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  • I ricercatori rivoluzionano i prodotti stampati in 3D con un metodo di progettazione basato sui dati

    Credito:CC0 Dominio pubblico

    Produzione additiva (AM), nota anche come stampa tridimensionale, è un processo che fabbrica parti in modo strato per strato aggiungendo e lavorando materiali. I progressi nella tecnologia AM hanno consentito la lavorazione di un'ampia gamma di materiali per creare prodotti in diverse scale che spaziano dagli impianti medici alle parti di motori aeronautici. Questi prodotti, che può essere ricco di forma, Materiale, complessità gerarchiche e funzionali, offrono un alto potenziale per rivoluzionare i processi di sviluppo dei prodotti esistenti.

    Però, può essere un processo difficile realizzare appieno il potenziale delle capacità uniche di AM per lo sviluppo del prodotto poiché richiede ai progettisti di prodotti di cambiare la loro mentalità di progettazione.

    Nei processi di produzione convenzionali, il compito principale dei progettisti è personalizzare i loro progetti per eliminare le difficoltà di produzione e ridurre al minimo i costi. Anzi, AM ha meno vincoli di produzione e offre ai progettisti molta più libertà di progettazione da esplorare. Perciò, i progettisti devono cercare soluzioni progettuali ottimali tra milioni di alternative progettuali che differiscono per geometria, topologia, struttura, e materiale. Questo può essere un compito noioso con gli attuali metodi di progettazione e gli strumenti di progettazione assistita da computer (CAD) a causa della mancanza di capacità di esplorare e sfruttare rapidamente uno spazio di progettazione così dimensionale.

    Per affrontare questo problema, i ricercatori del Digital Manufacturing and Design (DManD) Center della Singapore University of Technology and Design (SUTD) hanno proposto un approccio olistico che applica metodi basati sui dati nella ricerca e ottimizzazione del design nelle fasi successive di un processo di progettazione per i prodotti AM.

    Primo, hanno utilizzato modelli surrogati semplici e computazionalmente poco costosi nel processo di esplorazione del progetto per approssimare e sostituire modelli di analisi ingegneristica ad alta fedeltà complessi per restringere rapidamente lo spazio di progettazione ad alta dimensionalità. Prossimo, hanno condotto l'ottimizzazione del design sulla base di modelli surrogati raffinati per ottenere un unico design ottimale. Questi modelli surrogati vengono addestrati in base a un set di dati aggiornato utilizzando il metodo di ricampionamento Markov Chain Monte Carlo.

    Questo approccio progettuale è stato dimostrato nella progettazione di un tutore per caviglia fabbricato in AM (fare riferimento all'immagine) che ha prestazioni meccaniche regolabili per facilitare il processo di recupero delle articolazioni. In questo disegno, i ricercatori hanno selezionato un metamateriale che ha una struttura a ferro di cavallo, dove la sua rigidità può essere adattata. L'approccio progettuale proposto è stato applicato per ottimizzare l'orientamento e le dimensioni della geometria della struttura a ferro di cavallo in diverse aree per ottenere le distribuzioni di rigidità desiderate.

    Tali complessità geometriche consentite da AM offrono al design della cavigliera comportamenti unici e favorevoli. La cavigliera è molto morbida all'interno della gamma di movimenti consentita che offre comfort ai pazienti. Però, una volta che il movimento è fuori dall'intervallo consentito, diventa sufficientemente rigido da proteggere i giunti degli utenti da condizioni di carico estremo grazie al suo design geometrico.

    "In precedenza, era difficile per i progettisti immaginare un progetto di una geometria così complessa a causa dei limiti della produzione convenzionale, ma ora questo design è facilmente realizzabile con AM. Il nostro nuovo approccio consente ai designer di abbracciare la libertà di progettazione in AM che deriva dal cambiamento nel paradigma del design e di creare prodotti più ottimali simili alla cavigliera, " ha detto il primo autore Dr. Yi Xiong, Assegnista di ricerca presso SUTD.

    Con la capacità di esplorazione e sfruttamento dello spazio di progettazione sviluppata, il team di ricerca sta lavorando per un obiettivo più ambizioso:sviluppare un sistema CAD di nuova generazione per AM.

    "Questo sistema CAD-AM consentirà ai progettisti di progettare strutture geometriche e materiali complesse che mostrano comportamenti irraggiungibili con gli strumenti di progettazione e produzione convenzionali. I progettisti possono esaminare rapidamente alternative di progettazione 10 volte di più rispetto a quanto consentito dai metodi attuali, " ha affermato il professor David Rosen della SUTD, capo del gruppo di ricerca e co-direttore del DManD Centre.


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