WHITE PAPER
Applicazione della simulazione e della CFD per migliorare la progettazione dei dispositivi medici con Terumo Corporation.
L’uso del computer-aided engineering (CAE) e della dinamica dei fluidi computazionale (CFD) riduce significativamente il carico di lavoro, garantendo al contempo affidabilità e migliorando i progetti dei dispositivi medici. La simulazione ingegneristica è oggi ampiamente riconosciuta e adottata da autorità regolatorie, produttori e fornitori in tutto il mondo. Un esempio significativo è un workshop sugli studi di danno al sangue attraverso la modellazione di una pompa sanguigna. Questo workshop è stato organizzato dalla Food & Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti per definire le migliori pratiche e promuovere l’uso della simulazione nella progettazione dei dispositivi.
Vediamo come Terumo Corporation ha utilizzato la simulazione per ottimizzare i propri progetti e sviluppare un dispositivo di assistenza ventricolare (VAD) migliore.
La simulazione numerica presso Terumo.
Un VAD è una pompa meccanica utilizzata per aumentare il flusso sanguigno, compensando il malfunzionamento di un ventricolo cardiaco e sostituendo le funzioni di un cuore insufficiente. Durante il processo di sviluppo di un VAD, la modellazione computazionale è uno strumento efficiente per individuare il miglior design per la pompa sanguigna, ancor prima di costruire un prototipo. Le pompe sanguigne nei VAD devono garantire il flusso sanguigno richiesto, riducendo al minimo i danni, come l’emolisi e la trombosi. L’uso della CFD consente di analizzare e ottimizzare il flusso sanguigno e le prestazioni della pompa.
Analysis showing the results of the pressure profile of the best blood pump design
Takehisa Mori, responsabile principale della ricerca e sviluppo presso Terumo, non è certo un neofita della CFD. Mori è stato il primo ad applicare la CFD in Terumo circa 15 anni fa. Utilizzando metodi di analisi CFD, valuta la fattibilità e le sfide dei nuovi dispositivi già nella fase di concezione.
“When I started with CFD, I realized how much I was able to understand designs better. One cautionary point is that some people think too lightly of simulation, assuming that anything can be simulated or imagined. In reality, it’s important to consider what the problem means and what the physical implications are…By utilizing CFD, we can build a base for prototype manufacturing to some extent.”
Takehisa Mori, Prinicpal R&D Research Manager, Terumo Corporation
Nel campo dei dispositivi chirurgici cardiovascolari presso Terumo, la CFD viene utilizzata per sviluppare pompe sanguigne. L’obiettivo dell’introduzione di uno strumento di esplorazione progettuale basato sulla CFD è aumentare l’efficienza nello sviluppo delle pompe sanguigne e portare sul mercato un design migliore in tempi più rapidi.
Superare le difficoltà nella progettazione delle pompe con la CFD
Nel campo dei dispositivi chirurgici cardiovascolari presso Terumo, la CFD viene utilizzata per sviluppare pompe sanguigne. L’obiettivo dell’introduzione di uno strumento di esplorazione progettuale basato sulla CFD è aumentare l’efficienza nello sviluppo delle pompe sanguigne e portare sul mercato un design migliore in tempi più rapidi.
Risultati dell’utilizzo di Simcenter STAR-CCM+ e della CFD
Tradizionalmente, il metodo di progettazione per le pompe sanguigne prevedeva l’uso della CFD per analizzare decine di modelli nella fase iniziale, al fine di stimare le prestazioni di ciascuno nelle stesse condizioni. Questo approccio generava diversi modelli candidati. Successivamente, venivano condotte valutazioni delle prestazioni della pompa ed esperimenti relativi al sangue, correggendo i problemi di progettazione riscontrati. Questo processo veniva ripetuto fino a determinare un prototipo finale. Di conseguenza, il periodo di sviluppo di un singolo prodotto richiedeva anni.
Risultati dell’analisi che mostrano i design che soddisfano le condizioni vincolanti
Con Simcenter STAR-CCM+ e il componente aggiuntivo Intelligent Design Exploration, Terumo ha ridotto significativamente il tempo di sviluppo delle pompe sanguigne, ottenendo un design migliore in tempi più brevi.
La geometria della pompa è stata creata utilizzando il modellatore 3D-CAD integrato in Simcenter STAR-CCM+. Poiché il 3D-CAD consente di parametrizzare le variabili progettuali, i calcoli di ottimizzazione possono essere eseguiti in modo più fluido, risparmiando tempo e costi di licenza aggiuntivi.
Durante il processo di ottimizzazione sono stati analizzati un totale di 102 casi, e i calcoli hanno richiesto circa sei giorni. Basandosi sui vincoli e sul caso base, Simcenter STAR-CCM+ ha raffinato automaticamente le variabili progettuali (diametro della girante e alloggiamento) e ha iterato le simulazioni per tutti i casi. Tra questi, 38 casi soddisfacevano le condizioni vincolanti.
Inoltre, i risultati dell’ottimizzazione hanno evidenziato che un design con una buona efficienza della pompa, che soddisfa le condizioni vincolanti, tende a presentare valori ridotti per l’altezza dell’apertura laterale dell’alloggiamento e per il diametro iniziale. Grazie all’esplorazione progettuale, si è scoperto che minore è l’intervallo tra la girante e l’alloggiamento, maggiore è l’efficienza della pompa. Il miglior design è stato identificato entro una settimana grazie al processo di ottimizzazione guidato dalla simulazione.
Scopri di più su come Terumo ha utilizzato Simcenter STAR-CCM+ per progettare dispositivi medici migliori e più rapidamente.
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