Fabrication additive (FA), également connu sous le nom d'impression en trois dimensions, est un processus qui fabrique des pièces couche par couche en ajoutant et en traitant des matériaux. Les progrès de la technologie AM ont permis le traitement d'une large gamme de matériaux pour créer des produits à différentes échelles allant des implants médicaux aux pièces de moteur d'avion. Ces produits, qui peut être riche en forme, Matériel, complexités hiérarchiques et fonctionnelles, offrent un potentiel élevé pour révolutionner les processus de développement de produits existants.

Cependant, Il peut être difficile de réaliser pleinement le potentiel des capacités uniques d'AM pour le développement de produits, car cela oblige les concepteurs de produits à changer leur état d'esprit en matière de conception.

Dans les procédés de fabrication conventionnels, la tâche principale des concepteurs est d'adapter leurs conceptions pour éliminer les difficultés de fabrication et minimiser les coûts. Au contraire, La FA a moins de contraintes de fabrication tout en offrant aux concepteurs une plus grande liberté de conception à explorer. Par conséquent, les concepteurs doivent rechercher des solutions de conception optimales parmi des millions d'alternatives de conception de géométrie différente, topologie, structure, et matériel. Cela peut être une tâche fastidieuse avec les méthodes de conception actuelles et les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) en raison du manque de capacité à explorer et à exploiter rapidement un espace de conception de grande dimension.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs du Digital Manufacturing and Design (DManD) Center de l'Université de technologie et de conception de Singapour (SUTD) ont proposé une approche holistique qui applique des méthodes basées sur les données dans la recherche et l'optimisation de conception aux étapes successives d'un processus de conception pour les produits de FA.

D'abord, ils ont utilisé des modèles de substitution simples et peu coûteux en calcul dans le processus d'exploration de la conception pour approximer et remplacer des modèles d'analyse d'ingénierie complexes de haute fidélité afin de réduire rapidement l'espace de conception de grande dimension. Prochain, ils ont effectué une optimisation de la conception basée sur des modèles de substitution raffinés pour obtenir une conception optimale unique. Ces modèles de substitution sont entraînés sur la base d'un ensemble de données mis à jour à l'aide de la méthode de rééchantillonnage de Markov Chain Monte Carlo.

Cette approche de conception a été démontrée dans la conception d'une attelle de cheville fabriquée par AM (voir l'image) qui a une performance mécanique réglable pour faciliter le processus de récupération des articulations. Dans cette conception, les chercheurs ont sélectionné un métamatériau qui a une structure en fer à cheval, où sa rigidité peut être adaptée. L'approche de conception proposée a été appliquée pour optimiser l'orientation et les dimensions de la géométrie de la structure en fer à cheval dans différentes zones afin d'obtenir les distributions de rigidité souhaitées.

De telles complexités géométriques permises par AM offrent à la conception de l'attelle de cheville des comportements uniques et favorables. L'attelle de cheville est très douce dans la plage de mouvements autorisée, ce qui offre un confort aux patients. Cependant, une fois le mouvement hors de la plage autorisée, il devient suffisamment rigide pour protéger les articulations des utilisateurs des conditions de charge extrêmes grâce à sa conception géométrique.

"Précédemment, il était difficile pour les concepteurs d'imaginer une conception d'une géométrie aussi complexe en raison des limites de la fabrication conventionnelle, mais maintenant cette conception est facilement réalisable avec AM. Notre nouvelle approche permet aux concepteurs d'embrasser la liberté de conception en AM qui accompagne le changement de paradigme de conception et de créer des produits plus optimaux similaires à l'attelle de cheville, " a déclaré le premier auteur, le Dr Yi Xiong, Chercheur de SUTD.

Avec la capacité d'exploration et d'exploitation de l'espace de conception développée, l'équipe de recherche travaille vers un objectif plus ambitieux :développer un système de CAO de nouvelle génération pour la FA.

« Ce système CAD-AM permettra aux concepteurs de concevoir des structures géométriques et matérielles complexes qui présentent des comportements impossibles à obtenir avec les outils de conception et de fabrication conventionnels. Les concepteurs peuvent examiner rapidement des alternatives de conception 10 fois plus que ce que permettent les méthodes actuelles, " a déclaré le professeur SUTD David Rosen, chef de l'équipe de recherche et co-directeur du Centre DManD.