Matthew Shomper est un ingénieur innovant qui possède une grande expertise dans la conception computationnelle d’implants médicaux biologiquement avantageux. Étant donné que de nombreux dispositifs médicaux homologués ont été mis sur le marché et sont aujourd’hui utilisés par plusieurs patients à travers le monde, nous ne pouvions trouver un meilleur expert en la matière pour obtenir des conseils sur la manière dont les concepteurs peuvent améliorer ou commencer leur parcours de conception numérique. Véritable passionné de nature, Shomper partage aussi comment elle inspire certaines des structures complexes qui, une fois imprimées en 3D, aident des centaines de milliers de personnes sur la voie de la guérison.
Shomper travaille aujourd’hui comme directeur de l’ingénierie chez Tangible Solutions, une entreprise spécialisée dans la fabrication d’implants orthopédiques en titane imprimés en 3D. À ce titre, il dirige la conception et le développement de dispositifs médicaux, de l’élaboration du concept à la mise sur le marché, et aide ainsi les clients à comprendre leurs difficultés, leur calendrier et leurs contraintes budgétaires.
3DA : Nous avons l’habitude d’entendre le terme DfAM (Design for Additive Manufacturing). Signifie-t-il autre chose lorsqu’il est précédé du terme « computationnel » (CDfAM)?
Matt Shomper (MS) : C’est à peu près la même chose, mais c’est aussi un peu différent. La DfAM est un ensemble de principes qui régissent les bonnes pratiques de conception et conduisent en fin de compte à une meilleure efficacité de fabrication. Ces principes sont basés à la fois sur le produit final (produit de grande consommation, aérospatial, médical, etc.) et sur une technologie de fabrication spécifique (par exemple, LPBF, SLA, Binder Jetting, etc.). Le terme « computationnel » qui le précède fausse légèrement la difficulté. Il est très rare (d’après mon expérience) que les structures soient d’autant plus faciles à produire qu’elles sont complexes. C’est pourquoi le concepteur doit assumer une responsabilité supplémentaire lorsqu’il envisage de recourir à la méthode CDfAM.
3DA : Diriez-vous qu’un tel cadre fonctionne mieux pour les géométries complexes ? Ou s’agit-il d’une alternative intéressante pour ceux qui ne sont pas vraiment des experts en conception ?
MS : La conception computationnelle est un excellent outil pour les structures complexes. Pratiquement toutes les activités créatives ont des limites. Même si le cerveau humain fait preuve d’une créativité illimitée, l’une de ses principales contraintes est son incapacité à analyser et à traiter de vastes ensembles de données. La conception informatique supprime cette limitation, en donnant aux concepteurs la possibilité de transformer ces données en produits, solutions et actions fonctionnels.
La conception computationnelle n’est pas pour les âmes sensibles. Les outils sont plutôt inaccessibles (avec des courbes d’apprentissage importantes) et elle nécessite généralement une double connaissance de la conception pour les exigences et l’esthétique en même temps. Un bon sens de la conception est indispensable, quel que soit le produit créé, et je ne pense pas que la conception informatique soit un « raccourci » permettant de contourner des principes d’ingénierie solides.
3DA : Malgré la grande expertise de Tangible dans le domaine des dispositifs médicaux en titane imprimés en 3D, nous pensons que chaque application est unique. Quels sont les défis de conception complexes auxquels vous avez été confrontés au fil des ans ? Et comment les avez-vous surmontés ?
MS : De nombreuses conceptions d’implants orthopédiques s’articulent autour d’objectifs de porosité spécifiques. Cela a été bien étudié et signifie généralement que l’extérieur du dispositif doit maintenir une taille de pore et une fraction de volume cibles. En outre, il existe également des objectifs de surface et de rigidité du dispositif. Avant la conception computationnelle, les ingénieurs devaient utiliser des outils paramétriques pour concevoir des structures répondant à tous ces objectifs. Cela conduisait souvent à des zones déconnectées des dispositifs qui répondaient chacune à leur objectif de conception spécifique mais ne créaient pas un ensemble élégant. La conception computationnelle permet de réaliser cette combinaison de manière beaucoup plus transparente. Chaque structure spécifique peut être représentée comme un champ, et ces champs peuvent être combinés, ajoutés, soustraits, faire l’objet d’une moyenne, etc. comme le concepteur le souhaite en fonction des spécifications. Dans plusieurs cas, le client a été surpris de constater qu’un ensemble de variables aussi rigoureuses pouvait être résolu par la conception computationnelle, étant donné que certains éléments doivent généralement être dépourvus de priorité. Ces solutions n’auraient pas été possibles il y a quelques années.
3DA : La dernière édition « santé » de 3D ADEPT Mag a révélé que les designers et les ingénieurs s’inspirent de plus en plus de la nature. (Comment) cela s’applique-t-il à certaines des conceptions de dispositifs médicaux que vous créez ?
MS : J’ai toujours été fasciné par la nature et les types de structures qui s’y trouvent lorsque nous les observons attentivement. Ce qui m’intéresse le plus, ce sont les structures à la fois souples et solides. Je prendrai l’exemple de mon animal préféré, la crevette mante paon. L’armure tensorielle de ses massues est capable de supporter certains des impacts les plus puissants connus dans la nature. Lorsqu’on réduit une telle structure à sa forme de base, il est possible de modéliser informatiquement un réseau de bobines déconnectées ressemblant à un ressort. J’ai utilisé de telles structures pour concevoir des dispositifs médicaux souples et solides, tels que des cages vertébrales. Il est intéressant de noter que toutes les structures biomimétiques ne sont pas faciles à concevoir. Ou même pertinentes pour la conception de produits. Il y a autant d’inefficacité que de beauté dans la nature, c’est pourquoi les concepteurs doivent d’abord étudier la nature des structures et s’assurer qu’elles sont applicables au problème posé.
3DA : La simulation est un élément important du processus DfAM. Avec les progrès actuels des solutions logicielles, diriez-vous que c’est la voie indispensable pour toutes les problématiques d’ingénierie ?
MS : Je crois beaucoup à la simulation en tant qu’élément d’une boucle de rétroaction robuste pour la conception informatique. Elle peut être utile de deux manières :
Itérations rapides : Même si l’impression 3D peut produire certains produits plus rapidement que certaines méthodes de fabrication traditionnelles, les meilleures itérations ne nécessitent aucune dépense monétaire pour les produits. Les conceptions sont mieux évaluées à l’aide de simulations dans une approche « pomme à pomme ». Cela permet d’éliminer rapidement les différentes structures. Les progrès de la simulation (physique basée sur les particules, homogénéisation, simulation implicite) signifient également que des structures de plus en plus complexes peuvent être représentées et résolues plus rapidement que jamais.
Utilisation des données de simulation pour améliorer la conception informatique : Cette nouvelle avancée (apportée par des logiciels tels que nTopology) permet aux données de simulation (contraintes, déformations, déplacements, etc.) d’être des moteurs dans la conception fondamentale d’une structure. Les données peuvent être traitées, interpolées, puis appliquées pour évaluer la structure en réponse à la charge particulière qu’elle subit. La simulation combinée à des outils de calcul et à des scripts permet également de créer une boucle itérative dans laquelle des solutions personnalisées peuvent converger.
3DA : Nous avons pour mission d’aider un plus grand nombre de professionnels à comprendre le processus DfAM et à mieux l’exploiter. Que diriez-vous aux professionnels de la santé à cet égard ?
MS : Le paysage de la fabrication additive est en constante évolution, avec des progrès rapides et continus. Pour comprendre les principes de la conception pour la fabrication, le concepteur doit savoir pour quelles technologies il conçoit. Les processus de fabrication additive pouvant varier considérablement, la première étape consiste à devenir un utilisateur fondamental de la technologie en question. Il faut ensuite maîtriser les outils utilisés (c’est-à-dire les logiciels). Comme mentionné précédemment, ces outils peuvent être difficiles à prendre en main, mais ils complètent la conception traditionnelle pour la fabrication additive et tendent à faciliter les choses une fois la maîtrise acquise.
3DA : Un dernier mot à ajouter ?
MS : Historiquement, les concepteurs et les ingénieurs ont suivi des voies parallèles. Même si tous deux considèrent la conception comme un aspect important de leur travail, les concepteurs conceptualisent fondamentalement et les ingénieurs réalisent. Les concepteurs s’intéressent souvent à l’esthétique et à la facilité d’utilisation, tandis que les ingénieurs s’intéressent à la forme et à la fonction. La conception informatique de produits médicaux est une intersection fascinante entre l’art et la fonction. Les ingénieurs qui utilisent la conception informatique pour créer des produits médicaux (en particulier) peuvent constater que la forme crée la fonction, surtout lorsqu’ils envisagent une conception bio-inspirée. L’ingénieur peut se retrouver à faire beaucoup plus de « conception » qu’il ne l’aurait jamais imaginé. Mais c’est là toute la beauté de la conception computationnelle : la création d’objets élégants mais fonctionnels !
Cet article a initialement été publié dans le numéro de Mars/Avril de 3D ADEPT Mag.
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