Generatief ontwerp en continue 3D-vezelafzetting

Generatief ontwerp repliceert de evolutionaire benadering van de natuur door kunstmatige intelligentie (AI) - met name geavanceerde optimalisatie-algoritmen - en cloud computing te combineren om duizenden oplossingen voor één technisch probleem te bieden. "Dit is niet langer aan het opstellen , maar in plaats daarvan het ontwerpprobleem beschrijven door beperkingen te communiceren ”, legt Massimiliano (Max) Moruzzi van de Computational Science-groep van Autodesk Research (en zelfverklaarde evangelist van geavanceerde materiaalproductie) uit. Hier zijn enkele van de projecten die Autodesk ondersteunt:

MX3D-hars ( boven) en MX3D in metalen
(TU-Delft)

BRON:MX3D

“Generatief design biedt een veel breder aanbod van optimalisatie- en ontwerpmogelijkheden”, zegt Moruzzi.

In plaats van te beginnen met een tekening of vooropgezette geometrie, definieert u het probleem u wilt oplossen - belastingen, ruimtelijke beperkingen, materialen, productiemethoden, kostenbeperkingen. De generatieve ontwerpsoftware verkent vervolgens alle van de mogelijke permutaties , waarmee talloze alternatieven voor het ontwerp worden gegenereerd , testen en leren van elke iteratie. U kiest het ontwerp dat het beste bij uw wensen past.

Generatief ontwerp is "de volgende generatie van CAD". Moruzzi legt uit:"Met behulp van wiskunde op hoog niveau en een reeks verschillende optimalisatieprogramma's hebben we een nieuwe manier gecreëerd om geometrische vormen te definiëren gebaseerd op numerieke synthese . CAD-systemen zijn tegenwoordig nog steeds gewoon digitaal tekenen. Maar met generatief ontwerp hebben we min of meer bereikt wat Leonardo Da Vinci suggereerde:'een goed geconstrueerd probleem biedt geoptimaliseerde oplossingen ’. We concentreren ons nu op het beschrijven van de oplossing die we willen. Het is dus een doelgericht proces en platform dat de ingenieur in staat stelt om de . te synthetiseren hele ontwerpruimte .”

Een gevolg van deze paradigmaverschuiving, merkt hij op, is dat vorm en functionaliteit in de structuur zijn opgenomen. “Het materiaal is daar een onderdeel van”, stelt Moruzzi. “Materiaal eerder gefunctioneerd om het geometrische doel te ondersteunen waar de ontwerper naar streefde. Maar met generatief ontwerp voegen we nu toe aan het fabricageproces en materiaal in het ontwerp zodat beide nu deel uitmaken van de analyse voor een optimale geometrische vorm.”

Slimme constructies

Toen Autodesk generatief ontwerp begon te ontwikkelen, zei Moruzzi dat het de aanzet was tot een reis naar geavanceerde productie . “We richten ons op technologie die geavanceerde materialen kan bevatten en slimme materialen om de volledige voordelen van generatief ontwerp te benutten.” Hij beweert dat vezelversterkte composieten overeenkomen met isotrope materialen zoals staal en aluminium en deze nu overtreffen omdat composieten functionaliteit kunnen inbedden . “Maar we begrijpen de complexiteit van deze materialen niet helemaal, dus gebruiken we beperkende faalcriteria. Het resultaat is dat we composietmaterialen forceren in een vorm. Maar om volledig te worden geoptimaliseerd, moet het materiaal volgen zowel structurele als functionele belastingen — zoals magnetische afscherming, temperatuurgradiënt, trillingen, enz.”

Autodesk werkte samen met Airbus om de " bionische partitie" voor de A320 met behulp van generatief ontwerp en metallic 3D-printen. Een aanzienlijk deel van het werk van Autodesk zit in metalen, maar Moruzzi ziet de toekomst in vezelversterkte composieten. BRON:Autodesk.

Moruzzi ziet dat vezelversterkte composieten en generatief ontwerp zijn symbiotisch , elkaar helpen te actualiseren en uit te breiden. "Vandaag definiëren we de fysica en de materiaaleigenschappen van het composiet en vervolgens gebruiken we FEA om het ontwerpprobleem op te lossen", legt hij uit. "Maar dit is achterlijk . De natuur maakt de boom niet en dan het hout." Generatief ontwerp komt overeen met het proces van de natuur en maakt op zijn beurt composieten mogelijk ook naar. “Nu het materiaal en de plaatsing kan worden aangedreven door de structurele belastingen en functionaliteit”, zegt Moruzzi. “Dit zal leiden tot nieuwe functionele materialen en verbeterde productieprocessen .”

Moruzzi beweert echter dat er tot nu toe geen geautomatiseerd proces is geweest voor het plaatsen van vezelversterkte composieten die functie zouden kunnen insluiten gemakkelijk in het onderdeel. Hij zegt dat hij automatische glasvezelplaatsing (AFP) heeft ontworpen systemen in het verleden en werkte begin jaren 2000 voor Ingersoll met bedrijven als Boeing, Lockheed en het Lamborghini Lab in Seattle, WA. Zijn projecten met bedrijven als MX3D en Continuous Composites maken deel uit van een strategie om marktleiders en OEM's te laten zien wat er mogelijk is. “Door deze projecten kunnen we de voordelen van anisotropie naar een ander niveau tillen . Het gaat niet alleen om het actualiseren van bionische en biomimetische vormen. Het doel is om levende structuren te creëren met een zenuwstelsel dat kan voelen en communiceren, het echte potentieel voor slimme vliegtuigen, auto's en gebouwen. Dit is niet mogelijk met traditionele metalen."

BRON:continu Composieten en Autodesk.

Sensoren gedrukt in het roer tentoongesteld door Continuous Composites op AutoDesk University 2017 verzamelden 5 gigabyte aan gegevens gedurende 2 dagen, waarbij temperatuur, versnelling en stressveranderingen werden gevolgd van deelnemers die de structuur aanraakten. (Lees meer in mijn blog over Continuous Composites.) MX3D print ook structuren met ingebouwde sensoren.

"Ik begon een visie te presenteren voor 3D-geprinte composieten omdat je geen gereedschap nodig hebt, synthetiseer je het onderdeel”, zegt Moruzzi. “Continuous Composites kan printen met continue vezels, draden en glasvezel, zodat ik een neurosysteem in de structuren kan inbedden . Het materiaal wordt ook on-the-fly geïmpregneerd. Dus dit type productie komt overeen wat generatief ontwerp als oplossing biedt.”

Livrea Yacht zal race 's werelds eerste 3D-geprinte jacht in de Mini-Transat-jachtrace van 2019.
BRON:Autodesk

Moruzzi gaat zelfs nog verder en legt uit dat dit type geavanceerde productie uiteindelijk een ecosysteem vereist, die een toeleveringsketen omvat voor hoe deze slimme constructies kunnen worden vervaardigd. "Livrea Yacht is een ander onderdeel van dit ecosysteem", zegt Moruzzi. Nog een van de bedrijven waarmee Moruzzi samenwerkt, Livrea Yacht bouwt 's werelds eerste 3D-geprinte zeilboot, die zal deelnemen aan de Mini-Transat solo transatlantische zeilrace van 2019. (Lees voor meer details de blog van Scott Francis over dit project). “Alle nieuwe technologie en vooruitgang vereisen investeringen, dus het is belangrijk om te leren waarom deze investering de moeite waard is. Je moet ook betrokkenheid creëren.” Hij merkt op dat nieuwe materialen en fabricage van oudsher voor opwinding hebben gezorgd door raceauto's, raceboten en ruimteschepen. "Livrea is een raceboot die de Atlantische Oceaan zal oversteken, het heeft een zeer interessante generatieve ontwerpvorm die ook lichtgewicht is, en het is gemaakt met behulp van 3D-printen zonder mal. We kunnen dit gebruiken als een krachtig kanaal om uit te zenden wat er komt met generatief ontwerp.”

Toekomst van productie

Hij beweert dat er andere projecten . zijn , bijvoorbeeld in de bouwsector , die hij niet kan bespreken, maar die de kracht van wat mogelijk is verder zal illustreren. Moruzzi verkondigt echter dat de toekomst van composieten en generatief ontwerp niet alleen 3D-printen is . "En ik denk dat we de laatste machine ook nog niet hebben", voegt hij eraan toe. “De klant wil geen specifiek CAD/CAM-systeem of machine. De klant wil een oplossing .”

Moruzzi zegt dat toen hij 15 jaar geleden begon in composieten, hij naar de stoffen- en textielindustrie keek. “De meest geavanceerde structuur is detextiel zelf omdat het zowel functionaliteit als structurele prestaties toevoegt. Het kan je warm of koud maken, het kan elastisch zijn of niet, het kan een vorm aannemen of beperken, krimpen of uitzetten. Je kunt het op elke gewenste manier programmeren.” Hij ziet dat het ontwerp van weefmachines gaat veranderen . "Op dit moment wordt het beperkt door een opzoektabel, zodat ik maar een paar sets met verschillende ontwerpen [weefsels] bouw. Maar we zullen het generatieve ontwerp synchroniseren met wat het structurele textiel zal zijn. Dus generatieve productie zal niet alleen 3D-printen zijn. De andere opties zijn hybride processen met in aantocht en breien en discontinue vezels toevoegen . Dan gaan we nog duurzamere materialen gebruiken , waaronder biomaterialen en spinrag. Er is een enorme hybride machine beweging komt. Je kunt dan je droom synthetiseren door op een knop te drukken.”

Er is ook een weg vooruit waar de systemen samenwerken om continu te verbeteren. "Met de generatieve ontwerpbenadering van het berekenen van de ontwerpruimte in plaats van het tekenen van een enkel ontwerpconcept, is het geen nieuwe FEA-iteratie als je iets verandert, omdat de ruimte al volledig is berekend", legt Moruzzi uit. Machine learning wordt al geïntegreerd in productiesystemen voor composieten. Dit zal geleerde lessen . mogelijk maken om terug te worden ingevoerd in de generatieve ontwerpsoftware voor toepassing op toekomstige iteraties van het ontwerp.

(Dit concept werd besproken in mijn blog over de productielijnen die worden ontwikkeld voor thermohardende composieten in het ZAero-project en door Airborne, SABIC en Siemens voor thermoplastische composieten.)

Volledige openbaarmaking, er zijn andere generatieve ontwerpplatforms die er zijn. Dassault Systèmes besprak eigenlijk "Functioneel generatief ontwerp" in de column van 2016 voor CW , "Het vergroten van de industriële acceptatie van additieve fabricage van composieten".

Er zijn ook andere bedrijven die vooruitgang boeken met 3D-printen met continue vezels en/of sensoren, waaronder:

• Anisoprint (Rusland)
• Arevo
• Koolstoffabriek bij ETH Zürich
• MarkForged
• McNair Center, Universiteit van South Carolina
• moi composieten
• Orbitale composieten
• Shanghai Universiteit
• Tokyo University of Science en Nihon University
  http://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf