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Calcolo automatizzato come prospettiva per il futuro

Simulazione FEM: il software riconosce i punti di forza e i punti di debolezza degli impianti
Calcolo automatizzato come prospettiva per il futuro

Come afferma la saggezza degli antichi „il troppo stroppia“. Affinché ciò non si verifichi nel caso delle fragili viti per ossa in titanio, oggi i progettisti testano i loro prodotti virtualmente fino nel dettaglio, risparmiando tempo.

Come in tutti processi di sviluppo, alla nascita di prodotti medicali innovativi resta sempre un’incognita: eventuali settori problematici vengono riconosciuti spesso troppo tardi e impediscono di garantire la funzionalità e la qualità desiderate. Presso l‘azienda storica Ulrich Medical di Ulm, questa incognita può essere ridotta di molto, in quanto nel processo di nascita del prodotto la simulazione è stata integrata con Ansys.

“Oggi, grazie al software, i calcoli che accompagnano la costruzione vengono realizzati il prima possibile, per soddisfare elevate esigenze qualitative per i prodotti finiti e nei processi di produzione”, afferma Stefan Midderhoff, ingegnere progettista di impianti e strumenti presso Ulrich Medical. Nell‘anno 2009, Midderhoff ha supervisionato l‘introduzione del software nel reparto di progettazione dell’azienda di ingegneria biomedica.
Quasi contemporaneamente all‘introduzione di Ansys, è stata installata una macchina per il collaudo, pertanto è stato possibile un confronto diretto dei risultati di test e calcolo. Un esempio sono le cosiddette “cage“: si tratta di impianti per la colonna vertebrale, che vengono utilizzati dopo la rimozione di un disco intervertebrale come rinforzo dell‘articolazione intervertebrale. Questi dispositivi devono disporre di un volume di riempimento possibilmente grande che possa essere frammisto con ossa o riempito con ossa artificiali.
Come test di omologazione per queste cage sono obbligatori procedimenti di collaudo standardizzati nei quali la cage viene ad esempio posizionata tra blocchi di collaudo su cui viene applicato un carico assiale simile a quello della colonna vertebrale. Questo procedimento di collaudo è stato realizzato dagli ingegneri di Ulrich Medical come test virtuale. “Con il nostro sistema CAD Autodesk Inventor abbiamo costruito modelli 3D del dispositivo di collaudo e delle cage, li abbiamo trasmessi tramite interfaccia diretta bidirezionale ad Ansys e abbiamo calcolato le sollecitazioni“, riferisce Midderhoff. Le tensioni all‘interno delle cage possono così essere analizzate per ottimizzare il design in modo corrispondente.
Come ulteriore esempio di impiego del sistema di simulazione, Midderhoff cita un sistema a vite e a barra da applicare nella colonna vertebrale, anch‘esso ai fini di stabilizzazione, fissaggio e correzione. Nel caso di tali applicazioni complesse, i progettisti hanno spesso dovuto ricorrere al supporto dell’azienda tedesca Cadfem GmbH di Grafing, per esempio per sapere come tenere conto del design del filetto durante la reticolazione. In questo modo è stato possibile rilevare quali viti di fissaggio utilizzare e quali varianti di design siano le migliori affinché le viti selezionate non si deformassero neanche quando sotto- poste a forze estreme e il sistema a vite e barra potesse essere utilizzato in maniera ottimizzata per le sollecitazioni.
“Nei casi più rari le questioni sono semplici”, afferma Midderhoff. “Perlopiù è necessario tenere in considerazione problemi come contatti, sfregamenti, bloccaggi e simili, di modo che si possa rispondere a diverse domande per la simulazione. In questo caso ricorriamo volentieri al servizio di supporto, per ricevere consulenze sulle fasi successive e trovare un percorso sicuro per la soluzione.”
In particolare, le viti offerte dall‘azienda di Ulm devono soddisfare vari requisiti. Per esempio, nel caso di una vite-tassello a espansione è necessario rimpicciolire il diametro. Questo sistema bicomponente consiste in una vite e in un perno con lunghezza di circa 15 mm e un diametro esterno di 5 mm. Appena il perno viene avvitato, la vite si estende, si stabilizza e migliora la sua tenuta anche con una qualità ossea inferiore.
Se la vite è ancora utilizzabile in modo efficiente anche con diametro ridotto, o se all’estensione le alette si rompono, si pone una questione importante: per la buona tollerabilità nel corpo umano, le viti sono prodotte in titanio o in lega di titanio e per questo sono più fragili delle viti realizzate in altri materiali. Con Ansys è stato possibile calcolare con quale forza il perno possa essere avvitato, senza che si torca o rompa per attrito o bloccaggio durante l’avvitamento.
Nel complesso, Midderhoff ritiene che si debba integrare la simulazione nel processo di nascita del prodotto. Un progetto futuro è quello di ottenere analisi dinamiche e informazioni sulla durevolezza e i possibili guasti dei prodotti. Oggi in laboratorio viene svolto un numero ancora maggiore di test dinamici in quanto gli stessi sono prescritti dalle norme corrispondenti. I test dinamici richiedono spesso molto tempo e a volte durano settimane. Quando nella fase conclusiva si verifica un guasto dei materiali, il processo deve essere ricominciato da capo con un componente modificato. Attraverso l‘utilizzo del software di simulazione, si può risparmiare tempo, perché i punti deboli possono essere riconosciuti con maggiore rapidità e un test reale conclusivo di norma serve solo come conferma.
Un ulteriore progetto per un utilizzo ottimizzato della tecnologia di simulazione nello sviluppo dei prodotti è il calcolo automatizzato delle viti. A tale scopo si potrebbe sviluppare un‘applicazione con una cosiddetta interfaccia guida sulla base di Ansys. Appena verranno introdotti i parametri necessari, sarà calcolata automaticamente la resistenza della vite corrispondente. “Questo sforzo di automatizzazione conviene però solo se devono essere calcolate numerose viti diverse”, afferma Stefan Midderhoff. “Per chiarire tali questioni o anche questioni biomeccanica, dialoghiamo sempre con gli specialisti delle simulazioni di Cadfem.” Le esperienze ci aiutano a utilizzare il software di simulazione in maniera ancora più efficace e, per esempio, ad avanzare con progetti comuni in nuovi campi di applicazione.
Anche durante l‘introduzione del software di simulazione l’azienda di Grafing è stata un partner importante, perché sebbene l‘interfaccia utente di Ansys Workbench sia intuitiva, nella fase iniziale tutti i collaboratori hanno ricevuto una formazione tramite un seminario interno sviluppato, insieme a Cadfem, dall’Ansys Competence Center FEM. In corsi di approfondimento sul progetto i collaboratori hanno ampliato le loro conoscenze cosicché oggi tutti possano utilizzare il software in modo indipendente.
Christoph Müller Cadfem, Grafing (München)
La simulazione mostra quando il perno si rompe nella vite
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