Generatives Design & Kontinuierliche 3D-Faserablage: KI-getriebene Innovation

 

Generatives Design repliziert die evolutionäre Herangehensweise der Natur, indem es künstliche Intelligenz (KI) – speziell fortgeschrittene Optimierungsalgorithmen – und Cloud-Computing kombiniert, um Tausende von Lösungen für ein Ingenieursproblem bereitzustellen. „Dies ist kein Drafting mehr, sondern stattdessen Beschreibung des Designproblems durch Kommunikation von Constraints“, erklärt Massimiliano (Max) Moruzzi von Autodesk Research's Computational Science Gruppe (und selbsternannter Evangelist für fortschrittliche Materialfertigung). Hier sind einige der Projekte, die Autodesk unterstützt:

   

MX3D Resin (oben) und MX3D in Metallen
(TU Delft)

QUELLE: MX3D

Continuous Composites, Autodesk und Comau haben kontinuierliche Faser-Duroplaste in-situ Waben und selbsttragende Brückenstrukturen gedruckt (z. B. Epoxid)  QUELLE: Autodesk

„Generatives Design bietet einen viel breiteren Bereich an Optimierungs- und Designmöglichkeiten“, sagt Moruzzi.

Anstatt mit einer Zeichnung oder vorgefasster Geometrie zu beginnen, definieren Sie das Problem, das Sie lösen wollen – Lasten, räumliche Constraints, Materialien, Fertigungsmethoden, Kostenconstraints. Die generative Design-Software erforscht dann alle möglichen Permutationen, generiert zahlreiche Design-Alternativen, testet und lernt von jeder Iteration. Sie wählen das Design, das Ihren Anforderungen am besten entspricht.

 

Generatives Design ist „die nächste Generation von CAD“. Moruzzi erklärt: „Mit hochwertiger Mathematik und einem Satz verschiedener Optimierer haben wir einen neuen Weg geschaffen, geometrische Form zu definieren basierend auf numerischer Synthese. CAD-Systeme heute sind immer noch nur digitales Drafting. Aber mit generativem Design haben wir mehr oder weniger erreicht, was Leonardo da Vinci vorschlug: ‚Ein gut konstruiertes Problem liefert optimierte Lösungen‘. Wir fokussieren jetzt auf die Beschreibung der Lösung, die wir wollen. Also ist es ein zielgesteuerter Prozess und eine Plattform, die den Ingenieur befähigt, den gesamten Designraum zu synthetisieren.“

Ein Ergebnis dieses Paradigmenwechsels, merkt er an, ist, dass Form und Funktionalität in der Struktur enthalten sind. „Das Material ist ein Teil davon“, behauptet Moruzzi. „Material funktionierte zuvor dazu, das geometrische Ziel zu unterstützen, auf das der Designer abzielte. Aber mit generativem Design fügen wir jetzt den Fertigungsprozess und das Material in das Design ein, sodass beide jetzt Teil der Analyse für optimale geometrische Form sind.“

 

Intelligente Strukturen

Als Autodesk begann, generatives Design zu entwickeln, sagt Moruzzi, löste es eine Reise in die fortgeschrittene Fertigung aus. „Wir fokussieren auf Technologie, die fortgeschrittene Materialien und intelligente Materialien einbinden kann, um den vollen Nutzen des generativen Designs zu erfassen.“ Er behauptet, dass faserverstärkte Verbundstoffe isotrope Materialien wie Stahl und Aluminium erreicht und nun übertreffen, weil Verbundstoffe Funktionalität einbetten können. „Aber wir verstehen die Komplexität dieser Materialien nicht vollständig, also nutzen wir Versagenskriterien, die restriktiv sind. Das Resultat ist, dass wir Verbundstoffmaterialien in eine Form zwingen. Aber um voll optimiert zu sein, sollte das Material beiden strukturellen und funktionalen Lasten folgen – wie magnetische Abschirmung, Temperaturgradient, Vibration usw.“

   

Autodesk arbeitete mit Airbus an der „bionischen Trennwand“ für den A320 mittels generativem Design und metallischem 3D-Druck. Ein signifikanter Teil von Autodesks Arbeit lag in Metallen, aber Moruzzi sieht die Zukunft in faserverstärkten Verbundstoffen. QUELLE: Autodesk.

Moruzzi sieht, dass faserverstärkte Verbundstoffe und generatives Design symbiotisch sind, sich gegenseitig dabei helfen, zu verwirklichen und zu expandieren. „Heute definieren wir die Physik und die Materialeigenschaften des Verbundstoffs und nutzen dann FEA, um das Designproblem zu lösen“, erklärt er. „Aber das ist rückwärts. Die Natur erschafft nicht den Baum und dann das Holz.“ Generatives Design matcht den Prozess der Natur und ermöglicht es Verbundstoffen umgekehrt, dies ebenfalls zu tun. „Jetzt können das Material und seine Platzierung durch strukturelle Lasten und Funktionalität getrieben werden“, sagt Moruzzi. „Dies wird zu neuen funktionalen Materialien und erweiterten Fertigungsprozessen führen.“

Jedoch behauptet Moruzzi, dass es bis jetzt keinen automatisierten Prozess für das Platzieren faserverstärkter Verbundstoffe gab, der Funktionalität einfach in das Teil einbetten könnte. Er sagt dies, nachdem er automatisierte Faserlege-(AFP)-Systeme entworfen hat, früher für Ingersoll in den frühen 2000ern mit Firmen wie Boeing, Lockheed und dem Lamborghini Lab in Seattle, WA. Seine Projekte mit Firmen wie MX3D und Continuous Composites sind Teil einer Strategie, zu demonstrieren, was für Industrieführer und OEMs möglich ist. „Durch diese Projekte können wir die Vorteile der Anisotropie auf eine andere Ebene heben. Es geht nicht nur darum, bionische und biomimetische Formen zu verwirklichen. Das Ziel ist, lebende Strukturen mit einem Nervensystem zu schaffen, das fühlen und kommunizieren kann, das echte Potenzial für intelligente Flugzeuge, Autos und Gebäude. Das ist mit traditionellen Metallen nicht möglich.“

 

QUELLE: Continuous Composites und Autodesk.

Sensoren, gedruckt in dem von Continuous Composites auf der AutoDesk University 2017 gezeigten Ruder, sammelten 5 Gigabyte Daten über 2 Tage, verfolgten Temperatur-, Beschleunigungs- und Spannungsänderungen durch Berühren der Struktur durch Besucher. (Mehr in meinem Blog über Continuous Composites.) MX3D druckt auch Strukturen mit eingebetteten Sensoren.

„Ich begann, eine Vision für 3D-gedruckte Verbundstoffe zu präsentieren, weil man kein Werkzeug braucht, man synthetisiert das Teil“, sagt Moruzzi. „Continuous Composites kann mit kontinuierlichen Fasern, Drähten und Lichtwellenleitern drucken, so kann ich ein Nervensystem in die Strukturen einbetten. Das Material wird auch on-the-fly imprägniert. So matcht diese Art der Fertigung das, was generatives Design als Lösung präsentiert.“

 

Livrea Yacht wird die weltweit erste 3D-gedruckte Yacht beim 2019 Mini-Transat Yachtrennen fahren.
QUELLE: Autodesk

Moruzzi geht noch weiter und erklärt, dass letztlich diese Art fortschrittlicher Fertigung ein Ökosystem erfordert, das eine Lieferkette umfasst, wie diese intelligenten Strukturen gefertigt werden können. „Livrea Yacht ist ein anderer Teil dieses Ökosystems“, sagt Moruzzi. Ein weiteres der Unternehmen, mit denen Moruzzi arbeitet, baut Livrea Yacht das weltweit erste 3D-gedruckte Segelboot, das am 2019 Mini-Transat Solo-Transatlantik-Yachtrennen teilnehmen wird. (Für Details lesen Sie Scott Francis' Blog zu diesem Projekt). „Alle neuen Technologien und Fortschritte erfordern Investitionen, also ist es wichtig, zu vermitteln, warum diese Investition lohnenswert ist. Man muss auch Engagement schaffen.“ Er merkt an, dass traditionell neue Materialien und Fertigung Begeisterung durch Rennwagen, Rennboote und Raumschiffe erzeugt haben. „Livrea ist ein Rennboot, das den Atlantik überquert, es hat eine sehr interessante generative Designform, die auch Leichtbau erreicht, und es wird mittels 3D-Druck ohne Form hergestellt. Wir können dies als mächtigen Kanal nutzen, um zu verbreiten, was mit generativem Design kommt.“

 

Zukunft der Fertigung

Er behauptet, es gebe andere Projekte, zum Beispiel in der Bauindustrie, die er nicht diskutieren könne, die aber die Macht des Möglichen weiter illustrieren werden. Allerdings proklamiert Moruzzi, die Zukunft von Verbundstoffen und generativem Design sei nicht nur 3D-Druck. „Und ich denke nicht, dass wir die finale Maschine schon haben“, fügt er hinzu. „Der Kunde will kein spezifisches CAD/CAM-System oder Maschine. Der Kunde will eine Lösung.“

Moruzzi sagt, als er vor 15 Jahren in Verbundstoffe einstieg, schaute er auf die Stoff- und Textilindustrie. „Die fortschrittlichste Struktur ist der Textil selbst, weil er Funktionalität sowie strukturelle Leistung hinzufügt. Er kann dich heiß oder kalt machen, elastisch oder nicht, Form annehmen oder einschränken, schrumpfen oder expandieren. Du kannst ihn auf jede Art programmieren.“ Er sieht, dass das Design von Webmaschinen sich verändern wird. „Recht jetzt ist es durch eine Lookup-Tabelle begrenzt, sodass ich nur wenige Sätze verschiedener Designs [Webarten] baue. Aber wir werden generatives Design und das, was der strukturelle Textil sein wird, synchronisieren. So wird generative Fertigung nicht nur 3D-Druck sein. Die anderen Optionen werden Hybridprozesse mit Weben und Stricken und Hinzufügen diskontinuierlicher Fasern sein. Dann werden wir anfangen, noch nachhaltigere Materialien zu nutzen, einschließlich Biomaterialien und Spinnenseide. Es gibt eine riesige Hybridmaschinen-Bewegung. Du kannst dann deinen Traum synthetisieren, indem du einen Knopf drückst.“

Es gibt auch einen Weg, wo Systeme kollaborieren, um sich kontinuierlich zu verbessern. „Mit dem generativen Design-Ansatz, den Designraum zu berechnen statt ein einzelnes Designkonzept zu zeichnen, wenn du etwas änderst, ist es keine weitere FEA-Iteration, weil der Raum bereits vollständig berechnet ist“, erklärt Moruzzi. Maschinelles Lernen wird bereits in Verbundstofffertigungssysteme integriert. Dies wird gelernte Lektionen in die generative Design-Software zurückspeisen für Anwendung auf zukünftige Iterationen des Designs.

(Dieses Konzept wurde in meinem Blog über die Produktionslinien diskutiert, die für Duroplast-Verbundstoffe im ZAero-Projekt und von Airborne, SABIC und Siemens für Thermoplast-Verbundstoffe entwickelt werden.)

Vollständige Offenlegung: Es gibt andere generative Design-Plattformen. Dassault Systèmes diskutierte tatsächlich „Functional Generative Design“ in seiner 2016 Kolumne für CW, „Increasing the industrial adoption composites additive manufacturing“.

Es gibt auch andere Unternehmen, die 3D-Druck mit kontinuierlicher Faser und/oder Sensoren vorantreiben, einschließlich:

• Anisoprint (Russland)
• 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