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La simulazione digitale accelera l'innovazione nel settore Medtech e Biotech

La Svizzera è leader mondiale nel settore della tecnologia medica. Dispone di una fitta rete di R&S, supportata da rinomate università, PMI altamente specializzate, competenze storiche nella micro-meccanica e potenti gruppi internazionali.

Simulazione per dispositivi medici e Medtech

I dispositivi medici svolgono un ruolo sempre più importante nella medicina e nella cura dei pazienti. Il loro rapido sviluppo contribuisce a rispondere alle sfide della medicina ambulatoriale, dell’invecchiamento della popolazione, della gestione delle malattie croniche e della democratizzazione dell’accesso alle cure.

Esiste un costante compromesso tra la copertura dei costi, le questioni relative ai benefici/rischi, la diffusione dell’innovazione e il desiderio di migliorare l’assistenza preventiva piuttosto che quella curativa.

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Dalle bende alla diagnostica per immagini, dai dispositivi impiantabili a tecnologie rivoluzionarie come il “cuore artificiale”, dagli oggetti connessi alla robotica medica, i dispositivi medici stanno assumendo una nuova dimensione. Gli operatori devono accelerare lo sviluppo di nuovi prodotti in linea con gli standard normativi e dimostrarne i benefici. A tal fine, è fondamentale sviluppare prodotti sicuri e di alta qualità che tengano conto delle interazioni con il paziente, tra cui l’affidabilità, la durata e la fatica. I laboratori e le aziende mediche devono accelerare lo sviluppo di nuovi prodotti in linea con gli standard normativi e dimostrarne i benefici.

La simulazione digitale è uno strumento prezioso per lo sviluppo di dispositivi medici e prodotti biotecnologici. Consente di :

– risolvere problemi complessi

– ottimizzare i progetti, migliorare la qualità e la sicurezza dei prodotti, minimizzare i rischi normativi

– ridurre i costi

– accelerare lo sviluppo e la commercializzazione di nuovi prodotti

I team DAES contribuiscono allo sviluppo di prodotti Medtech attraverso la simulazione digitale e l’analisi dei dati.

La nostra esperienza

Vi sosteniamo integrando la simulazione e la convalida di nuovi metodi di sviluppo nel cuore della progettazione dei vostri prodotti.

Sia che si tratti del fascicolo normativo e della relativa documentazione, sia che si tratti di ottimizzare le prestazioni del vostro prodotto, i nostri team si occupano della simulazione e partecipano ai gruppi di lavoro per la progettazione e le specifiche del sistema. I modelli digitali, come i laboratori virtuali, forniscono una visione intrinseca delle prestazioni del prodotto!

Alcuni esempi di applicazione della simulazione digitale nel settore medtech

La modellazione muscoloscheletrica può essere utilizzata per ricalcolare le forze muscolari necessarie per eseguire un movimento preciso. Nel campo delle tecnologie mediche, questo tipo di modellazione può essere utilizzato, ad esempio, per prevedere le forze esercitate sulle protesi quando si cammina o si corre, che sono molto difficili da misurare in laboratorio. I progetti di questi impianti possono quindi essere perfezionati per resistere a casi di carico realistici.
Il design delle scarpe da corsa si è evoluto enormemente negli ultimi anni e la simulazione numerica permette di prevedere gli effetti di nuovi materiali o di modifiche geometriche sulle prestazioni. A tal fine, è necessario creare modelli numerici i cui risultati siano correlati al modo in cui gli atleti si sentono sul campo; la modellazione muscolo-scheletrica è anche una risorsa importante per comprendere meglio i guadagni di prestazione, stimando i costi metabolici associati ai diversi prodotti.
Gli SMA (materiali a memoria di forma) di tipo nitinolo garantiscono il corretto funzionamento degli stent. Soggetta in particolare a variazioni di pressione, la simulazione digitale può tenere conto sia dei materiali che dei carichi esistenti. Le prestazioni di questi componenti possono quindi essere studiate in tutte le possibili configurazioni. Il necessario calcolo strutturale non lineare può essere abbinato a un’analisi CFD che tenga conto del flusso sanguigno.
La progettazione delle protesi deve affrontare una serie di problemi: se da un lato la protesi non deve rompersi sotto carichi statici, dall’altro deve resistere agli urti e ai carichi “accidentali” durante il suo ciclo di vita, ma deve anche resistere all’usura e rimanere funzionale nel tempo. Tutti questi effetti possono essere studiati con simulazioni numeriche, sia implicite che esplicite. La simulazione digitale può quindi essere integrata in tutte le fasi del processo di progettazione, sia per verificare la conformità alle norme che per questioni specifiche come la resistenza all’usura o agli urti.
I calcoli CFD del flusso sanguigno possono essere utilizzati per stimare le condizioni locali e considerare meglio i carichi da applicare a componenti come gli stent. Mediante un calcolo accoppiato struttura/fluido (FSI), gli effetti del campo di pressione legato al flusso possono agire sugli spostamenti del solido in esame (parete della vena, componente medico) e viceversa.
L’uso dell’analisi digitale non si limita ai componenti interni al corpo. Numerosi dispositivi medici (siringhe, sedie a rotelle, occhiali, ecc.) possono essere studiati con questi metodi e garantire la robustezza e/o le prestazioni di questi dispositivi.
La simulazione digitale si applica anche agli strumenti utilizzati per la produzione di questi componenti medicali. Ad esempio, il trasporto di compresse su nastri trasportatori può essere modellato con metodi DEM, consentendo di ottimizzare la linea di produzione.
Nella fase di ricerca
Sviluppo di modelli matematici e metodi numerici che possano essere correlati con i dati misurati, analisi matematiche e tecniche dei modelli numerici, sviluppo e validazione di metodi di calcolo scientifico.
Nella fase di progettazione
I nostri team lavorano a stretto contatto con i product manager per realizzare PoC, anticipare e simulare le future condizioni d’uso e valutare l’impatto delle modifiche al design (resistenza, comfort, ottimizzazione topologica, affaticamento, usura, ecc.)

Simulazione di processo per il controllo globale per affrontare le sfide del biotech

La biotecnologia è un settore in continua evoluzione, in cui emergono regolarmente nuove scoperte e tecnologie. Svolge un ruolo importante nella ricerca medica e nell’industria farmaceutica, oltre che nella produzione alimentare sostenibile e nella protezione dell’ambiente.

I team DAES contribuiscono a portare sul mercato biotecnologie innovative offrendo un processo di progettazione del prodotto estremamente preciso.

La padronanza dei complessi processi coinvolti nella produzione biotecnologica richiede le migliori risorse tecniche: la simulazione digitale è ovviamente la risposta. In questo modo è possibile garantire il giusto livello di ossigeno, la giusta temperatura o la giusta quantità di riscaldamento in un sistema di produzione. Questa padronanza dei parametri fisici e delle giuste condizioni è essenziale per raggiungere i propri obiettivi.

Alcuni esempi di simulazione per le biotecnologie

Un miscelatore deve garantire l’omogeneità dei liquidi. Utilizzando un calcolo CFD, questa omogeneità può essere stimata dopo un tempo “infinito” di rotazione dell’elica (calcolo stazionario) o dopo pochi secondi (calcolo transitorio). In questo modo è possibile convalidare le prestazioni spaziali e temporali del mixer.
In caso di iniezione di gas o di cambiamenti di fase (cavitazione) durante la rotazione dell’elica, è possibile eseguire un calcolo multifase della miscela. A seconda della fisica coinvolta e delle condizioni di iniezione, le dimensioni delle bolle e la loro distribuzione possono essere studiate per migliorare le prestazioni del miscelatore.
Un calcolo CFD può essere utilizzato per studiare le prestazioni dell’elica e quindi del miscelatore. L’ottimizzazione può quindi essere attuata tenendo conto anche delle condizioni strutturali attraverso l’accoppiamento unidirezionale o bidirezionale.
È possibile effettuare studi termici sui reattori per stimare le perdite e quindi valutare la necessità di isolare il reattore e, se necessario, stimare lo spessore dell’isolamento necessario. A seconda della fisica coinvolta, questi studi termici possono essere inclusi in un calcolo CFD (CHT) per tenere conto delle celle di convezione create.
Che si tratti di un miscelatore o di un reattore, l’alimentazione del dispositivo coinvolge complessi sistemi ad anello che comprendono pompe, valvole, ecc. Questi sistemi possono essere studiati utilizzando simulazioni numeriche transitorie 1D per verificarne il comportamento in tutti i casi, compresi l’avvio e l’arresto del sistema, nonché condizioni accidentali o fortuite.

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