La fabricación aditiva AM, también conocida como impresión tridimensional, es un proceso que fabrica piezas capa por capa agregando y procesando materiales. Los avances en la tecnología AM han permitido el procesamiento de una amplia gama de materialespara crear productos en escalas variables que abarcan desde implantes médicos hasta piezas de motores de aviones. Estos productos, que pueden ser ricos en forma, material, complejidades jerárquicas y funcionales, ofrecen un alto potencial para revolucionar los procesos de desarrollo de productos existentes.
Sin embargo, puede ser un proceso difícil realizar plenamente el potencial de las capacidades únicas de AM para el desarrollo de productos, ya que requiere que los diseñadores de productos cambien su mentalidad de diseño.
En los procesos de fabricación convencionales, la tarea principal para los diseñadores es adaptar sus diseños para eliminar las dificultades de fabricación y minimizar los costos. Por el contrario, AM tiene menos restricciones de fabricación mientras ofrece a los diseñadores mucha más libertad de diseño para explorar. Por lo tanto, los diseñadores deben buscarSoluciones de diseño óptimas de millones de alternativas de diseño que son diferentes en geometría, topología, estructura y material. Esto puede ser una tarea tediosa con los métodos de diseño actuales y las herramientas de diseño asistido por computadora CAD debido a la falta de capacidad para explorar rápidamentey explotar un espacio de diseño tan dimensional.
Para abordar este problema, los investigadores del Centro de Fabricación y Diseño Digital DManD de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur SUTD propusieron un enfoque holístico que aplica métodos basados en datos en la búsqueda y optimización del diseño en etapas sucesivas de un proceso de diseñopara productos AM
Primero, utilizaron modelos sustitutos simples y de bajo costo computacional en el proceso de exploración de diseño para aproximar y reemplazar modelos complejos de análisis de ingeniería de alta fidelidad para reducir rápidamente el espacio de diseño de alta dimensión. A continuación, llevaron a cabo la optimización del diseño basada en modelos sustitutos refinadospara obtener un diseño óptimo único. Estos modelos sustitutos están entrenados en base a un conjunto de datos actualizado utilizando el método de muestreo de Markov Chain Monte Carlo.
Este enfoque de diseño se demostró en el diseño de un refuerzo de tobillo fabricado por AM consulte la imagen que tiene un rendimiento mecánico sintonizable para facilitar el proceso de recuperación de las articulaciones. En este diseño, los investigadores seleccionaron un metamaterial con forma de herraduraestructura, donde se puede adaptar su rigidez. El enfoque de diseño propuesto se aplicó para optimizar la orientación y las dimensiones de la geometría de la estructura tipo herradura en diferentes áreas para lograr las distribuciones de rigidez deseadas.
Tales complejidades geométricas habilitadas por AM ofrecen al diseño del tobillo comportamientos únicos y favorables. El tobillo es muy suave dentro del rango permitido de movimientos que proporciona comodidad a los pacientes. Sin embargo, una vez que el movimiento está fuera del rango permitido, se convierte enlo suficientemente rígido para proteger las articulaciones de los usuarios de condiciones de carga extrema debido a su diseño geométrico.
"Anteriormente, era difícil para los diseñadores imaginar un diseño de geometría tan compleja debido a las limitaciones en la fabricación convencional, pero ahora este diseño se puede lograr fácilmente con AM. Nuestro nuevo enfoque permite a los diseñadores adoptar la libertad de diseño en AM que vienecon el cambio en el paradigma del diseño y crear productos más óptimos similares a la tobillera ", dijo el primer autor, el Dr. Yi Xiong, investigador de SUTD.
Con la capacidad de exploración y explotación del espacio de diseño desarrollada, el equipo de investigación está trabajando hacia un objetivo más ambicioso: desarrollar un sistema CAD de próxima generación para AM.
"Este sistema CAD-AM permitirá a los diseñadores diseñar estructuras geométricas y materiales complejas que exhiban comportamientos que no se pueden obtener con herramientas de diseño y fabricación convencionales. Los diseñadores pueden examinar rápidamente alternativas de diseño 10 veces más en comparación con lo que permiten los métodos actuales", dijoProfesor SUTD David Rosen, líder del equipo de investigación y codirector del Centro DManD.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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