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 materiales para crear productos en diferentes escalas que van desde implantes médicos hasta piezas de motores de aviones. Estos productos, que puede ser rica 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 de los diseñadores es adaptar sus diseños para eliminar las dificultades de fabricación y minimizar los costos. De lo contrario, AM tiene menos restricciones de fabricación al tiempo que ofrece a los diseñadores mucha más libertad de diseño para explorar. Por lo tanto, los diseñadores deben buscar soluciones de diseño óptimas entre millones de alternativas de diseño que son diferentes en geometría, topología, estructura, y material. Esta 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 y explotar rápidamente un espacio de diseño de dimensiones tan altas.

Para abordar este asunto, Los investigadores del Centro de Diseño y Fabricación 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 de diseños en las etapas sucesivas de un proceso de diseño para productos AM.

Primero, utilizaron modelos sustitutos simples y computacionalmente económicos 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. Próximo, llevaron a cabo la optimización del diseño basándose en modelos sustitutos refinados para obtener un único diseño óptimo. Estos modelos sustitutos se entrenan en función de un conjunto de datos actualizado utilizando el método de remuestreo de Markov Chain Monte Carlo.

Este enfoque de diseño se demostró en el diseño de una tobillera fabricada por AM (consulte la imagen) que tiene un rendimiento mecánico ajustable para facilitar el proceso de recuperación de las articulaciones. En este diseño, los investigadores seleccionaron un metamaterial que tiene una estructura en forma de herradura, donde su rigidez se puede adaptar. El enfoque de diseño propuesto se aplicó para optimizar la orientación y las dimensiones de la geometría de la estructura en forma de herradura en diferentes áreas para lograr las distribuciones de rigidez deseadas.

Tales complejidades geométricas habilitadas por AM ofrecen al diseño de la tobillera comportamientos únicos y favorables. La tobillera es muy suave dentro del rango permitido de movimientos, lo que brinda comodidad a los pacientes. Sin embargo, una vez que el movimiento está fuera del rango permitido, se vuelve lo suficientemente rígido para proteger las juntas de los usuarios de condiciones de carga extremas debido a su diseño geométrico.

"Previamente, era difícil para los diseñadores imaginar un diseño de geometría tan compleja debido a las limitaciones de 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 viene con el cambio en el paradigma de diseño y crear productos más óptimos similares a la tobillera. "dijo el primer autor, el Dr. Yi Xiong, Becario de investigación del 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 de materiales complejas que exhiben comportamientos que no se pueden obtener con herramientas de diseño y fabricación convencionales. Los diseñadores pueden examinar rápidamente las alternativas de diseño 10 veces más en comparación con lo que permiten los métodos actuales, "dijo el profesor David Rosen del SUTD, Líder del equipo de investigación y codirector del Centro DManD.