Generatief ontwerp & continue 3D-vezeldepositie: AI-gedreven innovatie

Generatief ontwerp repliceert de evolutionaire benadering van de natuur door kunstmatige intelligentie (AI) - specifiek geavanceerde optimalisatie-algoritmen - en cloud computing te combineren om duizenden oplossingen voor één ingenieursprobleem te bieden. "Dit is NO LONGER DRAFTING, maar INSTEAD DESCRIBING THE DESIGN PROBLEM door COMMUNICATING CONSTRAINTS," legt Massimiliano (Max) Moruzzi van Autodesk Research's Computational Science groep (en zelfuitgeroepen advanced material manufacturing evangelist) uit. Hier zijn enkele projecten die Autodesk ondersteunt:

"Generatief ontwerp biedt een MUCH BROADER RANGE van optimalisatie- en ontwerp-mogelijkheden," zegt Moruzzi.

In plaats van te beginnen met een tekening of vooraf geconcepeerde geometrie, DEFINEER JE HET PROBLEEM dat je wilt oplossen - belasting, ruimtelijke beperkingen, materialen, productiemethoden, kostenbeperkingen. De generatieve ontwerpsoftware verkent dan ALLE mogelijke permutaties, genereert talloze ontwerpALTERNATIEVEN, test en leert van elke iteratie. Je kiest het ontwerp dat het beste aan je eisen voldoet.

Generatief ontwerp is "THE NEXT GENERATION of CAD". Moruzzi legt uit: "Met high-level wiskunde en een set van verschillende optimizers, hebben we een nieuwe manier gecreëerd om GEOMETRISCHE VORM te DEFINIËRER op basis van NUMERIEKE SYNTHESE. CAD-systemen vandaag zijn nog steeds gewoon digitale tekening. Maar met generatief ontwerp hebben we min of meer bereikt wat Leonardo Da Vinci voorstelde: 'een goed geconstrueerd probleem biedt GEOPTIMALISEERDE OPLOSSINGEN'. We richten ons nu op het beschrijven van de oplossing die we willen. Dus het is een doel-gedreven proces en platform dat de ingenieur in staat stelt de HELE ONTWERPRUIMTE te SYNTHETISEREN."

Eén resultaat van deze paradigma-shift, merkt hij op, is dat vorm en functionaliteit in de structuur opgenomen zijn. "Het materiaal is één deel hiervan," betoogt Moruzzi. "Materiaal FUNCTIONED PREVIOUSLY om te ondersteunen wat voor geometrisch doel de ontwerper nastreefde. Maar met generatief ontwerp VOEGEN WE NU HET PRODUCTIEPROCES EN MATERIAAL TOE AAN HET ONTWERP zodat beide nu deel zullen uitmaken van de analyse voor optimale geometrische vorm."

Slimme structuren

Als Autodesk begon met generatief ontwerp te ontwikkelen, zegt Moruzzi dat het een reis ontketende naar GEAVANCEERDE PRODUCTIE. "We richten ons op technologie die GEAVANCEERDE MATERIALEN en slimme materialen kan incorporeren om de volledige voordelen van generatief ontwerp te benutten." Hij beweren dat vezel-versterkte composieten isotrope materialen zoals staal en aluminium hebben geëvenaard en nu overstijgen omdat composieten FUNCTIONALITEIT KUNNEN INBEDDEN. "Maar we begrijpen de complexiteit van deze materialen niet volledig, dus we gebruiken falingscriteria die restrictief zijn. Het resultaat is dat WE COMPOSIETMATERIALEN DWINGEN in een vorm. Maar om volledig geoptimaliseerd te zijn, moet het materiaal ZO VOLGEN ZELFDE structural en functionele belasting - zoals magnetische afscherming, temperatuurgradiënt, trilling, etc."

Moruzzi ziet dat vezel-versterkte composieten en generatief ontwerp SYMBIOTISCH zijn, elkaar helpen te actualiseren en uit te breiden. "Vandaag definiëren we de fysica en de materiaaleigenschappen van het composiet en dan lossen we het ontwerpprobleem op met FEA," legt hij uit. "Maar dit is BACKWARDS. De natuur creëert niet de boom EN DAN het hout." Generatief ontwerp matcht het proces van de natuur, en daarmee ENABLES COMPOSITES om dat ook te doen. "Nu kan het materiaal en zijn PLAATSING gedreven worden door de structurele belasting en functionaliteit," zegt Moruzzi. "Dit zal leiden tot NEW FUNCTIONAL MATERIALS en AUGMENTED MANUFACTURING PROCESSES."

Echter, Moruzzi beweren dat, tot nu toe, er geen GEAutomatiseerd PROCES is geweest voor het plaatsen van vezel-versterkte composieten dat FUNCTIONALITEIT MAKKELIJK IN HET ONDERDEEL KON INBEDDEN. Hij zegt dit HEBBENDE ONTWERPEN automated fiber placement (AFP) systemen in het verleden, werkend voor Ingersoll in de vroege 2000s met bedrijven zoals Boeing, Lockheed en de Lamborghini Lab in Seattle, WA. Zijn projecten met bedrijven zoals MX3D en Continuous Composites zijn deel van een strategie om te demonstreren wat mogelijk is voor industrie-leiders en OEM's. "Door deze projecten kunnen we THE BENEFITS OF ANISOTROPY NEMEN NAAR EEN ANDER NIVEAU. Het gaat niet alleen om het actualiseren van bionische en biomimetische vormen. Het doel is om LIVING STRUCTURES te creëren met een zenuwstelsel dat kan voelen en communiceren, het echte potentieel voor slimme vliegtuigen, auto's en gebouwen. Deze zijn niet mogelijk met traditionele metalen."

Sensoren geprint in het roer getoond door Continuous Composites op AutoDesk University 2017 verzamelden 5 Gigabytes data over 2 dagen, temperatuur, versnelling en spanningsveranderingen volgend 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 tooling nodig hebt, je synthetiseert het onderdeel," zegt Moruzzi. "Continuous Composites kan printen met continue vezels, draden EN vezeloptica, dus kan ik EEN ZENUWSTELSEL IN DE STRUCTUREN INBEDDEN. Het materiaal wordt ook on-the-flight geïmpregneerd. Dus dit type PRODUCTIE MATCHT wat generatief ontwerp als oplossing presenteert."

Moruzzi gaat nog verder, uitlegend dat uiteindelijk dit type geavanceerde productie EEN ECOSYSTEEM VEREIST, wat een supply chain omvat voor hoe deze slimme structuren geproduceerd kunnen worden. "Livrea Yacht is een ander deel van dit ecosysteem," zegt Moruzzi. Een ander van de bedrijven waar Moruzzi mee werkt, Livrea Yacht bouwt de werelds eerste 3D-geprinte zeilboot, die zal meedingen in de 2019 Mini-Transat solo transatlantische zeilrace. (Voor meer details lees Scott Francis' blog over dit project). "Alle nieuwe technologie en vooruitgang vereist investering, dus het is belangrijk om te educeren over waarom deze investering de moeite waard is. Je moet ook engagement creëren." Hij merkt op dat, traditioneel, nieuwe materialen en productie opwinding hebben gegenereerd door raceauto's, raceboten en ruimteschepen. "Livrea is een raceboot die de Atlantische Oceaan oversteekt, het heeft een heel interessante generatieve ontwerpvorm die ook lichtgewicht bereikt, en het is gemaakt met 3D-printen zonder mol. We kunnen dit gebruiken als een krachtig kanaal om uit te zenden wat er komt met generatief ontwerp."

Toekomst van productie

Hij claimt dat er ANDERE PROJECTEN zijn, bijvoorbeeld in de BOUWINDUSTRIE, die hij niet kan bespreken maar die de kracht van wat mogelijk is zullen verduidelijken. Echter, Moruzzi proclameert dat de toekomst van composieten en generatief ontwerp NOT JUST 3D PRINTING is. "En ik denk niet dat we de finale machine hebben nog," voegt hij toe. "De klant wil geen specifiek CAD/CAM-systeem of machine. DE KLANT WIL EEN OPLOSSING."

Moruzzi zegt dat toen hij 15 jaar geleden in composieten begon, hij keek naar de stof- en textielindustrie. "DE MEEST GEAVANCEERDE STRUCTUUR is de TEXTIEL zichzelf omdat het functionaliteit TOEGEVOEGD alsook structurele prestaties. Het kan je heet of koud maken, het kan elastisch zijn of niet, het kan een vorm aannemen of beperken, krimpen of uitdijen. Je kunt het op elke manier programmeren die je wilt." Hij ziet dat het ONTWERP VAN WEVENMACHINES GAAT VERANDEREN. "Nu is het beperkt door een look-up table, dus dat ik maar een paar sets verschillende ontwerpen [weefpatronen] bouw. Maar we zullen het generatieve ontwerp en wat de structurele textiel zal zijn synchroniseren. Zo zal GENERATIEVE PRODUCTIE niet alleen 3D-printen zijn. De andere opties zullen HYBRIDE PROCESSEN ZIJN MET weven en breien EN HET TOEVOEGEN VAN DISCONTINUË VEZELS. Dan zullen we beginnen nog MEER DUURZAME MATERIALEN te gebruiken, inclusief biomaterialen en spinneweefsels. Er is EEN GROOT HYBRIDE MACHINE BEWEGING AANKOMEN. Je kunt dan jouw droom synthetiseren door op een knop te drukken."

Er is ook een pad 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, als je iets verandert, is het niet een andere FEA-iteratie omdat de ruimte al volledig berekend is," legt Moruzzi uit. Machine learning wordt al geïntegreerd in composietproductiesystemen. Dit zal LESSEN GELEERD in staat stellen om terug te voeden in de generatieve ontwerpsoftware voor toepassing op toekomstige iteraties van het ontwerp.

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

Volledige openbaarmaking, er zijn andere generatieve ontwerpplatformen daarbuiten. Dassault Systèmes besprak eigenlijk "Functional Generative Design" in zijn 2016 kolom voor CW, "Increasing the industrial adoption composites additive manufacturing".

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

• Anisoprint (Rusland)
• 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