Генеративное проектирование и нанесение непрерывного трехмерного волокна

Генеративный дизайн воспроизводит эволюционный подход природы, комбинируя искусственный интеллект (ИИ), в частности передовые алгоритмы оптимизации, и облачные вычисления, чтобы предоставить тысячи решений одной инженерной проблемы. «Это больше не черновик , но вместо этого описывая проблему дизайна сообщая ограничения », - объясняет Массимилиано (Макс) Моруцци из группы Computational Science компании Autodesk Research (и самопровозглашенный проповедник передового производства материалов). Вот некоторые из проектов, которые поддерживает Autodesk:

Смола MX3D ( вверху) и MX3D в металлах
(TU Delft)

ИСТОЧНИК:MX3D

Непрерывные композиты Autodesk и Comau напечатали непрерывные волокна из термореактивных композитных материалов на месте установки и самонесущих мостовых структур (например, эпоксидной смолы). ИСТОЧНИК:Autodesk

«Генеративный дизайн предлагает гораздо более широкий диапазон возможностей оптимизации и дизайна », - говорит Моруцци.

Вместо того, чтобы начинать с чертежа или заранее заданной геометрии, вы определяете проблему вы хотите решить - нагрузки, пространственные ограничения, материалы, методы производства, ограничения по стоимости. Затем программа генеративного дизайна исследует все из возможных перестановок , генерируя многочисленные альтернативы дизайна , тестирование и обучение на каждой итерации. Вы выбираете дизайн, который лучше всего соответствует вашим требованиям.

Генеративный дизайн - это « следующее поколение САПР ». Моруцци объясняет:«Используя математику высокого уровня и набор различных оптимизаторов, мы создали новый способ определения геометрической формы на основе численного синтеза . CAD-системы сегодня - это просто цифровое черчение. Но с генеративным дизайном мы достигли того, что предложил Леонардо да Винчи:«хорошо сконструированная проблема обеспечивает оптимизированные решения . '. Теперь мы сосредоточимся на описании желаемого решения. Таким образом, это ориентированный на цель процесс и платформа, которые позволяют инженеру синтезировать все пространство дизайна . »

Он отмечает, что одним из результатов этой смены парадигмы является то, что форма и функциональность включены в структуру. «Материал - одна из составляющих этого», - утверждает Моруцци. «Материал ранее действовал поддерживать любую геометрическую цель, к которой стремился дизайнер. Но с генеративным дизайном мы теперь добавляем в производственный процесс и материал в проект, чтобы оба теперь стали частью анализа оптимальной геометрической формы ».

Умные конструкции

По словам Моруцци, когда Autodesk приступила к разработке генеративного дизайна, это привело к переходу к передовому производству . «Мы делаем упор на технологии, которые могут включать современные материалы . и умные материалы, чтобы в полной мере использовать преимущества генеративного дизайна ». Он утверждает, что композиты, армированные волокном, соответствуют изотропным материалам, таким как сталь и алюминий, и теперь превосходят их, поскольку композиты могут включать функциональность . . «Но мы не до конца понимаем сложность этих материалов, поэтому используем критерии отказа, которые носят ограничительный характер. В результате мы заставляем композитные материалы в форму. Но для полной оптимизации материал должен следовать как структурные, так и функциональные нагрузки - например, магнитное экранирование, температурный градиент, вибрация и т. Д. »

Autodesk сотрудничал с Airbus, чтобы создать " бионическая перегородка »для A320 с использованием генеративного дизайна и металлической 3D-печати. Значительная часть работы Autodesk была связана с металлами, но Моруцци видит будущее в композитах, армированных волокном. ИСТОЧНИК:Autodesk.

Моруцци видит, что композиты, армированные волокном и генеративный дизайн симбиотичны , помогая друг другу реализовываться и расширяться. «Сегодня мы определяем физику и свойства материала композита, а затем используем метод FEA для решения конструкторской проблемы», - поясняет он. «Но это назад . Природа не создает дерево и тогда лес." Генеративный дизайн соответствует природным процессам и, в свою очередь, позволяет создавать композиты к также. «Теперь материал и его размещение могут быть вызваны структурными нагрузками и функциональностью », - говорит Моруцци. «Это приведет к появлению новых функциональных материалов . и усовершенствованные производственные процессы . »

Однако Моруцци утверждает, что до сих пор не существовало автоматизированного процесса . для размещения армированных волокном композитов, которые могут выполнять функцию в деталь легко. Он говорит об этом, разработав автоматизированное размещение волокон (AFP) . систем в прошлом, работая на Ingersoll в начале 2000-х с такими компаниями, как Boeing, Lockheed и Lamborghini Lab в Сиэтле, штат Вашингтон. Его проекты с такими компаниями, как MX3D и Continuous Composites, являются частью стратегии, демонстрирующей лидерам отрасли и OEM-производителям возможности. «Благодаря этим проектам мы можем вывести преимущества анизотропии на новый уровень . Это не просто вопрос реализации бионических и биомиметических форм. Цель - создать живые конструкции с нервной системой, которая может ощущать и передавать реальный потенциал умных самолетов, автомобилей и зданий. Это невозможно с традиционными металлами ».

ИСТОЧНИК:непрерывный Композиты и Autodesk.

Датчики, напечатанные на руле направления, представленные Continuous Composites в AutoDesk University 2017, собрали 5 гигабайт данных за 2 дня, отслеживая изменения температуры, ускорения и стресса от прикосновений посетителей к конструкции. (Подробнее читайте в моем блоге о непрерывных композитах.) MX3D также печатает структуры со встроенными датчиками.

«Я начал представлять видение композитных материалов, напечатанных на 3D-принтере поскольку вам не нужны инструменты, вы синтезируете деталь », - говорит Моруцци. «Непрерывные композиты могут печатать с непрерывными волокнами, проволоками и волоконная оптика, чтобы я мог встроить нейросистему в структуры . Материал также пропитывается на лету. Итак, этот тип производственных совпадений что генеративный дизайн представляет собой решение? »

Яхта Ливреи будет участвовать в гонке на яхте Mini-Transat 2019 года на первой в мире 3D-печатной яхте.
ИСТОЧНИК:Autodesk

Моруцци идет еще дальше, объясняя, что в конечном итоге этот тип передового производства требует экосистемы, который включает в себя цепочку поставок для производства этих умных структур. «Яхта Livrea - это другая часть этой экосистемы», - говорит Моруцци. Livrea Yacht, еще одна компания, с которой работает Моруцци, строит первую в мире парусную лодку, напечатанную на 3D-принтере, которая примет участие в индивидуальной трансатлантической гонке на яхтах Mini-Transat в 2019 году. (Подробнее читайте в блоге Скотта Фрэнсиса об этом проекте). «Все новые технологии и достижения требуют вложений, поэтому важно понять, почему эти вложения окупаются. Вам также необходимо создать взаимодействие ». Он отмечает, что традиционно новые материалы и производство вызывали ажиотаж в гоночных автомобилях, гоночных лодках и космических кораблях. «Livrea - гоночная лодка, которая пересечет Атлантику, она имеет очень интересную генеративную конструкцию, которая также обеспечивает легкий вес, и она сделана с помощью 3D-печати без формы. Мы можем использовать это как мощный канал для трансляции того, что будет с генеративным дизайном ».

Будущее производства

Он утверждает, что есть другие проекты , например, в строительной отрасли , который он не может обсуждать, но который дополнительно проиллюстрирует силу возможного. Однако Моруцци заявляет, что будущее композитов и генеративного дизайна - это не только 3D-печать . . «И я не думаю, что у нас еще есть последняя машина», - добавляет он. «Заказчику не нужна конкретная система или станок CAD / CAM. клиент хочет решение . »

Моруцци говорит, что, когда он начал заниматься композитами 15 лет назад, он обратил внимание на текстильную промышленность. « Самая продвинутая структура это текстиль сам по себе, потому что он добавляет функциональность, а также структурные характеристики. Он может нагревать или холодить вас, он может быть эластичным или нет, он может принимать форму или сужаться, сжиматься или расширяться. Вы можете запрограммировать его как хотите ». Он видит, что конструкция ткацких станков собирается измениться . «Прямо сейчас это ограничено справочной таблицей, так что я создаю только несколько наборов различных дизайнов [переплетений]. Но мы синхронизируем генеративный дизайн и то, каким будет структурный текстиль. Итак, генеративное производство не будет просто 3D-печать. Другими вариантами будут гибридные процессы . с приближением и вязание и добавление прерывистого волокна . Тогда мы начнем использовать еще более экологичные материалы . , в том числе биоматериалы и паучий шелк. Есть огромная гибридная машина приближается движение. Затем вы можете синтезировать свою мечту, нажав кнопку ».

Также есть путь вперед, по которому системы будут сотрудничать . постоянно улучшать. «При генеративном подходе к проектированию, когда пространство дизайна вычисляется вместо рисования единой концепции проекта, когда вы что-либо меняете, это не еще одна итерация FEA, потому что пространство уже полностью вычислено», - объясняет Моруцци. Машинное обучение уже интегрируется в системы производства композитов. Это позволит использовать извлеченные уроки для передачи в программное обеспечение генеративного дизайна для применения в будущих итерациях дизайна.

(Эта концепция обсуждалась в моем блоге о производственных линиях, разрабатываемых для термореактивных композитов в рамках проекта ZAero, а также компаниями Airborne, SABIC и Siemens для термопластичных композитов.)

Полное раскрытие, существуют и другие платформы генеративного дизайна. Dassault Systèmes фактически обсудила «Функциональный генеративный дизайн» в своей колонке 2016 года для CW , «Увеличение промышленного внедрения композитов в аддитивное производство».

Есть также другие компании, продвигающие 3D-печать с использованием непрерывного волокна и / или датчиков, в том числе:

• Анисопринт (Россия)
• Арево
• Carbon Factory в ETH Zurich
• MarkForged
• Центр Макнейра, Университет Южной Каролины
• композиты moi
• Орбитальные композиты
• Шанхайский университет
• Токийский университет науки и Университет Нихон
  http://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf