Conception générative & dépôt continu de fibres 3D : l'innovation pilotée par l'IA

 

La conception générative réplique l'approche évolutive de la nature en combinant intelligence artificielle (IA) — spécifiquement algorithmes d'optimisation avancés — et cloud computing pour fournir des milliers de solutions à un problème d'ingénierie. « Ce n'est plus du dessin, mais au lieu décrire le problème de conception en communiquant des contraintes », explique Massimiliano (Max) Moruzzi du groupe Computational Science d'Autodesk Research (et évangéliste autoproclamé de la fabrication matériaux avancés). Voici quelques projets soutenus par Autodesk :

MX3D Résine (haut) et MX3D en métaux
(TU Delft)

SOURCE : MX3D

Continuous Composites, Autodesk et Comau ont imprimé en continu fibre thermodurcissable in‑situ structures alvéolaires et ponts auto‑supportés composites (ex. époxy)  SOURCE : Autodesk

« La conception générative offre une gamme bien plus large de possibilités d'optimisation et de conception », dit Moruzzi.

Au lieu de partir d'un dessin ou géométrie préconçue, vous définissez le problème que vous voulez résoudre — charges, contraintes spatiales, matériaux, méthodes de fabrication, contraintes de coût. Le logiciel de conception générative explore alors toutes les permutations possibles, générant de nombreuses alternatives de conception, testant et apprenant de chaque itération. Vous choisissez la conception qui correspond le mieux à vos exigences.

La conception générative est « la prochaine génération de CAO ». Moruzzi explique : « En utilisant des maths de haut niveau et un ensemble d'optimiseurs différents, nous avons créé une nouvelle façon de définir la forme géométrique basée sur la synthèse numérique. Les systèmes CAO aujourd'hui sont encore juste du dessin numérique. Mais avec la conception générative, nous avons atteint plus ou moins ce que Léonard de Vinci suggérait : "un problème bien construit fournit des solutions optimisées". Nous nous concentrons maintenant sur la description de la solution que nous voulons. C'est donc un processus et une plateforme pilotés par les objectifs qui permettent à l'ingénieur de synthétiser l'espace de conception entier. »

Un résultat de ce changement de paradigme, note‑t‑il, est que la forme et la fonctionnalité sont incluses dans la structure. « Le matériau est une partie de cela », soutient Moruzzi. « Le matériau fonctionnait auparavant pour supporter quel que soit l'objectif géométrique visé par le concepteur. Mais avec la conception générative, nous ajoutons maintenant le processus de fabrication et le matériau dans la conception pour que les deux fassent maintenant partie de l'analyse pour la forme géométrique optimale. »

Structures intelligentes

Alors qu'Autodesk développait la conception générative, Moruzzi dit que cela a déclenché un voyage vers la fabrication avancée. « Nous nous concentrons sur la technologie qui peut incorporer des matériaux avancés et matériaux intelligents pour capturer tous les bénéfices de la conception générative. » Il affirme que les composites renforcés fibres ont égalé les matériaux isotropes comme l'acier et l'aluminium et les surpassent maintenant car les composites peuvent intégrer la fonctionnalité. « Mais nous ne comprenons pas pleinement la complexité de ces matériaux, donc nous utilisons des critères de rupture restrictifs. Le résultat est que nous forçons les matériaux composites dans une forme. Mais pour être pleinement optimisés, le matériau devrait suivre à la fois les charges structurelles et fonctionnelles — comme blindage magnétique, gradient de température, vibrations, etc. »

Autodesk a travaillé avec Airbus pour créer la « cloison bionique » pour l'A320 en utilisant conception générative et impression 3D métallique. Une partie significative du travail d'Autodesk a été dans les métaux, mais Moruzzi voit l'avenir dans les composites renforcés fibres. SOURCE : Autodesk.

Moruzzi voit que les composites renforcés fibres et la conception générative sont symbiotiques, s'aidant mutuellement à s'actualiser et s'étendre. « Aujourd'hui nous définissons la physique et les propriétés matériaux du composite et puis nous utilisons l'EF pour résoudre le problème de conception », explique‑t‑il. « Mais c'est à l'envers. La nature ne crée pas l'arbre puis le bois. » La conception générative correspond au processus de la nature, et, en retour, permet aux composites d'en faire autant. « Maintenant le matériau et son positionnement peuvent être pilotés par les charges structurelles et la fonctionnalité », dit Moruzzi. « Cela mènera à de nouveaux matériaux fonctionnels et des procédés de fabrication augmentés. »

Cependant, Moruzzi affirme que, jusqu'à présent, il n'y a pas eu de processus automatisé pour placer des composites renforcés fibres qui puisse intégrer la fonction dans la pièce facilement. Il le dit ayant conçu des systèmes de pose automatisée de fibres (AFP) dans le passé, travaillant pour Ingersoll au début des années 2000 avec des entreprises 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 pour démontrer ce qui est possible aux leaders de l'industrie et OEM. « À travers ces projets, nous pouvons porter les bénéfices de l'anisotropie à un autre niveau. Ce n'est pas juste une question d'actualiser des formes bioniques et biomimétiques. Le but est de créer des structures vivantes avec un système nerveux qui peut sentir et communiquer, le vrai potentiel pour avions, voitures et bâtiments intelligents. Ce n'est pas possible avec les métaux traditionnels. »

SOURCE : Continuous Composites et Autodesk.

Des capteurs imprimés dans la gouverne exposée par Continuous Composites à AutoDesk University 2017 ont collecté 5 Go de données sur 2 jours, suivant température, accélération et changements de contrainte des participants touchant la structure. (Lire plus dans mon blog sur Continuous Composites.) MX3D imprime aussi des structures avec capteurs embarqués.

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

Livrea Yacht fera courir le premier yacht imprimé 3D au monde dans la course transatlantique en solitaire Mini‑Transat 2019.
SOURCE : Autodesk

Moruzzi va encore plus loin, expliquant qu'en fin de compte, ce type de fabrication avancée nécessite un écosystème, qui inclut une chaîne d'approvisionnement pour comment ces structures intelligentes peuvent être fabriquées. « Livrea Yacht est une autre partie de cet écosystème », dit Moruzzi. Une autre des entreprises avec lesquelles Moruzzi travaille, Livrea Yacht construit le premier voilier imprimé 3D au monde, qui concourra dans la course transatlantique en solitaire Mini‑Transat 2019. (Pour plus de détails lire le blog de Scott Francis sur ce projet). « Toute nouvelle technologie et avancement nécessite investissement, donc il est important d'éduquer sur pourquoi cet investissement vaut le coup. Vous devez aussi créer de l'engagement. » Il note que traditionnellement, nouveaux matériaux et fabrication ont généré de l'excitation via voitures de course, bateaux de course et vaisseaux spatiaux. « Livrea est un bateau de course qui traversera l'Atlantique, il a une forme de conception générative très intéressante qui atteint aussi la légèreté, et il est fait par impression 3D sans moule. Nous pouvons utiliser cela comme un puissant canal pour diffuser ce qui vient avec la conception générative. »

Futur de la fabrication

Il affirme qu'il y a d'autres projets, par exemple dans l'industrie de la construction, qu'il ne peut pas discuter mais qui illustreront davantage la puissance de ce qui est possible. Cependant, Moruzzi proclame que le futur des composites et de la conception générative n'est pas juste l'impression 3D. « Et je ne pense pas qu'on ait la machine finale non plus », ajoute‑t‑il. « Le client ne veut pas un système CAO/FAO ou machine spécifique. Le client veut une solution. »

Moruzzi dit que quand il a commencé dans les composites il y a 15 ans, il a regardé l'industrie du tissu et textile. « La structure la plus avancée est le textile lui‑même car il ajoute fonctionnalité aussi bien que performance structurelle. Il peut vous tenir chaud ou froid, être élastique ou non, prendre une forme ou restreindre, rétrécir ou s'étendre. Vous pouvez le programmer comme vous voulez. » Il voit que la conception des machines à tisser va changer. « Actuellement, c'est limité par une table de correspondance, donc je ne construis que quelques ensembles de designs [tissages] différents. Mais nous allons synchroniser la conception générative et ce que sera le textile structurel. Donc la fabrication générative ne sera pas juste impression 3D. Les autres options seront des procédés hybrides avec tissage et tricotage et ajout de fibres discontinues. Alors nous commencerons à utiliser des matériaux encore plus durables, incluant biomatériaux et soie d'araignée. Il y a un mouvement énorme de machines hybrides qui arrive. Vous pourrez alors synthétiser votre rêve en appuyant sur un bouton. »

Il y a aussi une voie où les systèmes collaborent pour s'améliorer continuellement. « Avec l'approche conception générative de calcul de l'espace de conception au lieu de dessiner un seul concept, quand vous changez quelque chose, ce n'est pas une autre itération EF car l'espace est déjà entièrement calculé », explique Moruzzi. L'apprentissage machine est déjà intégré dans les systèmes de fabrication composites. Cela permettra aux leçons apprises d'être réinjectées dans le logiciel de conception générative pour application aux futures itérations du design.

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

Transparence totale, il y a d'autres plateformes de conception générative. Dassault Systèmes a en fait discuté « Functional Generative Design » dans sa colonne 2016 pour CW, « Augmenter l'adoption industrielle de la fabrication additive composites ».

Il y a aussi d'autres entreprises avançant l'impression 3D avec fibres continues et/ou capteurs :

• Anisoprint (Russie)
• Arevo
• Carbon Factory à ETH Zurich
• MarkForged
• McNair Center, Université de Caroline du Sud
• moi composites
• Orbital Composites
• Université de Shanghai
• Université des Sciences de Tokyo et Université Nihon
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf