Additieve fabricage (AM), ook wel driedimensionaal printen genoemd, is een proces waarbij onderdelen laag voor laag worden gefabriceerd door materialen toe te voegen en te verwerken. Vooruitgang in AM-technologie heeft de verwerking van een breed scala aan materialen mogelijk gemaakt om producten te creëren in verschillende schalen, variërend van medische implantaten tot vliegtuigmotoronderdelen. Deze producten, die rijk van vorm kan zijn, materiaal, hiërarchische en functionele complexiteiten, bieden een hoog potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in bestaande productontwikkelingsprocessen.

Echter, het kan een moeilijk proces zijn om het potentieel van AM's unieke capaciteiten voor productontwikkeling volledig te realiseren, omdat productontwerpers hun ontwerpmindset moeten veranderen.

In conventionele productieprocessen, de belangrijkste taak voor ontwerpers is het afstemmen van hun ontwerpen om fabricageproblemen te elimineren en de kosten te minimaliseren. Integendeel, AM heeft minder productiebeperkingen en biedt ontwerpers veel meer ontwerpvrijheid om te verkennen. Daarom, ontwerpers moeten zoeken naar optimale ontwerpoplossingen uit miljoenen ontwerpalternatieven die verschillen in geometrie, topologie, structuur, en materiaal. Dit kan een vervelende taak zijn met de huidige ontwerpmethoden en computer-aided design (CAD)-tools vanwege het gebrek aan vermogen om zo'n hoge dimensionale ontwerpruimte snel te verkennen en te exploiteren.

Om dit probleem aan te pakken, onderzoekers van het Digital Manufacturing and Design (DManD) Centre van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) stelden een holistische benadering voor die datagestuurde methoden toepast bij het zoeken naar en optimaliseren van ontwerpen in opeenvolgende stadia van een ontwerpproces voor AM-producten.

Eerst, ze gebruikten eenvoudige en rekenkundig goedkope surrogaatmodellen in het ontwerpverkenningsproces om complexe high-fidelity technische analysemodellen te benaderen en te vervangen om de hoogdimensionale ontwerpruimte snel te verkleinen. Volgende, ze voerden ontwerpoptimalisatie uit op basis van verfijnde surrogaatmodellen om één optimaal ontwerp te verkrijgen. Deze surrogaatmodellen worden getraind op basis van een bijgewerkte dataset met behulp van de Markov Chain Monte Carlo resampling-methode.

Deze ontwerpbenadering werd gedemonstreerd in het ontwerp van een AM-gefabriceerde enkelbrace (zie afbeelding) die een instelbare mechanische prestatie heeft om het herstelproces van gewrichten te vergemakkelijken. Bij dit ontwerp is selecteerden de onderzoekers een metamateriaal dat een hoefijzerachtige structuur heeft, waar de stijfheid kan worden aangepast. De voorgestelde ontwerpbenadering werd toegepast om de oriëntatie en afmetingen van de geometrie van de hoefijzervormige structuur in verschillende gebieden te optimaliseren om de gewenste stijfheidsverdelingen te bereiken.

Dergelijke geometrische complexiteiten die door AM mogelijk worden gemaakt, bieden het ontwerp van de enkelbrace uniek en gunstig gedrag. De enkelbrace is erg zacht binnen het toegestane bewegingsbereik, wat comfort biedt aan patiënten. Echter, zodra de beweging buiten het toegestane bereik is, het wordt stijf genoeg om de gewrichten van de gebruikers te beschermen tegen extreme belasting dankzij het geometrische ontwerp.

"Eerder, het was moeilijk voor ontwerpers om zich een ontwerp met zo'n complexe geometrie voor te stellen vanwege de beperkingen in conventionele productie, maar nu is dit ontwerp gemakkelijk haalbaar met AM. Onze nieuwe aanpak stelt ontwerpers in staat om de ontwerpvrijheid in AM te omarmen die gepaard gaat met de verschuiving in het ontwerpparadigma en meer optimale producten te creëren die vergelijkbaar zijn met de enkelbrace, " zei eerste auteur Dr. Yi Xiong, Onderzoeker van SUTD.

Met de ontwikkeling van de capaciteit voor verkenning en exploitatie van de ontwerpruimte, het onderzoeksteam werkt aan een ambitieuzer doel:de ontwikkeling van een CAD-systeem van de volgende generatie voor AM.

"Dit CAD-AM-systeem stelt ontwerpers in staat om complexe geometrische en materiële structuren te ontwerpen die gedrag vertonen dat onbereikbaar is met conventionele ontwerp- en fabricagetools. Ontwerpers kunnen snel tien keer meer ontwerpalternatieven onderzoeken in vergelijking met wat de huidige methoden mogelijk maken, " zei SUTD-professor David Rosen, leider van het onderzoeksteam en mededirecteur van het DManD Centre.