Тем не менее, это может быть сложный процесс, чтобы полностью реализовать потенциал уникальных возможностей AM для разработки продукта, поскольку он требует, чтобы дизайнеры продукта изменили свое дизайнерское мышление.
В традиционных производственных процессах основная задача дизайнеров – адаптировать дизайн для устранения производственных трудностей и минимизации затрат. Напротив, AM имеет меньше производственных ограничений, но предлагает дизайнерам гораздо больше свободы для изучения. Следовательно, дизайнеры должны искать оптимальные проектные решения среди миллионов вариантов дизайна, которые различаются по геометрии, топологии, структуре и материалам.
Это может быть утомительной задачей с современными методами проектирования и инструментами автоматизированного проектирования (САПР) из-за отсутствия возможности быстро исследовать и использовать такое большое пространство проектирования.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Центра цифрового производства и дизайна (DManD) Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) предложили целостный подход, который применяет методы, основанные на данных, в поиске и оптимизации дизайна на последовательных этапах процесса проектирования для AM. продукты.
Во-первых, они использовали простые и недорогие с точки зрения вычислений суррогатные модели в процессе исследования проекта, чтобы аппроксимировать и заменить сложные высокоточные модели инженерного анализа для быстрого сужения пространства проектирования большого размера.
Затем они провели оптимизацию конструкции на основе уточненных суррогатных моделей, чтобы получить единую оптимальную конструкцию. Эти суррогатные модели обучаются на основе обновленного набора данных с использованием метода повторной выборки цепи Маркова Монте-Карло.
Этот подход к проектированию был продемонстрирован в конструкции искусственного бандажа голеностопного сустава AM (см. Изображение), который имеет настраиваемые механические характеристики для облегчения процесса восстановления суставов.
В этом дизайне исследователи выбрали метаматериал, имеющий структуру, напоминающую подкову, где его жесткость можно регулировать. Предложенный подход к проектированию был применен для оптимизации ориентации и размеров геометрии подковообразной конструкции в различных областях для достижения желаемого распределения жесткости.
Такая сложность геометрии, обеспечиваемая AM, обеспечивает уникальное и благоприятное поведение фиксации голеностопного сустава. Ортез на голеностопный сустав очень мягкий в допустимом диапазоне движений, что обеспечивает комфорт пациентам.
Однако, как только движение выходит за допустимый диапазон, он становится достаточно жестким, чтобы защитить суставы пользователей от условий экстремальной нагрузки из-за его геометрической конструкции.
«Раньше дизайнерам было трудно представить конструкцию такой сложной геометрии из-за ограничений, существующих в обычном производстве, но теперь эта конструкция легко достижима с помощью AM. Наш новый подход позволяет дизайнерам использовать свободу дизайна в AM, которая приходит с изменением парадигмы дизайна, и создавать более оптимальные продукты, похожие на ортез на голеностопный сустав ", – сказал первый автор Dr. И Сюн, научный сотрудник SUTD.
Создав возможности для исследования и эксплуатации космического пространства, исследовательская группа работает над более амбициозной целью – разработать CAD-систему следующего поколения для AM.
«Эта система CAD-AM позволит дизайнерам проектировать сложные геометрические и материальные структуры, которые демонстрируют поведение, недостижимое с помощью обычных инструментов проектирования и производства. «Дизайнеры могут быстро изучить альтернативы дизайна в 10 раз больше, чем позволяют существующие методы», – сказал профессор SUTD Дэвид Розен, руководитель исследовательской группы и содиректор Центра DManD.