2.4 :: FABRICATION

Deux techniques de mise en forme sont proposées pour la chaîne numérique de CFAO dentaire :
- L’usinage : possibilité de mettre en forme plusieurs matériaux avec la même machine
- La fabrication additive : souvent chaque machine est dédiée à un seul matériau

[Tableau Fabrication montrant le champ d’application de chaque technologie de fabrication]

TECHNIQUES de fabrication 
Usinage
Fabrication additive
APPLICATIONS
3 axes
4 axes
5 axes
imp. 3D
stéréo.
micro-fusion
Waxup
Couronnes, chapes, briges
X X
X X
X X
X X X
X X X
Inlays/Onlays
X X
X X
X X
X X
X X
Implantologie
(moignons, piliers…) 
X X
X X
X
X
Barres sur implants
X
X
X
X
Châssis métalliques (amovibles)
X X X
X X X
Composants orthopédiques
X X X
X X
Zircone
Couronnes, chapes, briges
X X X
X X X
X X X
Inlays/Onlays
X X X
X X X
X X X
Implantologie
(moignons, piliers…) 
X
X
Barres sur implants
X
X X X
Cobalt-Chrome
Couronnes, chapes, briges
X X
X X
X X
X X X
Implantologie
(moignons, piliers…) 
X X
X X X
X
Barres sur implants
X
X X X
X
Châssis métalliques (amovibles)
X X
Titane
Couronnes, chapes, briges
X X X
X X X
X X X
X
Implantologie
(moignons, piliers…) 
X X
X X X
X
Barres sur implants
X
X X X
X
Châssis métalliques (amovibles)
X

X = Peu adapté
X X = Adapté
X X X = Bien adapté


2.4.1 :: Usinage

L’usinage est une technique de fabrication qui permet la mise en forme de tous les composants mécaniques des prothèses dentaires fixes et hybrides. Destiné au départ à la fabrication de prothèses céramo-céramiques, l’usinage demeure le seul moyen efficace à ce jour pour fabriquer des pièces en alumine, zircone et céramique.

Toutes les MOCN peuvent usiner de la zircone pré-frittée, des matériaux calcinables et des plastiques pour les prothèses temporaires. Quelques machines, plus robustes, permettent d’usiner du titane, du cobalt-chrome et de la zircone frittée.
Galette
L’usinage est le moyen de fabrication qui offre la plus grande précision, ce qui en fait la technique la mieux appropriée à la fabrication de composants pour les superstructures sur implants qui exigent une excellente passivité.

Le nombre de machines-outils adaptées à la production de restaurations dentaires a longtemps été limité aux offres de cinq sociétés, les machines faisant partie d’une solution de CFAO complète. Mais avec l’arrivée de logiciels de CAO ouverts, une vingtaine de machines d’usinage sont désormais commercialisées en France.
[Voir le tableau de l’offre de machines d’usinage]


2.4.1.1 :: Machines faisant partie d’une solution de CFAO complète


Au début des années 2000, les fournisseurs d’équipements pour laboratoires furent les premiers à proposer des machines avec une programmation d’usinage totalement automatisée, développées spécifiquement ou essentiellement pour la mise en forme d’armatures en zircone : Cercon de Dentsply Degudent, Cerec de Sirona et Everest de Kavo. Dans le même temps, des entreprises sont nées pour adresser le marché spécifique de la conception et fabrication d’armatures : DCS Dental avec son système Precident et Hint-Els avec DentaCAD. En 2006, DCS a été racheté par Bien-Air qui a arrêté la commercialisation de Precident et propose deux nouvelles machines : Mill200 pour l’usinage de matériaux tendres et Mill300 pour les matériaux durs. Wieland s’est aussi lancé dans la fourniture d’une solution complète de CFAO en intégrant le système de CAO de 3Shape avec des machines de conception Imes pour donner naissance à la gamme Zeno. A l’IDS 2009, l’entreprise a présenté la première machine de sa propre conception : la Zenotec T1, 4 ou 5 axes, avec une palettisation pouvant contenir 30 disques de matériaux différents en magasin.

Les solutions complètes offrent comme avantage de fournir une chaîne numérique sans rupture et des protocoles prédéfinis allant de la conception à la finition de la prothèse ; elles sont donc plus faciles à mettre en œuvre, puisque prêtes à l’emploi. Le problème est de pouvoir rentabiliser un tel investissement avec un volume de production suffisant, ce qui est difficile avec une solution fermée si l’on n’est pas un « gros » laboratoire. Mais face à la concurrence des fabricants de machines pour l’industrie et à la pression des utilisateurs, les fournisseurs sont obligés de revoir leur modèle économique et ils commencent à s’ouvrir à d’autres CAO. Leur principal défaut demeure le coût souvent trop élevé des matériaux, mais là aussi, la concurrence joue en faveur de la baisse des prix.


:: Evolution de l'offre de solutions CFAO complètes

Le système Cercon est toujours dédié à la fabrication d’armatures en zircone pré-frittée. Cerec permet d’usiner des armatures (5 éléments maxi) en alumine, zircone et céramique. Ces sociétés proposent d’autres matériaux en sous-traitance via leurs centres de production. Les autres systèmes offrent un panel plus large d’applications et de matériaux, allant jusqu’à l’usinage de titane et de cobalt-chrome. Everest est aujourd’hui le système le plus polyvalent ; il couvre presque toutes les applications, hormis les barres, et propose un large choix de bruts à usiner (disque, bloc, barre, lingotin).

Ils commencent à s’ouvrir à des CAO concurrentes
Chez Dentsply, Kavo et Sirona les machines font toujours partie d’une solution complète de conception et de fabrication, allant du scanner jusqu’aux matériaux, mais d’ici à l’automne leurs clients auront la possibilité d’usiner des fichiers issus de la CAO de 3Shape. Bien-Air et Hint-Els offrent déjà la possibilité d’usiner à partir de fichiers 3D STL, issus de toute CAO ouverte.

Le cas spécifique de 3M Espe
La société ne vend pas des machines, elle propose des franchises. Le laboratoire qui s’équipe d’une machine devient un centre d’usinage agréé Lava avec une zone de chalandise qui lui est réservée. De son côté, 3M Espe fait la promotion de sa marque de restaurations dentaires Lava auprès des cabinets, et elle vend des systèmes de CAO à des laboratoires se chargeant de la modélisation 3D des armatures puis de la finition de la prothèse. Le centre d’usinage équipé d’une machine Lava est donc un concessionnaire « Lava CFAO » qui n’usine que des armatures conçues chez lui ou venant d’agents « Lava CAO ». (Infos 07/09)



2.4.1.2 :: Machines totalement ouvertes

Avec l’arrivée des systèmes de CAO ouverts, des fabricants de machines, parfois sous l’impulsion d’intégrateurs, se sont lancés sur le marché du dentaire en adaptant des machines existantes. La principale adaptation consiste à équiper la machine d’un porte matériau spécifique (le plus souvent des disques) et d’un système d’aspiration dans le cas de l’usinage à sec.

Désormais, une quinzaine de machines sont commercialisées sur le marché français, y compris des machines robustes adaptées à l’usinage de matériaux durs (cobalt-chrome et zircone frittée) qui sont essentiellement destinées aux centres de production. L’offre s’étend de machines d’usinage de matériaux tendres (de 40 à 85 k€) à des machines d’usinage de matériaux durs (de 90 à 170 k€). Les centres de production industriels recourent à des machines adaptées à la production en masse d’armatures, de piliers et de superstructures (de 140 à 350 k€).

La plupart des machines sont livrées avec un logiciel de FAO intégré, mais l’utilisateur peut changer de logiciel ou compléter l’équipement avec un logiciel supplémentaire, par exemple pour étendre les domaines d’applications de la machine.

Outre l’avantage d’intégrer des logiciels de FAO capables de lire des fichiers STL ou STEP, la plupart de ces fabricants n’imposent pas ses matériaux. Au contraire, ils s’adaptent aux bruts de matériau les plus courants. Le principal avantage des machines totalement ouvertes est donc de pourvoir choisir ses fournisseurs de matériaux comme le font les centres de production industriels. Mais cela implique que vous définissiez vos protocoles de fabrication.


2.4.1.3 :: Trois, quatre et cinq axes

Les machines 3 axes sont suffisantes pour usiner des couronnes, des chapes et des bridges. Le nombre d’éléments d’un bridge dépend du brut à usiner supporté par la machine. Elles permettent également d’usiner des barres à sens d’insertion simple.

Les machines 4 axes permettent d’étendre l’usinage à la fabrication de piliers.

L’usinage 5 axes est nécessaire pour usiner des supra-structures complexes, telles des barres à directions divergentes, et pour l’usinage en simultané d’une série de piliers.
Everest
Les capacités machines ne suffisent pas, encore faut-il avoir un logiciel de FAO capable de générer en automatique les programmes d’usinage à adresser au directeur de commande numérique de la machine ; à moins que vous n’embauchiez un technicien FAO.


2.4.2 :: Fabrication Additive

La fabrication additive consiste à mettre en forme un objet par ajout de matière (par empilement de couches successives), contrairement à l’usinage qui met en forme un objet par enlèvement de matière. Le principal avantage de cette technique de fabrication est qu’elle permet de produire simultanément des pièces de morphologies différentes et de formes complexes.
Armatures calcinables
Née dans le début des années 80, cette technique a d’abord permis la mise en forme d’objets en résine photo-polymérisable qui ne pouvaient être destinés qu’à un usage de maquette pour la validation de forme. C’est pourquoi, on l’avait désigné par l’expression « prototypage rapide ». Depuis, les procédés, les matériaux et les technologies ont évolués. Tout d’abord, dès les années 80, les maquettes en résine sont utilisées comme modèles pour la fonderie à cire perdue. Puis les technologies mises en œuvre ont permis de fabriquer des prototypes fonctionnels en résine, en plastique, en métal et en céramique. Et aujourd’hui, il est devenu possible de fabriquer des pièces en plastique ou en métal dites en « bonne matière », c’est-à-dire à usage final et non plus à usage de prototype ou de modèle. On parle alors de « Fabrication Directe » car on forme une pièce directement à partir de sa représentation numérique 3D, sans passer par un moule ou par l’usinage d’un brut.
Armatures calcinables
Une autre évolution, qui a notamment permis d’amener la fabrication additive vers la production de prothèses dentaires, est la simplification d’utilisation et la baisse de prix des machines, avec l’arrivée des « imprimantes 3D ». Normalement, l’expression « imprimante 3D » désigne les machines de fabrication additive utilisant le même principe que l'impression par jet d'encre pour le dépôt sélectif, soit du matériau à l’état liquide, soit d’un liant venant agglomérer des poudres [voir fiche technique : impression 3D]. Mais dans le langage usuel, l’expression « imprimante 3D » est utilisée pour désigner les machines de fabrication additive pouvant s’utiliser dans un environnement de bureau et permettant un rechargement facile du matériau, en remplaçant une cartouche ou en remplissant un bac.


:: La seule technique de fabrication numérique de châssis

Compte-tenu de la forme complexe des châssis, l’usinage n’est pas un procédé de mise en forme approprié. La méthode de fabrication d’un châssis à partir d’une maquette numérique est la fabrication additive, principalement avec les imprimantes 3D de maquettes calcinables, mais il est également possible de produire des châssis directement en métal par procédé additif, avec les techniques de micro-fusion de poudres par laser. Les fabricants ne vendent pas leurs machines à ces fins car ils n’ont pas qualifié leurs procédés de fabrication pour ce type de produit, mais certains sous-traitants proposent ce service. La principale difficulté réside dans la métallurgie des crochets qui peuvent être cassants. (Infos 07/09)

fabrication

2.4.2.1 :: Fabrication de maquettes calcinables

La fabrication additive de maquettes calcinables est la technique de fabrication numérique la plus simple d’emploi. Elle permet le modelage de toutes les maquettes 3D créées en CAO, quelques soient leurs formes, avec une précision machine de 20 à 50 µm. La fabrication additive est d’ailleurs la seule technique éprouvée pour produire les maquettes calcinables de châssis à partir de leur modélisation numérique.

Cette technique s’inscrit dans les procédés traditionnels de fabrication métallique par fonderie à cire perdue et de fabrication de céramiques par pressage, ce qui en fait le seul moyen de fabrication additive polyvalent. Pour la production d’armatures, les gains de productivité sont discutables ; ils sont essentiellement du côté de la CAO, notamment lors du maquettage des couronnes et des bridges à longue portée. Par ailleurs, les utilisateurs déclarent obtenir des pièces coulées avec un meilleur état de surface. Le gain de précision procuré par l’utilisation de la CAO couplée à la fabrication numérique est aussi à prendre en compte.

Deux techniques de modelage numérique sont proposées :
- impression 3D : modelage par dépôt sélectif en jets multiples d’une cire durcie par chauffe ou d’une résine photosensible liquide durcie par polymérisation UV,
[Voir fiche technique]
- stéréolithographie : modelage par polymérisation UV sélective d’un mélange cire et résine liquide photosensible contenue dans une cuve.
[Voir fiche technique]


:: Une offre restreinte

La première application d’une imprimante 3D pour la production dentaire a été commercialisée par Cynovad (un des pionniers de la CFAO dentaire qui vient de disparaitre) avec la machine d’impression 3D de cire lancée par 3D Systems : la machine Thermojet que Cynovad avait rebaptisée NeoPrint.

Seules trois marques d’imprimantes 3D adaptées à la production de maquettes calcinables pour le dentaire sont disponibles à ce jour sur le marché français : la machine ProJet 3000 DP (remplaçante de l’InVision) de 3D Systems, les machines Perfactory DDP et Desktop d’Envisiontec, et les machines D66 et D76 de Solidscape. Les deux premières offrent une bonne productivité mais le manque de concurrence fait que ces machines sont relativement chères, sachant qu’en plus les prix des machines sont majorés de l’ordre de 10.000 à 15.000 € quand elles sont vendues dans le dentaire (compter environ 100.000 € TTC pour une machine).

Il existe d’autres imprimantes 3D sur le marché mais leurs fabricants ne proposent pas de matériau qualifié pour une utilisation en fonderie. De ce fait, elles ne sont pas adaptées à la production de maquettes calcinables. L’israélien Objet Geometries, dont l’imprimante 3D Eden présente un bon rapport qualité/prix, travaille au développement d’un matériau calcinable qui devrait être disponible dans les prochains mois. Une jeune société française, Phidias, vient de mettre au point une nouvelle technique de stéréolithographie par UV sélectif, une machine de mise en forme de résine calcinable pour le dentaire est en cours de développement.
(Infos 07/09)


2.4.2.2 :: Fabrication directe d’armatures métalliques

La fabrication directe utilise le même processus numérique que l'impression 3D (mise en forme couche par couche à partir de la stratification de la maquette virtuelle), sauf qu'au lieu de fabriquer des maquettes en cire ou en résine calcinable, on fabrique directement des armatures en métal, essentiellement en cobalt-chrome.
micro-fusion
En 2003, la fabrication additive a fait une avancée importante avec la micro-fusion de poudres métalliques par laser ou par faisceau d’électrons. Le procédé consiste à fondre la poudre selon les paramètres géométriques définis à partir d'un ficher CAO, puis la poudre fondue est solidifiée rapidement formant des cordons de matière solide.
[voir fiche technique : micro-fusion laser]

De toutes les techniques de fabrication additive, la fabrication directe, par frittage ou micro-fusion de poudres, est sans nul doute celle qui a le plus de devenir pour la fabrication d’armatures et de châssis en métaux durs car elle est parfaitement adaptée à la production de masse personnalisée, plus rapide et plus rentable que le procédé de fonderie ou d'usinage.

Pour l’instant, on ne recourt pas à la fabrication directe pour la mise en forme de pièces en céramique, mais des laboratoires de recherche, des fabricants de machines et des entreprise de sous-traitance en fabrication additive y travaillent pour répondre à la demande de l'industrie aéronautique et du médical.


:: Fabrication directe :
La technologie des centres de production


La plupart des centres de production adoptent cette technique pour produire les armatures en Co-Cr. Bego a été le premier à recourir à ce nouveau procédé de fabrication rapide, dès la naissance de la technologie de micro-fusion laser en 2003. Sirona a suivi en 2006 et Degudent s’y est mis aussi plus récemment. Quelques laboratoires de prothèses dentaires ont aussi créés des structures de sous-traitance de fabrication directe en Co-Cr. Tout d’abord MG Prod puis Dentinov, et actuellement on compterait une dizaine de sous-traitants. Tous utilisent des machines de frittage laser de Phenix Systems.

Co-Cr
Chez les sous-traitants industriels, MB Proto a été le premier prestataire de services de Prototypage Rapide a proposé en France des services de fabrication métallique par micro-fusion laser. L’entreprise a développé une machine spécifique dédiée au dentaire sur la base de la technologie Realizer de MTT Technologies (ex. MCP-HEK), puis elle a créé la société Odenis Dental Systems. Parmi les autres centres de production industriels adressant les prothésistes dentaires, les sociétés Nobil Metal (Italie) et Simeda Medical (Luxembourg) recourent aussi à la fabrication directe pour leurs productions en Co-Cr.

A ce jour, seul le centre de production de Bego recourt à la micro-fusion laser pour la fabrication directe d’armatures en titane. En France, la jeune société Poly-Shape est le premier sous-traitant en fabrication directe métallique à proposer la fabrication de composants en titane pour le médical. Aux États-Unis, la société Prometal, fabricant d’une machine d’agglomération de poudres métalliques par impression 3D, a créé un service de fabrication directe d’armatures en or.
(Infos 07/09)


2.4.2.3 :: Fabrication directe de prothèses fixes temporaires


Le marché de la fabrication additive de prothèses temporaires est un marché naissant. Son évolution est liée à la disponibilité de biomatériaux compatibles avec les procédés de modelage.

A moins d’en faire une activité à part entière (activité de sous-traitance), cette technique de fabrication ne peut-être retenue que si l’on utilise une machine polyvalente, c’est-à-dire une machine capable de mettre en œuvre à la fois un matériau calcinable et un matériau biocompatible, avec un passage rapide d’un matériau à l’autre. Les procédés de mise en œuvre utilisant des techniques dont les matériaux ne sont pas mis en contact avec les équipements de construction sont donc les plus appropriés.


:: La première offre pour le dentaire

Le domaine de la prothèse auditive a été le premier à adopter la fabrication directe comme moyen de production en série de prothèses personnalisées. Plusieurs fabricants de machines de fabrication additive ont mis au point des matériaux biocompatibles : 3D Systems, EOS, Envisiontec, Objet Geometries et Stratasys.

La première application pour le dentaire a été présentée à l’IDS 2009 chez Envisiontec, avec la fabrication directe de prothèses temporaires sur la machine Perfactory DDP, en utilisant un élastomère photosensible.
(Infos 07/09)



2.4.2.4 :: Fabrication de modèles et de dies

Comme décrit dans la numérisation intra-buccale [page 5], la prise d’empreintes numériques directement en bouche va nécessiter la fabrication de modèles physiques à partir de modèles virtuels. La fabrication additive est la technique de modelage la mieux adaptée.
Occlusion
3M Espe, qui s’oriente vers un processus numérique sous son contrôle, a prévu de créer des unités de production de modèles équipées de machines de stéréolithographie Viper Pro SLA de 3D Systems. Le processus prévu est le suivant : le dentiste envoie ses empreintes numériques au prothésiste et en parallèle à 3M Espe qui se charge de la fabrication des modèles et les envoie au prothésiste.

Mais les systèmes de numérisation intra-buccale ne seront pas tous captifs. Itero, par exemple, a passé des accords avec 3Shape et Dental Wings pour créer une chaîne numérique sans rupture entre la numérisation intra-buccale avec son système Cadent et les logiciels de CAO de ces deux éditeurs. Les prothésistes seront donc amenés à fabriquer eux-mêmes des modèles ou à sous-traiter leur fabrication à des prestataires de services de prototypage rapide.

Plusieurs procédés de fabrication additive peuvent être envisagés : agglomération de poudres, impression 3D, dépôt de matière en fusion, stéréolithographie... Outre la précision dimensionnelle, l’important sera d’utiliser des machines dont les procédés fournissent un bon état de surface et dont la capacité de production est adaptée aux besoins (nombre de modèles à produire), sans oublié la vitesse de construction.


2.4.2.5 :: Fabrication de guides implantaires

Pour l’instant, le marché des guides implantaires est un marché captif. Mais lui aussi s’ouvrira ; tout comme les prothésistes, les chirurgiens-dentistes qui pratiquent la chirurgie implantaire assistée par ordinateur (CIAO) plébiscitent l’ouverture des systèmes. Les logiciels de CIAO reposant sur la modélisation par triangulation, là aussi différents procédés de fabrication additive sont possibles, sachant que plusieurs fabricants de machines proposent des matériaux biocompatibles.


2.4.2.6 :: Fabrication de gouttières orthodontiques

Une société américaine a mis au point un procédé de fabrication de gouttières orthodontiques qui s’appuie sur la fabrication additive afin de produire la série de modèles utilisés pour le formage des gouttières en biomatériau.

On s’aperçoit que la fabrication additive offre des possibilités là où l’usinage n’est pas un mode de fabrication possible ou rentable. En effet, la mise en forme de modèles directement à partir de fichiers CAO (sans recourir à la programmation d’usinage) et les économies de matière rendent possible l’automatisation de certaines tâches manuelles à un coût compétitif.

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