Thèse Année : 2024

Use of additive manufacturing technologies for functional rehabilitation

Utilisation des technologies de fabrication additive pour la réadaptation fonctionnelle

Résumé

Since 2016, the NGO Handicap International (HI) has been using 3D printing (Fused Filament Fabrication) to produce prostheses and orthoses in low-income countries. While the initial results are promising, importing polypropylene (PP) filaments from Europe poses logistical challenges and increases the manufacturing costs. Thus, this project aims to recycle plastic waste into 3D printing filaments to locally produce ankle-foot orthoses in Togo. A preliminary study was conducted on three polymers to identify the most suitable material: recycled PET (bottles), virgin PP (used by HI), and recycled TPU (production scraps from the footwear industry). Mechanical tests and numerical simulations showed that PP, due to its semi-rigidity, offered a good balance between comfort and support. Subsequently, the printability and properties of recycled PP-PEHD blends were studied. Adding 30 to 50% PEHD to the PP matrix improves stability during deposition. In-situ compatibilization during the process creates a fine morphology and satisfactory mechanical properties. Finally, recycled blends composed of 70% PP and 30% PEHD, derived from post-consumer food packaging waste and post-industrial scraps from orthopedic sheets, were processed into 3D printing filaments and used to print orthoses after optimizing process parameters. The durability of the orthoses was analyzed through accelerated aging tests on PP with different compositions (virgin, UV-stabilized, and recycled from post-consumer materials) and processes (3D printing, injection, and thermoforming) under conditions typical of Togo. On the one hand, recycled PP was found to be more sensitive to thermo- and photo-oxidation due to impurities and the lack of stabilizers, necessitating the addition of additives during recycling to prevent brittleness. On the other hand, 3D printing showed promise in improving aging resistance, as it limits degradation during the process. Finally, the rupture resistance of the orthoses was characterized using a test bench simulating walking. 3D-printed orthoses were compared to a reference thermoformed PP orthosis, which did not break during the tests, demonstrating excellent mechanical strength. The 3D-printed orthoses performed similarly up to 12° of dorsiflexion, but the virgin PP orthosis showed ductile failure, whereas orthoses made from recycled materials exhibited brittle failure. Therefore, optimizing printing parameters remains essential. In conclusion, the potential for applications in humanitarian contexts is discussed, highlighting the promise of the emerging technique of printing from pellets, which could simplify the manufacturing process and reduce costs.
Depuis 2016, l’ONG Handicap International (HI) utilise l’impression 3D (Dépôt de Fil Fondu) pour fabriquer des prothèses et des orthèses dans les pays à faibles revenus. Si les résultats initiaux sont prometteurs, l’importation de filaments en polypropylène (PP) depuis l’Europe engendre des difficultés logistiques et des coûts élevés. Ainsi, ce projet vise à recycler des déchets plastiques en filaments 3D pour fabriquer localement des orthèses au Togo. Une étude préliminaire a été menée sur trois polymères pour déterminer le matériau d’étude : PET recyclé (bouteilles), PP vierge (utilisé par HI) et TPU recyclé (chutes de l’industrie de la chaussure). Les essais mécaniques et les simulations numériques ont montré que le PP, grâce à sa semi-rigidité, offrait un bon compromis entre confort et maintien. Ensuite, l’imprimabilité et les propriétés des mélanges PP-PEHD issus du recyclage ont été étudiées. L’ajout de 30 à 50 % de PEHD dans la matrice PP améliore la stabilité lors du dépôt. La compatibilisation in situ pendant le procédé génère une morphologie fine et des propriétés mécaniques satisfaisantes. Finalement, des mélanges recyclés composés de 70 % de PP et de 30 % de PEHD, issus de déchets post-consommation de packagings alimentaires et de déchets post-industriels de chutes de plaques orthopédiques, ont été transformés en filament d’impression 3D et imprimés en orthèses grâce à une optimisation des paramètres procédés. La durabilité des orthèses a été analysée par des essais de vieillissement accéléré sur du PP avec différentes compositions (vierge, stabilisé aux UV et recyclé avec matière post-consommation) et différents procédés (impression 3D, injection et thermoformage), dans des conditions typiques du Togo. D’une part, le PP recyclé s’est révélé plus sensible à la thermo- et photo-oxydation en raison d’impuretés et du manque de stabilisants, nécessitant ainsi l’ajout d’additifs pendant le recyclage pour éviter la fragilisation. D’autre part, l’impression 3D est apparue prometteuse pour améliorer la résistance au vieillissement, car elle limite les dégradations pendant le procédé. Finalement, la résistance à la rupture des orthèses a été caractérisée sur un banc d’essai simulant la marche. Les orthèses imprimées en 3D ont été comparées à une orthèse de référence thermoformée en PP, qui n’a pas rompu pendant les essais, soulignant une grande résistance mécanique. Les orthèses 3D présentent une performance équivalente jusqu’à 12° de dorsiflexion, mais l’orthèse en PP vierge a une rupture ductile, alors que les orthèses en matériaux recyclés présentent une rupture fragile. Ainsi, l’optimisation des paramètres d’impression reste essentielle. Pour conclure, les perspectives d’applications dans un contexte humanitaire sont discutées, mettant en évidence le potentiel de la technique émergente d’impression à partir de granulés, qui pourrait simplifier le processus de fabrication et réduire les coûts.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04957659 , version 1 (19-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04957659 , version 1

Citer

Valentine Delbruel. Use of additive manufacturing technologies for functional rehabilitation. Materials. INSA de Lyon, 2024. English. ⟨NNT : 2024ISAL0122⟩. ⟨tel-04957659⟩
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