Diseño generativo y deposición continua de fibra 3D: Innovación impulsada por IA

 

El diseño generativo replica el enfoque evolutivo de la naturaleza combinando inteligencia artificial (IA) —específicamente algoritmos avanzados de optimización— y computación en la nube para proporcionar miles de soluciones a un problema de ingeniería. "Esto ya no es dibujo, sino describir el problema de diseño comunicando restricciones", explica Massimiliano (Max) Moruzzi del grupo de Ciencia Computacional de Autodesk Research (y autoproclamado evangelista de fabricación de materiales avanzados). Aquí algunos proyectos que Autodesk respalda:

MX3D Resina (arriba) y MX3D en metales
(TU Delft)

FUENTE: MX3D

Continuous Composites, Autodesk y Comau han impreso compuestos de termofijo de fibra continua in-situ con estructura de panal y puentes auto-soportados (ej., epoxi) FUENTE: Autodesk

"El diseño generativo ofrece un rango mucho más amplio de posibilidades de optimización y diseño", dice Moruzzi.

En lugar de partir de un dibujo o geometría preconcebida, defines el problema que quieres resolver —cargas, restricciones espaciales, materiales, métodos de fabricación, restricciones de coste. El software de diseño generativo explora todas las posibles permutaciones, generando numerosas alternativas de diseño, probando y aprendiendo de cada iteración. Eliges el diseño que mejor se ajusta a tus requisitos.

El diseño generativo es "la próxima generación de CAD". Moruzzi explica: "Usando matemáticas de alto nivel y un conjunto de optimizadores diferentes, hemos creado una nueva forma de definir forma geométrica basada en síntesis numérica. Los sistemas CAD hoy son aún solo dibujo digital. Pero con diseño generativo, hemos logrado más o menos lo que Leonardo da Vinci sugirió: 'un problema bien construido proporciona soluciones optimizadas'. Ahora nos enfocamos en describir la solución que queremos. Así es un proceso y plataforma guiados por objetivos que permite al ingeniero sintetizar todo el espacio de diseño".

Un resultado de este cambio de paradigma, señala, es que forma y funcionalidad se incluyen en la estructura. "El material es una parte de esto", sostiene Moruzzi. "El material anteriormente funcionaba para apoyar cualquier objetivo geométrico al que apuntaba el diseñador. Pero con diseño generativo, ahora añadimos el proceso de fabricación y el material al diseño para que ambos formen parte del análisis para forma geométrica óptima".

Estructuras inteligentes

Mientras Autodesk desarrollaba diseño generativo, Moruzzi dice que encendió un viaje hacia la fabricación avanzada. "Nos enfocamos en tecnología que puede incorporar materiales avanzados y materiales inteligentes para capturar todos los beneficios del diseño generativo". Afirma que los compuestos reforzados con fibra han igualado a materiales isotrópicos como acero y aluminio y ahora los superan porque los compuestos pueden incrustar funcionalidad. "Pero no entendemos totalmente la complejidad de estos materiales, así que usamos criterios de fallo restrictivos. El resultado es que forzamos materiales compuestos en una forma. Pero para estar totalmente optimizados, el material debería seguir tanto cargas estructurales como funcionales —como blindaje magnético, gradiente de temperatura, vibración, etc.".

Autodesk trabajó con Airbus para crear la "partición biónica" para el A320 usando diseño generativo e impresión 3D metálica. Una cantidad significativa del trabajo de Autodesk ha sido en metales, pero Moruzzi ve el futuro en compuestos reforzados con fibra. FUENTE: Autodesk.

Moruzzi ve que los compuestos reforzados con fibra y el diseño generativo son simbióticos, ayudándose mutuamente a actualizarse y expandirse. "Hoy definimos la física y las propiedades del material del compuesto y luego usamos FEA para resolver el problema de diseño", explica. "Pero esto es inverso. La naturaleza no crea el árbol y luego la madera". El diseño generativo iguala el proceso de la naturaleza, y, a su vez, permite a los compuestos hacerlo también. "Ahora el material y su colocación pueden ser guiados por cargas estructurales y funcionalidad", dice Moruzzi. "Esto conducirá a nuevos materiales funcionales y procesos de fabricación aumentados".

Sin embargo, Moruzzi afirma que, hasta ahora, no ha habido un proceso automatizado para colocar compuestos reforzados con fibra que pudiera incrustar función en la pieza fácilmente. Lo dice habiendo diseñado sistemas de colocación automática de fibra (AFP) en el pasado, trabajando para Ingersoll a principios de los 2000 con empresas como Boeing, Lockheed y el Laboratorio Lamborghini en Seattle, WA. Sus proyectos con empresas como MX3D y Continuous Composites son parte de una estrategia para demostrar lo posible a líderes de industria y OEMs. "A través de estos proyectos, podemos llevar los beneficios de la anisotropía a otro nivel. No es solo actualizar formas biónicas y biomiméticas. La meta es crear estructuras vivas con un sistema nervioso que pueda sentir y comunicar, el potencial real para aviones, coches y edificios inteligentes. Estos no son posibles con metales tradicionales".

FUENTE: Continuous Composites y Autodesk.

Sensores impresos en el timón exhibido por Continuous Composites en AutoDesk University 2017 recolectaron 5 Gigabytes de datos en 2 días, rastreando cambios de temperatura, aceleración y estrés por asistentes tocando la estructura. (Leer más en mi blog sobre Continuous Composites). MX3D también imprime estructuras con sensores embebidos.

"Empecé a presentar una visión para compuestos impresos en 3D porque no necesitas utillaje, sintetizas la pieza", dice Moruzzi. "Continuous Composites puede imprimir con fibras continuas, alambres y fibra óptica, así que puedo incrustar un sistema nervioso en las estructuras. El material también se impregna al vuelo. Así que este tipo de fabricación coincide con lo que el diseño generativo presenta como solución".

Livrea Yacht correrá el primer yate impreso en 3D del mundo en la regata Mini-Transat 2019.
FUENTE: Autodesk

Moruzzi va aún más lejos, explicando que, en última instancia, este tipo de fabricación avanzada requiere un ecosistema, que incluye una cadena de suministro para cómo estas estructuras inteligentes pueden fabricarse. "Livrea Yacht es una parte diferente de este ecosistema", dice Moruzzi. Otra de las empresas con las que Moruzzi trabaja, Livrea Yacht está construyendo el primer velero impreso en 3D del mundo, que competirá en la regata transatlántica en solitario Mini-Transat 2019. (Para más detalles leer el blog de Scott Francis sobre este proyecto). "Toda nueva tecnología y avance requiere inversión, así que es importante educar sobre por qué esta inversión vale la pena. También necesitas crear compromiso". Señala que, tradicionalmente, nuevos materiales y fabricación han generado entusiasmo con coches de carrera, barcos de carrera y naves espaciales. "Livrea es un barco de carrera que cruzará el Atlántico, tiene una forma de diseño generativo muy interesante que también logra aligeramiento, y se hace con impresión 3D sin molde. Podemos usar esto como canal poderoso para difundir lo que viene con diseño generativo".

Futuro de la fabricación

Afirma que hay otros proyectos, por ejemplo en la industria de la construcción, que no puede discutir pero que ilustrarán aún más el poder de lo posible. Sin embargo, Moruzzi proclama que el futuro de los compuestos y el diseño generativo no es solo impresión 3D. "Y no creo que tengamos la máquina final aún", añade. "El cliente no quiere un sistema CAD/CAM o máquina específico. El cliente quiere una solución".

Moruzzi dice que cuando empezó en compuestos hace 15 años, miró la industria textil y de telas. "La estructura más avanzada es el textil mismo porque añade funcionalidad además de rendimiento estructural. Puede darte calor o frío, ser elástico o no, tomar forma o restringir, encoger o expandir. Puedes programarlo como quieras". Ve que el diseño de máquinas de tejido va a cambiar. "Ahora, está limitado por una tabla de búsqueda, así que solo construyo unos pocos conjuntos de diseños [tejidos] diferentes. Pero sincronizaremos el diseño generativo y lo que será el textil estructural. Así la fabricación generativa no será solo impresión 3D. Las otras opciones serán procesos híbridos con telar y punto y añadir fibra discontinua. Entonces empezaremos a usar materiales aún más sostenibles, incluyendo biomateriales y seda de araña. Viene un movimiento de máquinas híbridas enorme. Podrás sintetizar tu sueño pulsando un botón".

También hay un camino donde los sistemas colaboran para mejorar continuamente. "Con el enfoque de diseño generativo de computar el espacio de diseño en lugar de dibujar un solo concepto, cuando cambias algo, no es otra iteración de FEA porque el espacio ya está totalmente computado", explica Moruzzi. El aprendizaje automático ya se está integrando en sistemas de fabricación de compuestos. Esto permitirá que lecciones aprendidas se retroalimenten al software de diseño generativo para aplicación a futuras iteraciones del diseño.

(Este concepto se discutió en mi blog sobre líneas de producción desarrolladas para compuestos termofijos en el proyecto ZAero y por Airborne, SABIC y Siemens para compuestos termoplásticos).

Divulgación completa, hay otras plataformas de diseño generativo. Dassault Systèmes discutió realmente "Diseño Generativo Funcional" en su columna 2016 para CW, "Aumentando la adopción industrial de fabricación aditiva de compuestos".

También hay otras empresas avanzando en impresión 3D con fibra continua y/o sensores:

• Anisoprint (Rusia)
• Arevo
• Carbon Factory en ETH Zurich
• MarkForged
• McNair Center, Universidad de Carolina del Sur
• moi composites
• Orbital Composites
• Universidad de Shanghai
• Universidad de Ciencia de Tokio y Universidad Nihon
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf