Design Generativo e Impressão 3D:A Fabricação do Amanhã

O projeto generativo é uma ferramenta de software que permite que engenheiros e designers abordem os problemas de projeto de maneiras mais inovadoras e eficientes. Algoritmos de design generativo exploram todas as soluções de design possíveis, definindo objetivos e restrições, oferecendo aos engenheiros inúmeras opções para explorar .

Embora ainda esteja em sua infância, o design generativo tem mostrado um potencial notável para aplicações industriais, particularmente quando acoplado à impressão 3D. Juntos, o design generativo e a impressão 3D podem alcançar mais flexibilidade de design, ao mesmo tempo que criam peças mais leves e resistentes.

Hoje, veremos os benefícios e os desafios atuais do uso de design generativo, especialmente quando associado à impressão 3D. Também exploraremos alguns dos softwares de design generativo mais populares usados ​​com impressão 3D e daremos uma olhada nas empresas que estão aproveitando a tecnologia de design generativo para impulsionar a inovação.

O que é design generativo?

O design generativo é uma tecnologia relativamente nova. Como acontece com qualquer nova tecnologia, ainda falta um consenso da indústria em torno de sua definição. Apesar disso, parece haver duas maneiras principais de olhar para o design generativo:ou como um termo amplo que abrange a otimização da topologia ou como uma tecnologia totalmente distinta.

Uma visão comum de design generativo o descreve como uma tecnologia que faz uso de computação poderosa para auxiliar no processo de design.

Aqui está uma visão passo a passo de como funciona o design generativo:

1. Definir parâmetros

O projetista especifica e define os parâmetros para o projeto da peça, com base em parâmetros como peso, material, tamanho, custo, resistência e métodos de fabricação.

2 Gerar designs

O software de design generativo usa algoritmos para explorar e gerar milhares de opções de design. Nesta fase, o software também pode usar algoritmos alimentados por IA para analisar cada projeto e estabelecer os projetos mais eficientes.

3. Selecione as melhores opções
O projetista pode então estudar esses projetos e selecionar os resultados que melhor atendam ao objetivo do projeto.

Para determinar a geometria do projeto, os algoritmos de projeto generativos podem usar uma gama de abordagens diferentes, como como otimização de topologia, biomimética e morfogênese.

A principal diferença entre essas abordagens é que os algoritmos de otimização de topologia normalmente começam com um projeto pré-existente e removem o material dele para reduzir o peso da peça.

Biomimética e morfogênese, em contraste, imitam a abordagem evolucionária da natureza ao design, como o crescimento de raízes e galhos em árvores, ou a evolução de estruturas ósseas, usando isso para gerar opções de design.

Os benefícios do design generativo

Quando usado com impressão 3D, os benefícios podem ser expandidos para incluir custos de fabricação reduzidos e produtividade aumentada. Identificamos três vantagens principais:

1. Opções de design inovador

O software de design generativo pode produzir geometrias que vão além do que os humanos podem conceber, aumentando assim as capacidades humanas no design de produtos.

2. Leveza

Ferramentas de projeto generativas fornecem aos engenheiros os recursos para criar peças leves usando a quantidade mínima de material necessário, ao mesmo tempo que cumprem os requisitos de engenharia.

3. Consolidação de peças

O projeto generativo pode fornecer soluções para consolidar subconjuntos em uma única peça. A consolidação de peças simplifica o processo de montagem, manutenção e pode reduzir os custos gerais de fabricação.

Por que o design generativo se encaixa perfeitamente na impressão 3D?

O software de design generativo ajuda a conceituar peças com formas orgânicas complexas. A impressão 3D, por outro lado, talvez seja a tecnologia ideal para dar vida a essas formas, uma vez que não só é capaz de criar geometrias complexas, mas também de maneira econômica. Com a fabricação tradicional, a produção desses formatos pode muitas vezes ser impraticável, senão impossível, devido aos altos custos ou às limitações da tecnologia.

No entanto, seria enganoso afirmar que o design generativo é limitado a apenas manufatura aditiva, embora em muitos casos a tecnologia seja o método de produção ideal. Com alguns pacotes de software de design generativo, você pode especificar métodos de fabricação como usinagem CNC, fundição ou moldagem por injeção, além de AM.

Os desafios do design generativo

Atualmente, o design generativo está em um estágio inicial de desenvolvimento, o que significa que os primeiros usuários podem se deparar com certos desafios.

Nº 1:Curva de aprendizado

Por exemplo, definir com precisão um problema de design em termos computáveis, que o software de design generativo tem que resolver, envolverá uma curva de aprendizado íngreme. Engenheiros sem experiência em expressar o problema de projeto como um conjunto de parâmetros podem acabar com restrições estruturais ou cargas vagamente definidas, o que acabará resultando em um projeto malsucedido.

# 2:Espaço entre o design e a fabricação

Outro ponto a considerar com design generativo é que designs eficientes nem sempre podem ser fabricados de forma eficiente. Por exemplo, em um estudo de caso da Renishaw, os engenheiros otimizaram topologicamente uma manivela de suspensão. Eles não levaram em consideração a capacidade de fabricação da peça otimizada. Isso resultou em um projeto que exigia a impressão de muitos suportes, ao passo que uma boa prática é projetar peças com o mínimo possível de suportes.

# 3:Geometrias desafiadoras

Além disso, os designs criados com a ajuda de ferramentas de design generativas podem criar geometrias que são desafiadoras até mesmo para a impressão 3D. Elementos salientes e paredes finas são apenas alguns exemplos disso. No entanto, novas ferramentas de projeto generativas fornecem opções que permitem ao usuário especificar dados de fabricação adicionais, como ângulos de projeção e espessura mínima de parede.

Nº 4:Recursos necessários

Por último, as abordagens de design generativo podem ser computacionalmente intensivas e requerem poderosos recursos de computação do hardware. No entanto, mais e mais empresas oferecem software de design generativo que alavanca a computação em nuvem, eliminando a necessidade de investir em hardware caro.

Soluções de software de design generativo para impressão 3D

Embora o mercado de software de design generativo seja novo, já existem vários pacotes de software disponíveis para manufatura aditiva e subtrativa. Nesta seção, daremos uma olhada em algumas das ofertas mais promissoras em design generativo para impressão 3D.

Projeto gerador da Autodesk

A Autodesk tem estado na vanguarda do desenvolvimento de design generativo. Em abril, a empresa lançou sua plataforma Autodesk Generative Design, incorporada ao software de desenvolvimento de produto Fusion 360 Ultimate baseado em nuvem.

Como funciona A plataforma permite que os engenheiros definam os parâmetros do projeto como material, tamanho, peso, resistência, métodos de fabricação e restrições de custo. Notavelmente, o software usa algoritmos baseados em IA, que ajudam a filtrar designs válidos entre uma variedade de opções de design. O software também leva em conta a capacidade de fabricação, permitindo que os projetistas selecionem até dez materiais de manufatura aditivos diferentes para estudar o projeto.

Frustum GENERATE

Frustum, uma jovem empresa fundada em 2014, está procurando se tornar um jogador significativo no campo do design generativo. A oferta da empresa é o software GENERATE - um programa intuitivo para a criação de componentes com topologia otimizada para manufatura aditiva, fresamento e fundição. GENERATE é uma plataforma baseada em nuvem, disponível em três níveis:Gratuito, Profissional e Corporativo.

Como funciona

Em GENERATE, o usuário atribui valores particulares de carga e restrição às faces de uma peça. O programa, movido pelo motor de design generativo TrueSOLIDⓇ de Frustum, então gera um mapa de análise de elemento finito (FEA) de concentrações de tensão. Com este mapa, os usuários podem fazer modificações na geometria da peça, principalmente para reduzir a quantidade de material desnecessário em sua estrutura. O modelo pode ser salvo no formato STL e está pronto para ser impresso em 3D.

No ano passado, a Frustum anunciou uma parceria com a Siemens e, atualmente, a tecnologia está comercialmente licenciada para o software Siemens PLM e integrada ao Siemens NX e Siemens SolidEdge.

Desktop Metal's Live Parts ™

O grupo de pesquisa DM Lab da Desktop Metal, fabricante norte-americano de sistemas AM de metal, anunciou recentemente sua tecnologia experimental chamada Live Parts ™.

Como funciona

A plataforma de design generativo Live Parts ™ usa algoritmos inspirados na natureza que fazem com que as peças "cresçam" com base em um conjunto de parâmetros predeterminados, como tamanho, propósito e peso. O programa cria um design desenvolvendo-o de uma célula-semente em uma estrutura otimizada, que é forte, leve e resistente à fadiga. O processo de 'crescimento' de uma peça normalmente leva entre 5 e 5 minutos, dependendo do tamanho de um modelo.

Design generativo na prática

Embora os produtos com design generalizado estejam longe de se tornarem populares, eles representam uma grande promessa para as indústrias de alto valor, como aeroespacial, automotiva e médica. Para serem as primeiras a colher os benefícios de produtos com design generativo e manufaturados de forma aditiva, algumas empresas desses setores já começaram a investigar a combinação de ambos.

Automotivo




Por exemplo, com impressão 3D e design generativo, a Bugatti Automobiles inovou o sistema de controle de asa real para o carro superesportivo Chiron de 1.500 PS em um projeto de teste do software de design generativo da Siemens.

Utilizando a plataforma Siemens NX, a montadora conseguiu otimizar o peso da montagem, que foi então impressa em 3D em titânio e fibra de carbono. Essa abordagem levou a uma redução de peso de mais de 50%.

A General Motors é outro fabricante de automóveis que explora as possibilidades de design generativo e impressão 3D para seus produtos futuros, usando o software de design generativo Autodesk.

“Na GM, vemos um grande potencial para design generativo combinado com processos de manufatura aditiva para permitir designs de peças leves com os critérios de desempenho que esperamos,” diz Kevin Quinn, diretor de manufatura aditiva da General Motors.



Por enquanto, a GM não imprime em 3D peças projetadas de forma genérica para produção, focando na prova de conceito. Por exemplo, em um projeto inicial, a GM usou o software Autodesk para produzir mais de 150 opções de design de um suporte de assento. Eles eram 40% mais leves e 20% mais fortes do que o suporte atualmente em uso. A empresa também foi capaz de consolidar os oito componentes diferentes do suporte em uma peça impressa em 3D.

Mesmo assim, uma empresa automotiva atingiu um marco com peças impressas em 3D com design generoso e produção em massa. A BMW apresentou recentemente seu premiado suporte de teto para o BMW i8 roadster. Os engenheiros da BMW usaram a otimização da topologia para minimizar a quantidade de material necessária na peça e, em seguida, imprimiram a peça em 3D em titânio. A otimização da topologia não só levou a uma redução de peso de 44%, mas também criou um design que não exigiu estruturas de suporte durante o processo de impressão 3D.

Médico

No setor médico, o design generativo pode ser usado para criar implantes que reproduzem a natureza porosa do osso humano. NuVasive, uma empresa médica com sede nos Estados Unidos, usa seu software proprietário de otimização de projeto para criar implantes de titânio. O software permite projetos reticulados, assimétricos e leves, que só são possíveis com a manufatura aditiva.

Olhando para o futuro:o futuro do design generativo

Exemplos de design generativo usados ​​em todos os setores estão se tornando mais comuns, à medida que a tecnologia é cada vez mais integrada aos fluxos de trabalho de design de produto. Embora ainda seja uma tecnologia relativamente nova, ela já oferece aos engenheiros uma maneira inteiramente nova de ver o design do produto.

Embora a IA e o aprendizado de máquina tenham sido responsáveis ​​por grande parte do progresso recente na tecnologia de design generativo, a manufatura aditiva também desempenhou um papel fundamental na adoção de software de design generativo. Com mais avanços em aprendizado de máquina, recursos de computação em nuvem e AM, espere que a tecnologia de design generativa siga em frente, tornando-se um fator-chave no futuro da manufatura.