Design Generativo e Deposição Contínua de Fibra 3D: Inovação Impulsionada por IA

 

O design generativo replica a abordagem evolutiva da natureza combinando inteligência artificial (IA) — especificamente algoritmos avançados de otimização — e computação em nuvem para fornecer milhares de soluções para um problema de engenharia. "Esta não é mais desenho, mas sim descrever o problema de design comunicando restrições", explica Massimiliano (Max) Moruzzi do grupo de Ciência Computacional da Autodesk Research (e auto-proclamado evangelista de manufatura de materiais avançados). Aqui estão alguns dos projetos que a Autodesk está apoiando:

   

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

FONTE: MX3D

Continuous Composites, Autodesk e Comau imprimiram compósitos de fibra contínua termofixa in-situ honeycomb e estruturas de ponte auto-suportadas (ex: epóxi)  FONTE: Autodesk

"O design generativo oferece uma gama muito mais ampla de possibilidades de otimização e design", diz Moruzzi.

Em vez de começar com um desenho ou geometria preconcebida, você define o problema que deseja resolver — cargas, restrições espaciais, materiais, métodos de manufatura, restrições de custo. O software de design generativo então explora todas as permutções possíveis, gerando numerosas alternativas de design, testando e aprendendo com cada iteração. Você escolhe o design que melhor se adapta aos seus requisitos.

 

O design generativo é "a próxima geração de CAD". Moruzzi explica: "Usando matemática de alto nível e um conjunto de diferentes otimizadores, criamos uma nova forma de definir forma geométrica baseada em síntese numérica. Sistemas CAD hoje ainda são apenas desenho digital. Mas com design generativo, alcançamos mais ou menos o que Leonardo Da Vinci sugeriu: 'um problema bem construído fornece soluções otimizadas'. Agora focamos em descrever a solução que queremos. Então é um processo e plataforma orientados a objetivos que permite ao engenheiro sintetizar todo o espaço de design."

Um resultado desta mudança de paradigma, ele nota, é que forma e funcionalidade são incluídas na estrutura. "O material é uma parte disso", Moruzzi argumenta. "O material anteriormente funcionava para suportar qualquer objetivo geométrico que o designer visava. Mas com design generativo, agora adicionamos o processo de manufatura e o material no design para que ambos agora façam parte da análise para forma geométrica ótima."

 

Estruturas inteligentes

À medida que a Autodesk começou a desenvolver design generativo, Moruzzi diz que isso despertou uma jornada para manufatura avançada. "Estamos focando em tecnologia que pode incorporar materiais avançados e materiais inteligentes para capturar todos os benefícios do design generativo." Ele afirma que compósitos reforçados com fibra igualaram materiais isotrópicos como aço e alumínio e agora os estão superando porque compósitos podem incorporar funcionalidade. "Mas não entendemos totalmente a complexidade destes materiais, então 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 tanto cargas estruturais quanto funcionais — como blindagem magnética, gradiente de temperatura, vibração, etc."

  

A Autodesk trabalhou com a Airbus para criar a "partição biônica" para o A320 usando design generativo e impressão 3D metálica. Uma quantidade significativa do trabalho da Autodesk foi em metais, mas Moruzzi vê o futuro em compósitos reforçados com fibra. FONTE: Autodesk.

Moruzzi vê que compósitos reforçados com fibra e design generativo são simbióticos, ajudando um ao outro a se atualizar e expandir. "Hoje definimos a física e as propriedades do material do compósito e então usamos FEA para resolver o problema de design", ele explica. "Mas isto é inverso. A natureza não cria a árvore e depois a madeira." O design generativo combina o processo da natureza, e, por sua vez, permite compósitos a também. "Agora o material e sua colocação podem ser impulsionados pelas cargas estruturais e funcionalidade", diz Moruzzi. "Isto levará a novos materiais funcionais e processos de manufatura aumentados."

No entanto, Moruzzi afirma que, até agora, não houve um processo automatizado para colocar compósitos reforçados com fibra que pudesse incorporar função na peça facilmente. Ele diz isso tendo projetado sistemas de colocação automatizada de fibra (AFP) no passado, trabalhando para a Ingersoll no início dos anos 2000 com empresas como Boeing, Lockheed e Laboratório Lamborghini 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 da indústria e OEMs. "Através destes projetos, podemos levar os benefícios da anisotropia a um nível diferente. Não é apenas uma questão de atualizar formas biônicas e biomiméticas. O objetivo é criar estruturas vivas com um sistema nervoso que pode sentir e comunicar, o potencial real para aeronaves, carros e edifícios inteligentes. Estes não são possíveis com metais tradicionais."

 

FONTE: Continuous Composites e Autodesk.

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

"Comecei a apresentar uma visão para compósitos impressos em 3D porque você não precisa de ferramentas, você sintetiza a peça", diz Moruzzi. "Continuous Composites pode imprimir com fibras contínuas, fios e fibras ópticas, então posso incorporar um sistema neural nas estruturas. O material também é impregnado na hora. Então este tipo de manufatura combina com o que o design generativo apresenta como solução."

 

Livrea Yacht correrá o primeiro iate impresso em 3D do mundo na regata Mini-Transat de 2019.
FONTE: Autodesk

Moruzzi vai ainda mais longe, explicando que, em última análise, este tipo de manufatura avançada requer um ecossistema, que inclui uma cadeia de suprimentos para como estas estruturas inteligentes podem ser fabricadas. "Livrea Yacht é uma parte diferente deste ecossistema", diz Moruzzi. Outra das empresas com as quais Moruzzi está trabalhando, a Livrea Yacht está construindo o primeiro veleiro impresso em 3D do mundo, que competirá na regata transatlântica solo Mini-Transat de 2019. (Para mais detalhes, leia o blog de Scott Francis sobre este projeto). "Toda nova tecnologia e avanço requer investimento, então é importante educar sobre por que este investimento vale a pena. Você também precisa criar engajamento." Ele nota que, tradicionalmente, novos materiais e manufatura geraram entusiasmo através de carros de corrida, barcos de corrida e naves espaciais. "Livrea é um barco de corrida que cruzará o Atlântico, tem uma forma de design generativo muito interessante que também alcança leveza, e é feito usando impressão 3D sem molde. Podemos usar isso como um canal poderoso para transmitir o que está por vir com design generativo."

 

Futuro da Manufatura

Ele afirma que existem outros projetos, por exemplo na indústria da construção, que ele não pode discutir mas que ilustrarão ainda mais o poder do que é possível. No entanto, Moruzzi proclama que o futuro de compósitos e design generativo não é apenas impressão 3D. "E não acho que temos a máquina final ainda também", ele adiciona. "O cliente quer uma solução."

Moruzzi diz que quando começou em compósitos há 15 anos, olhou para a indústria de tecidos e têxteis. "A estrutura mais avançada é o têxtil em si porque adiciona funcionalidade além de desempenho estrutural. Pode te deixar quente ou frio, pode ser elástico ou não, pode tomar uma forma ou restringir, encolher ou expandir. Você pode programá-lo de qualquer forma que quiser." Ele vê que o design de máquinas de tecelagem vai mudar. "Agora, é limitado por uma tabela de lookup, então eu só estou construindo alguns conjuntos de designs diferentes [tecidos]. Mas vamos sincronizar o design generativo e o que o têxtil estrutural será. Então a manufatura generativa não será apenas impressão 3D. As outras opções serão processos híbridos com tecelagem e malharia e adição de fibra descontínua. Então começaremos a usar materiais ainda mais sustentáveis, incluindo biomateriais e seda de aranha. Existe um movimento enorme de máquina híbrida vindo. Você poderá então sintetizar seu sonho apertando um botão."

Também existe um caminho adiante 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 qualquer coisa, não é outra iteração de FEA porque o espaço já está totalmente computado", Moruzzi explica. Aprendizado de máquina já está sendo integrado em sistemas de manufatura de compósitos. Isso permitirá que lições aprendidas sejam realimentadas no software de design generativo para aplicação a futuras iterações do design.

(Este conceito foi discutido no meu blog sobre linhas de produção sendo desenvolvidas para compósitos termofixos no projeto ZAero e pela Airborne, SABIC e Siemens para compósitos termoplásticos.)

Divulgação total, existem outras plataformas de design generativo por aí. A Dassault Systèmes na verdade discutiu "Design Generativo Funcional" em sua coluna de 2016 para a CW, "Aumentando a adoção industrial de manufatura aditiva de compósitos".

Também existem outras empresas avançando impressão 3D com fibra contínua e/ou sensores incluindo:

• Anisoprint (Rússia)
• 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