Conception générative et dépôt continu de fibres 3D

La conception générative reproduit l'approche évolutive de la nature en combinant l'intelligence artificielle (IA) - en particulier des algorithmes d'optimisation avancés - et le cloud computing pour fournir des milliers de solutions à un problème d'ingénierie. "Ce n'est plus de rédaction , mais à la place décrivant le problème de conception en communiquant les contraintes », explique Massimiliano (Max) Moruzzi du groupe de science informatique d'Autodesk Research (et évangéliste autoproclamé de la fabrication de matériaux avancés). Voici quelques-uns des projets pris en charge par Autodesk :

Résine MX3D ( haut) et MX3D dans les métaux
(TU Delft)

SOURCE :MX3D

Composites continus, Autodesk et Comau ont imprimé des composites de structures en nid d'abeille thermodurcissables in situ à fibres continues et des structures de pontage autoportées (par exemple, époxy) SOURCE :Autodesk

« La conception générative offre une gamme beaucoup plus large des possibilités d'optimisation et de conception », déclare Moruzzi.

Au lieu de partir d'un dessin ou d'une géométrie préconçue, vous définissez le problème que vous souhaitez résoudre — charges, contraintes spatiales, matériaux, méthodes de fabrication, contraintes de coût. Le logiciel de conception générative explore ensuite tout des permutations possibles , générant de nombreuses alternatives de conception , en testant et en apprenant à chaque itération. Vous choisissez le design qui correspond le mieux à vos besoins.

La conception générative est « la nouvelle génération de la CAO ». Moruzzi explique :« En utilisant des mathématiques de haut niveau et un ensemble de différents optimiseurs, nous avons créé une nouvelle façon de définir la forme géométrique basé sur la synthèse numérique . Les systèmes de CAO d'aujourd'hui ne sont encore que du dessin numérique. Mais avec la conception générative, nous avons réalisé plus ou moins ce que Leonardo Da Vinci a suggéré :« un problème bien construit fournit des solutions optimisées '. Concentrons-nous maintenant sur la description de la solution que nous voulons. Il s'agit donc d'un processus et d'une plate-forme axés sur les objectifs qui permettent à l'ingénieur de synthétiser le tout l'espace de conception ."

L'un des résultats de ce changement de paradigme, note-t-il, est que la forme et la fonctionnalité sont incluses dans la structure. « Le matériel en fait partie », soutient Moruzzi. « Matériel fonctionnait auparavant pour soutenir n'importe quel objectif géométrique que le concepteur visait. Mais avec la conception générative, nous ajoutons maintenant le processus de fabrication et matériel dans la conception afin que les deux fassent désormais partie de l'analyse de la forme géométrique optimale. »

Structures intelligentes

Alors qu'Autodesk commençait à développer une conception générative, Moruzzi dit que cela a déclenché un voyage vers la fabrication avancée . « Nous nous concentrons sur une technologie qui peut intégrer des matériaux avancés et des matériaux intelligents pour tirer pleinement parti de la conception générative. Il affirme que les composites renforcés de fibres correspondent à des matériaux isotropes comme l'acier et l'aluminium et les surpassent maintenant car les composites peuvent intégrer des fonctionnalités . « Mais nous ne comprenons pas parfaitement la complexité de ces matériaux, nous utilisons donc des critères de défaillance qui sont restrictifs. Le résultat est que nous forcer les matériaux composites dans une forme. Mais pour être pleinement optimisé, le matériel doit suivre à la fois charges structurelles et fonctionnelles — tels que le blindage magnétique, le gradient de température, les vibrations, etc. »

Autodesk a travaillé avec Airbus pour créer le " partition bionique » pour l'A320 en utilisant la conception générative et l'impression 3D métallique. Une partie importante du travail d'Autodesk a porté sur les métaux, mais Moruzzi voit l'avenir dans les composites renforcés de fibres. SOURCE :Autodesk.

Moruzzi constate que les composites renforcés de fibres et la conception générative sont symbiotiques , s'aidant mutuellement à s'actualiser et à se développer. «Aujourd'hui, nous définissons la physique et les propriétés des matériaux du composite, puis nous utilisons la FEA pour résoudre le problème de conception», explique-t-il. "Mais c'est en arrière . La nature ne crée pas l'arbre et alors le bois." La conception générative correspond au processus de la nature et, à son tour, permet les composites à aussi bien. « Maintenant, le matériel et son placement peuvent être entraînés par les charges structurelles et la fonctionnalité », explique Moruzzi. « Cela conduira à de de nouveaux matériaux fonctionnels et processus de fabrication augmentés ."

Cependant, Moruzzi affirme que, jusqu'à présent, il n'y a pas eu de processus automatisé pour placer des composites renforcés de fibres qui pourraient intégrer la fonction dans la pièce facilement. Il dit cela après avoir conçu le placement automatisé des fibres (AFP) systèmes dans le passé, travaillant pour Ingersoll au début des années 2000 avec des sociétés comme Boeing, Lockheed et le Lamborghini Lab à Seattle, WA. Ses projets avec des entreprises comme MX3D et Continuous Composites font partie d'une stratégie visant à démontrer ce qui est possible aux leaders de l'industrie et aux équipementiers. « Grâce à ces projets, nous pouvons porter les avantages de l'anisotropie à un niveau différent . Il ne s'agit pas seulement d'actualiser des formes bioniques et biomimétiques. L'objectif est de créer des structures vivantes avec un système nerveux capable de détecter et de communiquer, le potentiel réel des avions, des voitures et des bâtiments intelligents. Ce n'est pas possible avec les métaux traditionnels. »

SOURCE :continu Composites et Autodesk.

Les capteurs imprimés dans le gouvernail exposé par Continuous Composites à l'AutoDesk University 2017 ont collecté 5 gigaoctets de données sur 2 jours, suivant les changements de température, d'accélération et de stress des participants touchant la structure. (Pour en savoir plus, consultez mon blog sur les composites continus.) MX3D imprime également des structures avec des capteurs intégrés.

« J'ai commencé à présenter une vision pour les composites imprimés en 3D parce que vous n'avez pas besoin d'outillage, vous synthétisez la pièce », explique Moruzzi. « Continuous Composites peut imprimer avec des fibres continues, des fils et fibre optique, je peux donc intégrer un système neuro dans les structures . Le matériau est également imprégné à la volée. Donc ce type de fabrication correspond ce que la conception générative présente comme une solution. »

Livrea Yacht sera courez le premier yacht imprimé en 3D au monde lors de la course de yachts Mini-Transat 2019.
SOURCE :Autodesk

Moruzzi va encore plus loin, expliquant qu'au final, ce type de fabrication de pointe nécessite un écosystème, qui comprend une chaîne d'approvisionnement expliquant comment ces structures intelligentes peuvent être fabriquées. « Livrea Yacht est une partie différente de cet écosystème », déclare Moruzzi. Une autre des entreprises avec lesquelles Moruzzi travaille, Livrea Yacht construit le premier voilier imprimé en 3D au monde, qui participera à la course de yachts transatlantique en solitaire Mini-Transat 2019. (Pour plus de détails, lisez le blog de Scott Francis sur ce projet). « Toutes les nouvelles technologies et tous les progrès nécessitent un investissement, il est donc important de savoir pourquoi cet investissement en vaut la peine. Il faut aussi créer de l'engagement. Il note que, traditionnellement, les nouveaux matériaux et la fabrication ont suscité l'enthousiasme à travers les voitures de course, les bateaux de course et les vaisseaux spatiaux. « Le Livrea est un bateau de course qui traversera l'Atlantique, il a une forme de conception générative très intéressante qui permet également d'atteindre la légèreté, et il est fabriqué en utilisant l'impression 3D sans moule. Nous pouvons l'utiliser comme un canal puissant pour diffuser ce qui s'en vient avec la conception générative."

L'avenir de la fabrication

Il prétend qu'il y a d'autres projets , par exemple dans le secteur de la construction , dont il ne peut discuter mais qui illustrera davantage la puissance de ce qui est possible. Cependant, Moruzzi proclame que l'avenir des composites et de la conception générative n'est pas seulement l'impression 3D . « Et je ne pense pas que nous ayons encore la machine finale non plus », ajoute-t-il. « Le client ne veut pas d'un système ou d'une machine CAD/CAM spécifique. Le client veut une solution ."

Moruzzi dit que lorsqu'il a commencé dans les composites il y a 15 ans, il s'est penché sur l'industrie du tissu et du textile. « La structure la plus avancée est le textile lui-même car il ajoute des fonctionnalités ainsi que des performances structurelles. Il peut vous faire chaud ou froid, il peut être élastique ou non, il peut prendre une forme ou restreindre, rétrécir ou se dilater. Vous pouvez le programmer comme vous le souhaitez. Il voit que la conception des machines à tisser va changer . «Pour le moment, c'est limité par une table de consultation, de sorte que je ne construis que quelques ensembles de modèles différents [tisse]. Mais nous allons synchroniser le design génératif et ce que sera le textile structurel. Donc fabrication générative ne sera pas seulement l'impression 3D. Les autres options seront des processus hybrides avec imminent et le tricot et ajout de fibre discontinue . Ensuite, nous commencerons à utiliser des matériaux encore plus durables , y compris les biomatériaux et la soie d'araignée. Il existe une énorme machine hybride mouvement à venir. Vous pouvez ensuite synthétiser votre rêve en appuyant sur un bouton."

Il existe également une voie à suivre où les systèmes collaborent pour s'améliorer continuellement. "Avec l'approche de conception générative consistant à calculer l'espace de conception au lieu de dessiner un seul concept de conception, lorsque vous modifiez quelque chose, ce n'est pas une autre itération FEA car l'espace est déjà entièrement calculé", explique Moruzzi. L'apprentissage automatique est déjà intégré dans les systèmes de fabrication de composites. Cela permettra de tirer les leçons apprises à réinjecter dans le logiciel de conception générative pour application aux futures itérations de la conception.

(Ce concept a été discuté dans mon blog sur les lignes de production en cours de développement pour les composites thermodurcissables dans le projet ZAero et par Airborne, SABIC et Siemens pour les composites thermoplastiques.)

Divulgation complète, il existe d'autres plates-formes de conception générative. Dassault Systèmes a en fait discuté de la « conception fonctionnelle générative » dans sa chronique 2016 pour CW , "Augmenter l'adoption industrielle de la fabrication additive de composites".

Il existe également d'autres entreprises qui font progresser l'impression 3D avec des fibres continues et/ou des capteurs, notamment :

• Anisoprint (Russie)
• Arevo
• Usine de charbon à l'ETH Zurich
• MarkForgé
• McNair Center, Université de Caroline du Sud
• moi composites
• Composites orbitaux
• Université de Shanghai
• Université des sciences de Tokyo et Université Nihon
  http://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf