Fabricação aditiva (AM), também conhecida como impressão tridimensional, é um processo que fabrica peças camada por camada, adicionando e processando materiais. Os avanços na tecnologia AM permitiram o processamento de uma ampla gama de materiais para criar produtos em várias escalas, que vão desde implantes médicos até peças de motores de aeronaves. Esses produtos, que pode ser rico em forma, material, complexidades hierárquicas e funcionais, oferecem alto potencial para revolucionar os processos de desenvolvimento de produtos existentes.

Contudo, pode ser um processo difícil perceber totalmente o potencial dos recursos exclusivos da AM para o desenvolvimento de produtos, pois exige que os designers de produtos mudem suas mentalidades de design.

Em processos de manufatura convencionais, a principal tarefa dos projetistas é adaptar seus projetos para eliminar as dificuldades de fabricação e minimizar os custos. Pelo contrário, AM tem menos restrições de fabricação, enquanto oferece aos designers muito mais liberdade de design para explorar. Portanto, os designers devem buscar soluções de design ideais entre milhões de alternativas de design que são diferentes em geometria, topologia, estrutura, e material. Esta pode ser uma tarefa entediante com os métodos de design atuais e ferramentas de design auxiliado por computador (CAD) devido à falta de capacidade de explorar e explorar rapidamente um espaço de design de alta dimensão.

Abordar esta questão, pesquisadores do Centro de Fabricação e Design Digital (DManD) da Universidade de Tecnologia e Design de Singapura (SUTD) propuseram uma abordagem holística que aplica métodos orientados a dados na busca e otimização de design em estágios sucessivos de um processo de design para produtos AM.

Primeiro, eles usaram modelos substitutos simples e de baixo custo computacional no processo de exploração de design para aproximar e substituir modelos de análise de engenharia de alta fidelidade complexos para reduzir rapidamente o espaço de design de alta dimensão. Próximo, eles conduziram a otimização do projeto com base em modelos substitutos refinados para obter um único projeto ideal. Esses modelos substitutos são treinados com base em um conjunto de dados atualizado usando o método de reamostragem Markov Chain Monte Carlo.

Esta abordagem de projeto foi demonstrada no projeto de uma tornozeleira fabricada em AM (consulte a imagem) que possui um desempenho mecânico ajustável para facilitar o processo de recuperação das articulações. Neste projeto, os pesquisadores selecionaram um metamaterial que tem uma estrutura semelhante a uma ferradura, onde sua rigidez pode ser ajustada. A abordagem de projeto proposta foi aplicada para otimizar a orientação e as dimensões da geometria da estrutura em forma de ferradura em diferentes áreas para obter as distribuições de rigidez desejadas.

Essas complexidades de geometria habilitadas pelo AM oferecem ao projeto da cinta de tornozelo comportamentos únicos e favoráveis. A cinta de tornozelo é muito suave dentro da faixa permitida de movimentos, o que proporciona conforto aos pacientes. Contudo, uma vez que o movimento está fora da faixa permitida, torna-se rígido o suficiente para proteger as juntas dos usuários de condições extremas de carga devido ao seu design geométrico.

"Anteriormente, era difícil para os designers imaginar um projeto de geometria tão complexa devido às limitações da manufatura convencional, mas agora esse design é facilmente alcançado com o AM. Nossa nova abordagem permite que os designers abracem a liberdade de design em AM que vem com a mudança no paradigma do design e criem produtos mais ideais, semelhantes ao suporte de tornozelo, "disse o primeiro autor, Dr. Yi Xiong, Bolsista de Pesquisa do SUTD.

Com a capacidade de exploração e exploração do espaço de design desenvolvida, a equipe de pesquisa está trabalhando com uma meta mais ambiciosa - desenvolver um sistema CAD de próxima geração para AM.

"Este sistema CAD-AM permitirá que os projetistas projetem estruturas geométricas e materiais complexas que exibem comportamentos que são inalcançáveis ​​com ferramentas convencionais de projeto e manufatura. Os projetistas podem examinar rapidamente alternativas de projeto 10 vezes mais em comparação com o que os métodos atuais permitem, "disse o professor David Rosen do SUTD, líder da equipe de pesquisa e codiretor do DManD Center.