LES ÉTAPES D’UNE IMPRESSION EN TROIS DIMENSIONS RÉUSSIE - Le Point Vétérinaire n° 449 du 01/01/2024
Le Point Vétérinaire n° 449 du 01/01/2024

CHIRURGIE

Dossier

Auteur(s) : Alexandre Caron

Fonctions : AniCura TRIOVet
1D allée Eremengard d’Anjou
35000 Rennes

La phase finale de l’impression est simple, mais pour garantir la qualité, la précision et les performances requises, les étapes préalables demandent une expertise particulière.

Une impression en 3D de qualité nécessite, comme toute production, une bonne préparation et une mise en œuvre avec un matériel adapté. Ainsi, le travail en amont de l’impression doit être soigné afin d’obtenir le résultat escompté. Les processus de vérification de la qualité d’impression sont en plein essor, afin d’assurer la fiabilité de cette nouvelle technologie.

Dans cet article, les différentes étapes d’une impression en 3D sont détaillées pour offrir une vue complète de la procédure aux vétérinaires et à leurs auxiliaires intéressés par cette technologie nouvellement accessible et de plus en plus utilisée dans le domaine de la santé globale (dentistes, médecins, chirurgiens, vétérinaires, etc.).

1. ACQUISITION DE QUALITÉ ET SEGMENTATION OU CONCEPTION

Création du fichier .stl

La première étape de l’impression en 3D consiste à créer le fichier à imprimer dans un format bien spécifique (fichier stéréolithographique en .stl). Ce format de fichier de maillage divise la géométrie en une série de triangles qui relient les points des coordonnées dans l’espace tridimensionnel (photo 1). Ces fichiers peuvent être lus directement par les imprimantes 3D pour produire une pièce physique. Ils doivent être parfaitement conçus et vérifiés afin que l’impression arrive à son terme sans erreur. Deux techniques sont principalement utilisées pour produire ce type de fichiers : la conception assistée par ordinateur (CAO) d’un nouvel objet ou la reproduction à partir d’un objet existant (via un scanner).

Conception assistée par ordinateur

Définition et logiciels de CAO

La CAO est une technique de dessin en 2D ou en 3D pour la conception de modèles qui peuvent par la suite être imprimés. Les progrès informatiques des dernières décennies ont permis la multiplication et la démocratisation des outils de CAO, tels que les logiciels AutoCAD (développé par Autodesk) ou Blender (open source), ce qui en fait une technologie courante aujourd’hui. Elle est ainsi fréquemment utilisée en architecture, en électronique ou dans l’industrie automobile. Avec l’essor de l’impression en 3D, la CAO s’est aussi développée dans le milieu médical pour assister la production de matériel éducatif, de dispositifs médicaux, dont des implants qui peuvent être spécifiques au patient humain ou à l’animal. Ainsi, la suite logicielle Mimics développée par Materialise est en pleine expansion et intègre tous les éléments nécessaires pour une utilisation réussie de la conception et de l’impression en 3D au sein d’un parcours de soins.

Compétences en conception assistée par ordinateur

La CAO nécessite des compétences spécifiques en raison de la complexité des fonctions incluses dans les logiciels, parmi lesquelles la simulation du comportement de l’objet sous certaines contraintes. Bien qu’il soit possible d’acquérir rapidement des compétences pour créer un objet en 3D de forme simple à l’aide d’un logiciel (accessible en open source par exemple), le recours à un professionnel ou à un logiciel adapté au personnel soignant permet d’aller plus loin dans le processus de conception et de prototypage avant toute production physique. Tout l’enjeu des développements actuels est d’amener la technologie au chevet du patient, afin de réduire la durée de conception et de production, tout en impliquant les connaissances médicales des soignants au maximum dans le processus de conception. Les coûts réduits d’une impression en 3D permettent tout de même une vérification physique manuelle de certains paramètres. La création de guides de perçage, d’ostéotomie ou d’ostectomie, qui passe par un travail de CAO, est un exemple parfait de son intérêt. Ainsi, la vérification de ces guides spécifiques à un patient ou à un animal peut être effectuée après l’impression d’un modèle osseux, d’un exemplaire du guide et la répétition en amont de l’intervention (photo 2).

Production d’un modèle 3D via le scanner

La production d’un modèle 3D est également possible au moyen d’un scanner en trois dimensions, ce qui paraît plus facilement accessible que la CAO dans le domaine médical. Cette technique de numérisation consiste à utiliser un scanner pour capturer des images de l’objet d’intérêt et à les transformer en un fichier 3D. En dehors des objets conçus par CAO, la majorité des impressions en 3D en médecine vétérinaire sont conçues à partir de l’examen tomodensitométrique d’un animal ou d’un objet. Cependant, pour imprimer l’objet désiré, il ne suffit pas seulement de réaliser un examen scanner pour le transmettre à l’imprimante 3D. Il est nécessaire d’extraire de cet examen l’élément souhaité pour l’impression. Cette étape s’appelle la segmentation (photos 3 et 4)(1). Elle consiste à sélectionner la zone d’intérêt à imprimer et les couches de gris parmi les 256 identifiées lors de l’examen par la machine. Ainsi, grâce à la sélection des pixels d’intérêt par l’intermédiaire des unités Hounsfield (- 1 000 à + 1 000), un fichier stéréolithographique est créé. Il est transférable aux logiciels de vérification et de transformation, puis à l’imprimante 3D. Cette étape est cruciale pour obtenir une impression réaliste et qualitative. Elle peut être réalisée directement grâce aux visionneuses Dicom habituelles (OsiriX par exemple) ou, de façon plus professionnelle, via des logiciels adaptés à la gestion complexe des images et des objets en 3D comme 3D Slicer (photos 5a et 5b). Les fichiers stéréolithographiques obtenus de cette manière peuvent alors être utilisés pour l’impression en 3D après l’affinage et l’optimisation.

2. AFFINAGE DU MODÈLE 3D

Une fois le fichier stéréolithographique créé, il doit être vérifié pour s’assurer qu’il est étanche (spécialement pour les impressions en résine), que les couches sont correctement alignées et que les détails les plus fins sont visibles. Cela doit être effectué à l’aide d’un logiciel adapté disposant d’un outil d’analyse de maillage, tel que Meshmixer ou Fusion 360. Cette étape permet de détecter les éventuelles erreurs dans le fichier. Ces outils servent aussi à sculpter numériquement la géométrie d’un fichier 3D, à ajouter des détails et des textures et à manipuler les couches. Il peut également être intéressant de travailler sur la résolution et le lissage de la surface du modèle 3D (densité du maillage), l’équivalent en trois dimensions de la pixellisation (encadré).

Cependant, pour que l’impression reste la plus fidèle au modèle de départ, notamment pour les pièces anatomiques, cette étape doit se limiter à la correction des défauts liés au processus d’acquisition des images et de segmentation. Il est possible d’obtenir une impression plus petite ou plus grosse, donc moins proche du modèle de départ, en retravaillant excessivement la surface (lissage excessif effaçant certains reliefs ou certaines courbes, etc.). La solidité du modèle, définie par l’épaisseur de la couche à imprimer ainsi que par le caractère plein ou vide du modèle, doit aussi être travaillée. Elle doit être déterminée selon les besoins du produit final. Par exemple, un guide de coupe nécessite une résistance accrue par rapport à un modèle de radius-ulna destiné à une observation physique directe par le chirurgien avant l’intervention, sans exercer de contrainte physique. L’objet imprimé peut être vide, plein ou creux avec une armature interne soutenant la coque.

3. PRÉPARATION ET OPTIMISATION DE L’IMPRESSION

Supports et orientation de l’objet

Avant l’impression, il est encore nécessaire de préparer le modèle fini. Cette phase vise à rendre le modèle apte à être imprimé en y ajoutant notamment des supports externes et internes qui évitent son effondrement lors de l’impression (photos 6a à 6f). Cette étape est nécessaire quel que soit le type d’impression. Il est capital de bien connaître son imprimante et son fonctionnement afin de définir au mieux la position de l’objet par rapport au plateau d’impression, ainsi que celle des supports. Un bon travail d’optimisation et de préparation réduit significativement le temps d’impression, mais il peut aussi influer sur le temps de post-traitement de l’objet imprimé, ainsi que sur la qualité du produit fini. Ainsi, lors de l’impression du modèle anatomique d’un bassin de chat pour précontourner une plaque destinée à stabiliser une fracture, aucun support ne doit être positionné sur la face du bassin sur laquelle sera appliquée la plaque, afin que le rendu final d’impression de cette face soit le plus fidèle possible au modèle informatique et anatomique.

Paramètres d’impression

Les paramètres comme l’épaisseur des couches (donc la finesse du rendu, à comparer aux pixels d’une image en 2D), la taille ou le type de matériau doivent aussi être spécifiés avant de lancer l’impression. Ces paramètres ont une influence directe sur la qualité du produit final et sur la durée d’impression, en lien avec la quantité de matière à produire [1]. Or, plus l’impression est longue, plus le risque d’un incident technique est grand. La durée de l’impression peut devenir capitale lors de la réalisation de modèles anatomiques pour aider au traitement d’une fracture, car l’animal doit être opéré rapidement. Avec un processus de travail bien établi, il est possible de disposer d’un modèle du bassin à réparer dans un délai de six à huit heures après l’admission de l’animal, même pour un grand chien. Les logiciels de préparation pour l’impression parmi les plus populaires sont PreForm et Meshmixer. Certains (PreForm) sont conçus spécifiquement pour une marque d’imprimante (Formlabs), alors que d’autres (Meshmixer en open source) sont compatibles avec différents types d’imprimantes.

4. IMPRESSION

Une fois le modèle préparé et optimisé pour l’impression, le fichier peut être transféré à l’imprimante choisie via une clé USB ou un réseau, si l’imprimante le permet. Il n’est généralement pas nécessaire de conserver une connexion entre les logiciels précités et l’imprimante qui peut gérer en autonomie le fichier en cours d’impression. Pour les imprimantes à résine (SLA) comme à extrusion (filament de plastique), il faut choisir à ce stade le ou les types de matériaux avec lesquels réaliser l’impression [2]. Ils se présentent sous la forme d’un bidon de résine ou d’une bobine de fil. La couleur ou la qualité (résistance, élasticité, etc.) peuvent être adaptées selon la finalité de l’impression. Les fabricants ont multiplié les matériaux disponibles et certains produits existent désormais en qualité médicale par exemple (certification ISO 13485)(2). Ils sont particulièrement adaptés à l’usage chirurgical avec un certain niveau de solidité garanti, ainsi qu’une résistance aux méthodes classiques de stérilisation (notamment à la chaleur humide), mais surtout une biocompatibilité des résidus. Cette caractéristique doit être prise en compte lors de la production de guides chirurgicaux pour une ostéotomie ou ostectomie correctrice, les résidus des guides pouvant être libérés dans le site opératoire lors de l’utilisation de la scie chirurgicale (photo 7). Bien qu’un rinçage abondant de la plaie s’impose, une biocompatibilité avérée du matériau employé est un gage de sécurité pour l’animal. Les imprimantes fonctionnent en autonomie, sous réserve que le fichier à imprimer ait été parfaitement conçu au préalable. Selon la technologie employée pour l’impression, les risques d’erreur sont plus ou moins élevés, même si de grands progrès sont réalisés chaque année. Ainsi, si une impression SLA a peu de chance d’échouer, une impression en filament d’ABS sur un modèle d’imprimante de moyenne gamme peut parfois mener à un résultat décevant. Il est alors capital de bien choisir son imprimante 3D selon l’utilisation prévue et le temps disponible pour son paramétrage à chaque impression ou la surveillance du bon déroulement du processus.

5. POST-PROCESS

Les pièces ne sortent pas totalement terminées de l’imprimante : elles ont souvent besoin d’un post-traitement (photo 8). Une fois l’impression achevée, le modèle doit être détaché de la plate-forme d’impression, nettoyé et traité pour obtenir une pièce finale représentant fidèlement le modèle digital créé. Les étapes peuvent varier selon la méthode d’impression utilisée, résine ou filament de plastique le plus souvent en médecine vétérinaire, mais certaines étapes sont communes [1].

Post-traitement SLA

Pour les modèles imprimés en résine, il est nécessaire de nettoyer le modèle dans une solution d’alcool isopropylique pour éliminer tout résidu de résine non polymérisée, notamment dans les petits interstices ou les anfractuosités du modèle. Cette étape est particulièrement minutieuse lors de l’impression d’un crâne, par exemple. Les pièces doivent être lavées avant le retrait des supports. La pièce est ensuite placée dans un four à ultraviolets pour durcir toute la résine sur le modèle, les pièces n’ayant pas encore acquis leurs propriétés matérielles finales. Cette étape est importante lorsque des pièces robustes, soumises à des contraintes, doivent être produites. Cette phase de postpolymérisation correspond alors à l’exposition de la pièce à la lumière et à la chaleur, ce qui contribue à la solidifier, en accord avec ses propriétés matérielles. Facultative pour les résines standards, elle est nécessaire pour les matériaux biocompatibles, afin de répondre aux normes de sécurité déterminées par les organismes de réglementation.

Retrait des supports

Pour les modèles imprimés en filament d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), les deux étapes de rinçage et de post-polymérisation ne sont pas nécessaires. En revanche, les supports qui ont été ajoutés à la phase de préparation du modèle doivent toujours être retirés. Ils sont généralement situés sur les parties surplombantes du modèle pour les empêcher de s’effondrer. C’est pourquoi la disposition du modèle à imprimer est importante afin de limiter la persistance d’irrégularités non naturelles sur une face de l’objet pour laquelle une certaine forme de perfection est attendue.

Par exemple, la surface d’un guide épousant une face osseuse ou la surface osseuse sur laquelle une plaque doit être contournée ne doivent comporter aucune imperfection. Au besoin, un léger ponçage est envisageable. Il est ensuite possible d’appliquer une peinture ou un vernis sur la pièce imprimée, ce qui peut être particulièrement intéressant dans le cadre éducatif, lors de pièces utilisées pour l’enseignement, afin de différencier les différentes structures anatomiques.

Références

  • 1. Formlabs. Livre blanc : l’impression 3D de bureau stéréolithographique (SLA).
  • 2. Formlabs. SLA ou DLP : comparaison des techniques d’impression 3D en résine. Guide 2020.
  • 3. Mottart X, Slagmolen P. 3D lab in a hospital environment: 3 key reasons why a professional desktop printer is a great fit. Materialise Whitepaper. 2017;1:1-19.
  • 4. Pietila T. 6 considerations for implementing a 3D printing Core Service in your hospital. Medical 3D printing Series. Materialise Whitepaper.

Conflit d’intérêts : Aucun

Encadré
POSSIBILITÉS OFFERTES PAR LA PHASE DE L’AFFINAGE 3D

Dans le cadre de la production de modèles anatomiques à visée éducative par exemple, c’est au moment de l’étape d’affinage que l’objet peut être redimensionné, ou divisé en plusieurs parties lorsque l’impression doit être fractionnée. De grosses pièces anatomiques peuvent alors être ramenées à une taille plus facile à manipuler par les étudiants. Enfin, il est possible à ce stade d’ajouter simplement sur la pièce à imprimer une base pour l’exposer dans une certaine position ou des mentions particulières comme un nom ou une référence, afin d’organiser une banque de pièces imprimées (photos).

CONCLUSION

L’impression en 3D est devenue une technologie de plus en plus accessible, riche de nombreuses applications pour la conception d’objets dans plusieurs secteurs. Différentes étapes sont nécessaires pour réaliser une impression en 3D de qualité : la création d’un maillage précis, la préparation du modèle en y ajoutant des supports, le choix du matériau, l’impression en elle-même et la postproduction qui comprend le retrait des supports et le nettoyage du modèle. Des plates-formes et logiciels permettant la réalisation de toutes ces étapes se développent, mais leur coût reste essentiellement accessible à de gros projets d’implémentation de l’impression en 3D et du traitement spécifique au malade au sein d’unités de soins, vétérinaires ou non (Materialise par exemple) [3, 4]. Dans les domaines médical et vétérinaire, l’impression en 3D offre des solutions de pointe pour des applications complexes, permettant la création de dispositifs innovants et individualisés. Une nouvelle ère de la médecine globale s’ouvre avec cette personnalisation du traitement. Nul doute que les années à venir démontreront le potentiel de l’impression en 3D et ses bénéfices pour les animaux.

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