à être moins durables.

Le volume peut également être un facteur important dans le processus de prise de décision. Lorsque plusieurs millions de composants par semaine sont nécessaires, tels que des clips de ligature, cela peut être facilement réalisé avec l'estampage. Usiner de telles quantités peut nécessiter 100 centres d'usinage. Ainsi, une mise à l'échelle à ce degré avec usinage peut ne pas être pratique en termes de dépenses en capital.

Les coûts d'outillage sont une autre considération. Par exemple, si un appareil nécessite des tolérances serrées de +/- 0,0005 pouce et a des volumes de 3 000 à 5 000 pièces par semaine, l'usinage est généralement la technologie de choix car il est plus polyvalent et précis. En supposant que le bon centre d'usinage soit disponible, il suffit de le programmer pour s'adapter à la géométrie de la pièce. Cela contraste fortement avec une matrice d'emboutissage progressive, qui prendra plus de temps à concevoir et à construire, en plus d'être plus coûteuse.

La géométrie des pièces est également une considération majeure. Certains composants ne peuvent tout simplement pas être estampés. Par exemple, une pièce en acier inoxydable 304 entièrement dur de 1/8 po d'épaisseur avec un trou de 0,040 de diamètre ne peut pas être emboutie. Il n'y a pas de matériau de poinçon qui peut supporter la charge nécessaire pour percer ce matériau à ce diamètre. L'usinage fonctionne mieux dans ce cas couplé à la technologie laser.

MD+DI :Y a-t-il des besoins/demandes du marché qui pourraient être mieux résolus par l'une ou l'autre technologie ?

Santoro : Avec le large éventail de clients pris en charge par MICRO, certaines technologies sont plus adaptées à leurs besoins et objectifs finaux. Par exemple, l'estampage est précieux pour les clients qui conçoivent des dispositifs à usage unique, car ils ont tendance à être moins robustes et impliquent des coûts de construction nettement inférieurs à ceux des dispositifs réutilisables. L'usinage, en revanche, se prête au développement de dispositifs réutilisables car ils doivent résister à une utilisation répétée, bien que cette durabilité ait tendance à coûter plus cher. Le moulage par injection de métal (MIM) ou l'usinage MIM plus offre un juste milieu en termes de prix et de durabilité.

MD+DI : Existe-t-il des différences de sélection de matériaux ?

Santoro : Quant à savoir si l'estampage ou l'usinage est la meilleure approche pour le développement d'un dispositif médical, l'épaisseur et la dureté du matériau doivent être prises en compte pour obtenir les résultats les plus efficaces et les plus efficients. En ce qui concerne l'épaisseur du matériau, par exemple, l'emboutissage peut être limitant car l'épaisseur doit être uniforme sur toute la pièce. En ce qui concerne la dureté du matériau, pratiquement toutes les duretés peuvent être usinées. Dans l'emboutissage, la dureté du matériau doit être prise en compte avec plus d'attention étant donné le potentiel de fissuration lors du formage. De plus, dans de nombreux cas, le titane est le matériau de choix pour les implants et est le meilleur pour la tomodensitométrie. Le titane est disponible sous forme de fil, de tige et de feuille ; cependant, il n'est pas couramment disponible en bandes continues, qui sont nécessaires pour la plupart des opérations d'emboutissage.

[Image à droite : une pièce estampée]

Le choix des matériaux a ses limites. En général, la plupart des métaux rouges, des aciers inoxydables, du titane (fil) et de l'acier laminé à froid peuvent être emboutis. La considération générale à prendre en compte est que plus le calibre est lourd et plus la dureté est élevée, plus il est difficile à emboutir.

La plupart des estampages médicaux sont en acier inoxydable 302, 304, 17-4 ou 17-7. Chez MICRO, nous estampons la gamme complète des trempes disponibles dans le commerce jusqu'à et y compris la trempe complète ainsi que des épaisseurs jusqu'à 0,060 po. L'usinage peut fonctionner sur tous les mêmes matériaux jusqu'à et y compris la trempe complète. Il offre également beaucoup plus de capacités lorsqu'il s'agit de créer des formes complexes à partir d'ébauches très épaisses à des tolérances extrêmement précises à partir de n'importe lequel de ces matériaux qui peuvent être estampés. Il y a cependant une considération de coût avec l'usinage, car il est généralement plus cher par unité.

Chez MICRO, nous avons plus de 50 presses à emboutir les métaux, jusqu'à 220 tonnes, dont plus de 30 presses à grande vitesse Bruderer de 30 à 60 tonnes fonctionnant à des vitesses allant jusqu'à 1200 coups par minute. La plupart sont équipés de la dernière technologie de capteur. Les pièces sont généralement fournies en vrac ou dans des configurations de bobine à bobine.

MD+DI : Y a-t-il des différences dans la conception de précision ou la résistance de l'appareil ?

Santoro : Lorsque le concepteur du produit choisit l'emboutissage, il y a peu de place à l'erreur étant donné le coût potentiel d'une matrice progressive complexe. Par conséquent, il est important que les conceptions soient examinées et approuvées par le fabricant au début du processus de conception.

Il convient également de noter qu'une fois le produit conçu à l'aide de composants usinés, il peut être extrêmement difficile de reconcevoir la pièce en tant qu'emboutissage pour réduire les coûts sans modifications fondamentales de la conception.

L'usinage MIM ou MIM plus peut fournir un terrain d'entente en termes de coût par rapport à une pièce entièrement usinée.

Ci-dessus : pièce MIM avec fente usinée

MD+DI : Comment chaque technologie a-t-elle été modernisée au fil des années ?

Santoro : Citizen a récemment combiné l'usinage au tour suisse et la découpe laser dans une machine de pointe. Particulièrement adapté à la production de tubes fabriqués, le centre d'usinage CNC Citizen L200 combine un tour CNC à 7 axes de style suisse et une découpeuse laser intégrée de 400 W. Il découpe au laser des fentes et des trous et usine simultanément différents diamètres extérieurs, réduisant ainsi le temps d'installation, le traitement secondaire et les coûts de manutention.

La robotique a été intégrée aux centres d'emboutissage et d'usinage pour réduire le temps nécessaire et diminuer les erreurs humaines dans les tâches répétitives.

MD+DI : L'un ou l'autre est-il mieux adapté à certains processus secondaires ou étapes de finition ?

Santoro : Les processus secondaires doivent être traités au cas par cas. Il ne s'agit peut-être pas d'un problème d'usinage par rapport à l'emboutissage, à moins qu'il ne soit dicté et conçu par nécessité en raison du volume et du coût initial de la phase de conception du produit.

La géométrie de la pièce peut dicter les étapes de processus secondaires. Par exemple, la géométrie de la pièce peut permettre une passivation en masse si nécessaire, ou elle peut imposer que les pièces soient stockées pour la passivation. Ce sont des procédés très différents avec des coûts très différents (l'encombrement étant presque toujours inférieur), qu'ils soient emboutis ou usinés.

Néanmoins, l'emboutissage peut être mieux adapté aux opérations secondaires et à l'automatisation car, dans de nombreux cas, la pièce peut être laissée sur une bande de support pour faciliter les processus secondaires automatisés tels que le dégraissage ou le placage sélectif. Cela se prête également à la réalisation d'une opération secondaire non réalisable en emboutissage comme la soudure sur un écrou fileté, l'ajout d'un contact en argent, le marquage laser, l'affûtage, etc.

MD+DI : Y a-t-il des défis pour les utilisateurs qui peuvent être résolus avec l'une ou l'autre de ces technologies ?

Santoro : La vitesse de développement est améliorée en utilisant des composants usinés. Il est généralement plus rapide d'effectuer une modification de conception et d'obtenir des échantillons de développement dans une pièce usinée par opposition à une pièce emboutie étant donné le manque d'outillage dédié.

Ci-dessus : pièce usinée en PEM

MD+DI : Comment chaque technologie va-t-elle évoluer dans les 5 prochaines années ? 20 ans?

L'usinage électrochimique précis (PEM) est une nouvelle technique révolutionnaire qui offre certains avantages par rapport à tout ce qui précède en termes de sélection de matériaux, de finition de surface, etc. Il s'agit d'un processus de mise en forme de métal puissant et sans contact qui associe une machine PEM à un unité de traitement d'électrolyte, groupe électrogène et poste de commande de l'opérateur. À l'aide d'un courant électrique et d'un outil oscillant baigné dans un électrolyte conducteur (eau salée), le PEM dissout le métal par liquéfaction. Une pièce chargée positivement (l'anode) prend la forme de l'outil chargé négativement (la cathode) lorsque le métal est dissous. Le résultat est une pièce de haute qualité sans bavures. Et, puisque l'électrode ou "l'outil" ne touche jamais l'anode ou la "pièce", il n'y a pas d'usure sur la pièce finale. (Veuillez voir à droite pour une pièce PEM et l'illustration ci-dessous pour le processus.)

Avantages et capacités du PEM :

Ci-dessus : une illustration de l'usinage électrochimique de précision (PEM)

MD+DI : L'impression 3D remplacera-t-elle l'une ou l'autre technologie ?

Santoro : À mesure que la qualité de la fabrication additive s'améliore, on s'attend à une certaine érosion de l'usinage à faible volume. L'estampage, en revanche, est un processus peu coûteux et à volume élevé qui est moins susceptible d'être affecté dans un avenir prévisible.

Pour plus de détails, visitez MICRO au stand BIOMEDevice Boston #317 du 18 au 19 avril.

[Toutes les images avec l'aimable autorisation de MICRO]

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