Roulements en céramique pour robots médicaux

Aug 16, 2023

par Chris Johnson

13 juin 2023

14h00

Chris Johnson, directeur général du fournisseur spécialisé de roulements en céramique SMB Bearings, explique pourquoi les roulements en céramique de haute précision détiennent la réponse.

Phonlamai Photo Shutterstock

Salle d'opération de rendu 3D avec chirurgie robotique et lit vide

Les robots sont de plus en plus utilisés dans les environnements médicaux et sont de plus en plus utilisés pour effectuer des procédures plus complexes. Bien que les aciers inoxydables martensitiques aient été privilégiés pour les roulements dans les applications robotiques, leurs performances ne répondent pas aux normes croissantes visant à prévenir la contamination dans les environnements médicaux.

L’analyste GlobalData prédit que le marché de la robotique médicale passera de 4,7 milliards de dollars en 2020 à 14,5 milliards de dollars en 2030, et que ces robots « seront davantage présentés comme des compagnons fournissant un soutien émotionnel, plutôt que comme des outils ». La citation fait référence à l'intelligence artificielle (IA) de plus en plus avancée, permettant aux robots d'offrir un soutien thérapeutique de plus en plus important aux patients d'une manière que nous ne pouvons pas imaginer aujourd'hui, et de contrer le manque de personnel.

Des robots d'assistance chirurgicale qui aident à réaliser des chirurgies mini-invasives aux robots thérapeutiques équipés d'IA utilisés dans la rééducation des blessures et de la paralysie, les robots médicaux ont parcouru un long chemin depuis l'introduction des technologies simples de bras robotiques dans les années 1980. Bien que les robots chirurgicaux soient de moins en moins chers, les applications médicales modernes exigent également de ces robots des capacités de précision et de vitesse plus élevées.

Traditionnellement, dans les instruments médicaux, les roulements – qui optimisent la rotation des axes comme les bras de robot en limitant ou en évitant les frottements et les secousses – sont fabriqués à partir de métaux de haute pureté tels que l'acier inoxydable martensitique. Les exemples incluent les robots médicaux qui aident à entreprendre des opérations chirurgicales en trou de serrure où la plus grande précision est requise. Les roulements des robots chirurgicaux doivent offrir la précision de rotation la plus élevée possible, tout en étant suffisamment petits pour s'adapter à ces appareils hospitaliers souvent compacts et portables.

Cependant, les roulements en acier présentent des limites, notamment la contamination. Bien que les roulements en acier soient robustes et capables de résister à des environnements hautement corrosifs, ils sont sensibles à la contamination particulaire en raison des pressions de contact très élevées contre l'acier à l'intérieur du roulement pendant son mouvement. Si rien n’est fait, cette contamination peut provoquer des bosses et de l’usure.

Bien entendu, la contamination en général est inacceptable dans les environnements de santé et de sécurité. À mesure que les robots deviennent plus répandus dans les applications médicales, les réglementations deviennent plus strictes pour prévenir la contamination.

Remplacement de l'acier

La nécessité d'éviter la contamination s'accompagne d'autres exigences de conception telles que des vitesses élevées, un faible bruit et des propriétés non magnétiques. Par exemple, étant donné que les scanners d’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisent un champ magnétique puissant pour générer des images bidimensionnelles ou tridimensionnelles de tout sujet vivant, les roulements en acier ne peuvent pas être utilisés en raison de leurs propriétés magnétiques.

Tous ces facteurs influencent le choix du matériau pour les roulements dans les environnements médicaux, mais quel matériau peut remplacer l'acier ? Le secteur des équipements médicaux choisit de plus en plus de roulements fabriqués exclusivement en zircone (ZrO2) ou en d'autres composés céramiques exotiques. Selon l'Institut des matériaux, des minéraux et des mines, « les roulements en céramique fabriqués à partir de ZrO₂ sont résistants et présentent des propriétés d'expansion similaires à celles de l'acier chromé et de l'acier inoxydable 440, bien qu'ils soient 30 % plus légers ».

En effet, les roulements de précision entièrement en céramique sont plus durs que l’acier, avec une résistance supérieure à la corrosion et à la chaleur, une stabilité dimensionnelle plus élevée et une densité plus faible. Toutefois, les roulements en céramique sont chers. Il s’agit d’un problème majeur pour les instituts de santé qui fonctionnent avec des budgets serrés, c’est pourquoi la décision d’investir dans ces établissements doit être mûrement réfléchie. Heureusement, les roulements en céramique présentent plusieurs avantages pour les environnements médicaux.

La première est que les roulements ne réagissent pas aux produits chimiques. Cela signifie qu'ils ne se corrodent pas et ne s'affaiblissent pas lorsqu'ils sont soumis aux produits chimiques agressifs utilisés pour la stérilisation dans les hôpitaux. Les céramiques ne nécessitent pas de lubrification qui attirerait autrement des contaminants comme la poussière, l'eau ou l'humidité, ce qui élimine également le besoin de processus de maintenance comme la relubrification. Ils sont également résistants à l’eau et peuvent donc être lavés régulièrement.