Design gerador e deposição contínua de fibra 3D

O design generativo replica a abordagem evolucionária da natureza combinando inteligência artificial (IA) - algoritmos de otimização especificamente avançados - e computação em nuvem para fornecer milhares de soluções para um problema de engenharia. “Isto não é mais um esboço , mas em vez disso, descrevendo o problema de design comunicando restrições , ”Explica Massimiliano (Max) Moruzzi, do grupo de Ciência da Computação da Autodesk Research (e autoproclamado evangelista de fabricação de materiais avançados). Aqui estão alguns dos projetos que a Autodesk está apoiando:

Resina MX3D ( topo) e MX3D em metais
(TU Delft)

FONTE:MX3D
Compostos Contínuos, A Autodesk e a Comau imprimiram compostos de fibra contínua termofixa in-situ em favo de mel e estruturas de ponte auto-suportadas (por exemplo, epóxi) FONTE:Autodesk
“O design generativo oferece uma gama muito mais ampla de otimização e possibilidades de design ”, afirma Moruzzi.

Em vez de começar com um desenho ou geometria pré-concebida, você define o problema que você deseja resolver - cargas, restrições espaciais, materiais, métodos de fabricação, restrições de custo. O software de design generativo então explora todos das permutações possíveis , gerando inúmeras alternativas de design , testando e aprendendo com cada iteração. Você escolhe o design que melhor se adapta às suas necessidades.

O design generativo é “a próxima geração do CAD ”. Moruzzi explica, “Usando matemática de alto nível e um conjunto de diferentes otimizadores, criamos uma nova maneira de definir a forma geométrica com base na síntese numérica . Os sistemas CAD de hoje ainda são apenas desenhos digitais. Mas com design generativo, alcançamos mais ou menos o que Leonardo Da Vinci sugeriu:"um problema bem construído fornece soluções otimizadas ’. Agora nos concentramos em descrever a solução que desejamos. Portanto, é um processo e uma plataforma orientados a objetivos que permitem ao engenheiro sintetizar o todo o espaço de design . ”

Um resultado dessa mudança de paradigma, observa ele, é que a forma e a funcionalidade estão incluídas na estrutura. “O material é uma parte disso”, afirma Moruzzi. “Material funcionava anteriormente para apoiar qualquer objetivo geométrico que o designer almejava. Mas com o design generativo, agora adicionamos no processo de fabricação e material no projeto para que ambos agora façam parte da análise para a forma geométrica ideal. ”

Estruturas inteligentes

Quando a Autodesk começou a desenvolver um projeto generativo, Moruzzi diz que isso deu início a uma jornada para a fabricação avançada . “Estamos nos concentrando em tecnologia que pode incorporar materiais avançados e materiais inteligentes para capturar todos os benefícios do design generativo. ” Ele afirma que os compósitos reforçados com fibras combinaram materiais isotrópicos como aço e alumínio e agora os estão superando porque os compósitos podem incorporar funcionalidade . “Mas não entendemos totalmente a complexidade desses materiais, por isso usamos critérios de falha que são restritivos. O resultado é que forçamos materiais compósitos em uma forma. Mas para ser totalmente otimizado, o material deve seguir ambas as cargas estruturais e funcionais - como blindagem magnética, gradiente de temperatura, vibração, etc. ”

Autodesk trabalhou com Airbus para criar o “ partição biônica ”para o A320 usando design generativo e impressão 3D metálica. Uma parte significativa do trabalho da Autodesk tem sido em metais, mas Moruzzi vê o futuro em compósitos reforçados com fibra. FONTE:Autodesk.


Moruzzi vê que compósitos reforçados com fibra e o design generativo é simbiótico , ajudando uns aos outros a se atualizar e expandir. “Hoje definimos a física e as propriedades do material do composto e, em seguida, usamos o FEA para resolver o problema de design”, explica ele. “Mas isso é ao contrário . A natureza não cria a árvore e então a Madeira." O design generativo corresponde ao processo da natureza e, por sua vez, permite compostos para também. “Agora, o material e sua colocação pode ser impulsionado pelas cargas estruturais e funcionalidade ”, diz Moruzzi. “Isso levará a novos materiais funcionais e processos de manufatura aumentados . ”

No entanto, Moruzzi afirma que, até o momento, não houve um processo automatizado para colocar compósitos reforçados com fibra que poderiam funcionar incorporados na parte facilmente. Ele diz isso ter projetado a colocação automática de fibra (AFP) sistemas no passado, trabalhando para a Ingersoll no início de 2000 com empresas como Boeing, Lockheed e Lamborghini Lab em Seattle, WA. Seus projetos com empresas como MX3D e Continuous Composites são parte de uma estratégia para demonstrar o que é possível para líderes do setor e OEMs. “Por meio desses projetos, podemos levar os benefícios da anisotropia a um nível diferente . Não é apenas uma questão de atualizar as formas biônicas e biomiméticas. O objetivo é criar estruturas vivas com um sistema nervoso que pode sentir e se comunicar, o potencial real para aeronaves, carros e edifícios inteligentes. Isso não é possível com metais tradicionais. ”

FONTE:Contínuo Compósitos e Autodesk.

Sensores impressos no leme exibidos pela Continuous Composites na AutoDesk University 2017 coletaram 5 Gigabytes de dados ao longo de 2 dias, rastreando a temperatura, aceleração e mudanças de estresse dos participantes tocando a estrutura. (Leia mais em meu blog sobre Compostos Contínuos.) O MX3D também está imprimindo estruturas com sensores incorporados.

“Comecei a apresentar uma visão para composições impressas em 3D porque você não precisa de ferramentas, você sintetiza a peça ”, diz Moruzzi. “Compostos contínuos podem imprimir com fibras contínuas, fios e fibra óptica, para que eu possa incorporar um sistema neuro nas estruturas . O material também é impregnado na hora. Portanto, este tipo de fabricação corresponde o que o design generativo apresenta como uma solução. ”

Livrea Yacht irá corra o primeiro iate impresso em 3D do mundo na corrida de iates Mini-Transat 2019.
FONTE:Autodesk

Moruzzi vai ainda mais longe, explicando que, em última análise, esse tipo de manufatura avançada requer um ecossistema, que inclui uma cadeia de suprimentos de como essas estruturas inteligentes podem ser fabricadas. “Livrea Yacht é uma parte diferente desse ecossistema”, diz Moruzzi. Outra das empresas com a qual Moruzzi está trabalhando, a Livrea Yacht está construindo o primeiro veleiro impresso em 3D do mundo, que vai competir na corrida de iates transatlânticos solo Mini-Transat 2019. (Para mais detalhes, leia o blog de Scott Francis sobre este projeto). “Todas as novas tecnologias e avanços requerem investimento, por isso é importante educar sobre por que esse investimento vale a pena. Você também precisa criar engajamento ”. Ele observa que, tradicionalmente, novos materiais e manufatura geraram entusiasmo por meio de carros de corrida, barcos de corrida e naves espaciais. “O Livrea é um barco de corrida que vai atravessar o Atlântico, tem uma forma de desenho generativo muito interessante e também torna-se leve, e é feito em impressão 3D sem molde. Podemos usar isso como um canal poderoso para transmitir o que está por vir com o design generativo. ”

Futuro da Manufatura

Ele afirma que existem outros projetos , por exemplo na indústria de construção , que ele não pode discutir, mas que ilustrará ainda mais o poder do que é possível. No entanto, Moruzzi proclama que o futuro dos compostos e do design generativo não é apenas a impressão 3D . “E não acho que ainda temos a máquina final”, acrescenta. “O cliente não quer um sistema CAD / CAM ou máquina específica. O cliente quer uma solução . ”

Moruzzi diz que quando começou na área de compósitos, há 15 anos, olhou para a indústria de tecidos e tecidos. “A estrutura mais avançada é o têxtil em si porque adiciona funcionalidade, bem como desempenho estrutural. Pode deixar você com calor ou frio, pode ser elástico ou não, pode tomar uma forma ou restringir, encolher ou expandir. Você pode programá-lo da maneira que quiser. ” Ele vê que o design de máquinas de tecer vai mudar . “No momento, é limitado por uma mesa de pesquisa, de modo que estou construindo apenas alguns conjuntos de designs [tramas] diferentes. Mas vamos sincronizar o design generativo e o que será o têxtil estrutural. Então, manufatura generativa não será apenas impressão 3D. As outras opções serão processos híbridos com iminente e tricô e adicionar fibra descontínua . Então, começaremos a usar ainda materiais mais sustentáveis ​​ , incluindo biomateriais e seda de aranha. Existe uma enorme máquina híbrida movimento vindo. Você pode então sintetizar seu sonho pressionando um botão. ”

Também há um caminho a seguir onde os sistemas colaboram para melhorar continuamente. “Com a abordagem de design generativo de computar o espaço de design em vez de desenhar um único conceito de design, quando você muda alguma coisa, não é outra iteração FEA porque o espaço já está totalmente computado”, explica Moruzzi. O aprendizado de máquina já está sendo integrado aos sistemas de manufatura de compósitos. Isso permitirá lições aprendidas para ser realimentado no software de design generativo para aplicação em futuras iterações do design.

(Esse conceito foi discutido em meu blog sobre as linhas de produção em desenvolvimento para compósitos termofixos no projeto ZAero e pela Airborne, SABIC e Siemens para compósitos termoplásticos.)

Divulgação completa, existem outras plataformas de design generativas por aí. A Dassault Systèmes realmente discutiu “Design gerador funcional” em sua coluna de 2016 para CW , “Aumentando a adoção industrial da manufatura aditiva de compósitos”.

Existem também outras empresas promovendo a impressão 3D com fibra contínua e / ou sensores, incluindo:

• Anisoprint (Rússia)
• Arevo
• Fábrica de carbono na ETH Zurique
• MarkForged
• McNair Center, University of South Carolina
• composições moi
• Compostos orbitais
• Universidade de Xangai
• Tokyo University of Science e Nihon University
  http://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf