Генеративный дизайн и непрерывное 3D-кладование волокна: инновации на базе ИИ

Генеративный дизайн воспроизводит эволюционный подход природы, сочетая искусственный интеллект (ИИ) — конкретно, передовые алгоритмы оптимизации — и облачные вычисления для выдачи тысяч решений одной инженерной задаче. «Это больше не черчение, а описание дизайн-проблемы через коммуникацию ограничений», — объясняет Массимилиано (Макс) Моруцци из группы Computational Science Autodesk Research (и самопровозглашенный евангелист передовых материалов и производства). Проекты, которые поддерживает Autodesk:

MX3D Resin (верх) и MX3D в металлах
(TU Delft)

SOURCE: MX3D

Continuous Composites, Autodesk и Comau печатают непрерывное волокно термореактивное in-situ мёд и самонесущие мостообразные структуры композиты (например, эпоксид) Источник: Autodesk

«Генеративный дизайн предлагает гораздо шире возможности оптимизации и проектирования», — говорит Моруцци.

Вместо начала с чертежа или заданной геометрии вы определяете проблему, которую хотите решить — нагрузки, пространственные ограничения, материалы, методы производства, стоимость. Генеративное ПО исследует все возможные перестановки, генерирует множество альтернатив, тестирует и обучается на каждой итерации. Выбираете дизайн, лучше всего подходящий под требования.

Генеративный дизайн — «следующее поколение CAD». Моруцци: «Используя высшую математику и набор оптимизаторов, мы создали новый способ определения геометрической формы на основе числового синтеза. CAD-системы сегодня — всё еще цифровое черчение. С генеративным дизайном мы достигли того, что предложил Леонардо да Винчи: "хорошо сформулированная задача дает оптимизированные решения". Теперь фокус на описании желаемого решения. Это целевой процесс и платформа, позволяющая инженеру синтезировать всё дизайн-пространство».

Результат парадигмального сдвига: форма и функциональность включены в структуру. «Материал — одна часть этого», — утверждает Моруцци. «Раньше материал функционировал для поддержки любой геометрической цели дизайнера. Но с генеративным дизайном мы добавляем процесс производства и материал в дизайн, так что оба становятся частью анализа для оптимальной геометрической формы».

Умные структуры

Развивая генеративный дизайн, Autodesk начала путь в передовое производство. «Фокусируемся на технологиях, включающих передовые материалы и умные материалы для извлечения полной выгоды от генеративного дизайна». Моруцци утверждает, что волокнисто-армированные композиты сравнялись с изотропными материалами (сталь, алюминий) и теперь превосходят их, потому что композиты могут встраивать функциональность. «Но мы не до конца понимаем сложность этих материалов, поэтому используем ограничивающие критерии разрушения. Результат — мы загоняем композитные материалы в форму. Для полной оптимизации материал должен следовать за структурными и функциональными нагрузками — магнитным экранированием, температурным градиентом, вибрацией и т.д.».

Autodesk работала с Airbus над «бионикным перебором» для A320 с генеративным дизайном и металлической 3D-печатью. Значительная часть работы Autodesk в металлах, но Моруцци видит будущее в волокнисто-армированных композитах. ИСТОЧНИК: Autodesk.

Моруцци видит симбиоз волокнисто-армированных композитов и генеративного дизайна, помогающих друг другу реализовываться и расширяться. «Сегодня мы определяем физику и свойства материала композита, затем используем КЭА для решения дизайн-задачи. Но это наоборот. Природа не создает дерево, а потом древесину». Генеративный дизайн копирует природный процесс и, в свою очередь, позволяет композитам делать то же. «Теперь материал и его размещение могут управляться структурными нагрузками и функциональностью», — говорит Моруцци. «Это приведет к новым функциональным материалам и дополненным производственным процессам».

Однако Моруцци утверждает, что до сих пор не было автоматизированного процесса для размещения волокнисто-армированных композитов, который мог бы легко встраивать функцию в деталь. Он говорит это, проектировав системы автоматической укладки волокна (AFP) в прошлом, работая в Ingersoll в начале 2000-х с Boeing, Lockheed и лабораторией Lamborghini в Сиэтле. Проекты с MX3D и Continuous Composites — часть стратегии демонстрации возможностей лидерам индустрии и OEM. «Через эти проекты мы можем вывести преимущества анизотропии на другой уровень. Не только реализация бионических и биомиметических форм. Цель — создавать живые структуры с нервной системой, чувствующей и коммуницирующей — реальный потенциал для умных самолетов, авто и зданий. С традиционными металлами это невозможно».

ИСТОЧНИК: Continuous Composites и Autodesk.

Сенсоры, напечатанные в руле направления, представленном Continuous Composites на AutoDesk University 2017, собрали 5 ГБ данных за 2 дня, отслеживая температуру, ускорение и изменение напряжений от прикосновений посетителей. (Подробнее в блоге о Continuous Composites.) MX3D также печатает структуры со встроенными сенсорами.

«Начал представлять видение 3D-печати композитов, потому что не нужен инструмент, вы синтезируете деталь», — говорит Моруцци. «Continuous Composites печатает с непрерывными волокнами, проводами и волоконно-оптикой, так что могу встроить нейро-систему в структуры. Материал также промачивается на лету. Такой тип производства соответствует тому, что предлагает генеративный дизайн как решение».

Livrea Yacht будет гонять первый в мире 3D-напечатанный яхту в гонке Mini-Transat 2019.
ИСТОЧНИК: Autodesk

Моруцци заходит дальше: в конечном счете, это передовое производство требует экосистему, включающую цепочку поставок для производства таких умных структур. «Livrea Yacht — другая часть этой экосистемы», — говорит Моруцци. Еще одна компания, с которой он работает — Livrea Yacht строит первый в мире 3D-напечатанный парусник, который составит в 2019 году Mini-Transat — соло-трансатлантическую гонку яхт. (Подробности в блоге Скотта Фрэнсиса). «Вся новая технология требует инвестиций, поэтому важно просвещать, почему инвестиции оправданы. Нужно создавать вовлеченность». Традиционно новые материалы и производство генерировали 흥분 через гоночные болиды, лодки и космические корабли. «Livrea — гоночная лодка, пересекущая Атлантику, с интересным генеративным дизайном для облегчения, изготовленная 3D-печатью без формы. Можно использовать это как мощный канал трансляции будущего генеративного дизайна».

Будущее производства

Моруцци заявляет, есть другие проекты, например в строительной индустрии, которые он не может обсудить, но которые еще больше проиллюстрируют силу возможного. Однако он провозглашает: будущее композитов и генеративного дизайна — не только 3D-печать. «И не думаю, что у нас уже есть финальная машина», — добавляет. «Клиенту не нужна конкретная CAD/CAM система или станок. Клиент хочет решение».

Моруцци: когда начинал в композитах 15 лет назад, смотрел на ткацкую и текстильную промышленность. «Самая передовая структура — это сама ткань, потому что она добавляет функциональность и структурную производительность. Может делать горячим или холодным, эластичным или нет, принимать форму или ограничивать, садиться или расширяться. Можно запрограммировать как угодно». Он видит, что проектирование ткацких станков изменится. «Сейчас ограничено таблицей поиска — я строю лишь несколько наборов разных дизайнов [плетений]. Но мы синхронизируем генеративный дизайн и то, каким будет структурная ткань. Так генеративное производство не будет только 3D-печатью. Другие варианты — гибридные процессы с тканием и вязанием и добавлением дисконтинуального волокна. Тогда начнем использовать еще более устойчивые материалы, включая биоматериалы и паучиный шелк. Идет огромное движение гибридных машин. Вы сможете синтезировать свою мечту, нажав кнопку».

Есть путь, где системы сотрудничают для непрерывного улучшения. «С генеративным подходом вычисления дизайн-пространства вместо черчения одной концепции, когда что-то меняется, это не еще одна итерация КЭА, потому что пространство уже полностью вычислено», — объясняет Моруцци. Машинное обучение уже интегрируется в системы производства композитов. Это позволит урокам, извлеченным, возвращаться в генеративное ПО для применения к будущим итерациям дизайна.

(Эта концепция обсуждалась в блоге о производственных линиях для термореактивных композитов в проекте ZAero и Airborne, SABIC и Siemens для термопластичных композитов.)

Полное раскрытие: существуют другие платформы генеративного дизайна. Dassault Systèmes обсуждала «Functional Generative Design» в своей колонке 2016 г. для CW «Increasing the industrial adoption composites additive manufacturing».

Также другие компании, продвигающие 3D-печать с непрерывным волокном и/или сенсорами:

• Anisoprint (Россия)
• Arevo
• Carbon Factory at ETH Zurich
• MarkForged
• McNair Center, University of South Carolina
• moi composites
• Orbital Composites
• Shanghai University
• Tokyo University of Science and Nihon University
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf