衍生式设计和连续 3D 纤维沉积

衍生式设计通过结合人工智能 (AI)——特别是高级优化算法——和云计算来复制自然的进化方法，为一个工程问题提供数千种解决方案。 “这不再起草 ，而是描述设计问题 通过传达约束 ，”Autodesk Research 计算科学组的 Massimiliano (Max) Moruzzi 解释道（自称为先进材料制造传道者）。以下是 Autodesk 支持的一些项目：

MX3D 树脂 (顶部）和金属中的 MX3D
（代尔夫特理工大学）

来源：MX3D

“衍生式设计提供了更广泛的范围 优化和设计的可能性，”Moruzzi 说。

您不必从绘图或先入为主的几何图形开始，而是定义问题 您想要解决的问题——载荷、空间约束、材料、制造方法、成本约束。然后生成式设计软件探索所有 可能的排列 , 产生大量的设计替代方案 ，从每次迭代中测试和学习。您选择最符合您要求的设计。

衍生式设计是“下一代 CAD”。 Moruzzi 解释说：“使用高级数学和一组不同的优化器，我们创建了一种新方法来定义几何形状 基于数值综合 .今天的 CAD 系统仍然只是数字绘图。但是通过衍生式设计，我们或多或少地实现了达芬奇所建议的：“精心构建的问题提供了优化的解决方案 ’。我们现在专注于描述我们想要的解决方案。所以它是一个目标驱动的过程和平台，使工程师能够综合 整个设计空间 .”

他指出，这种范式转变的一个结果是结构中包含了形状和功能。 “材料是其中的一部分，”Moruzzi 争辩道。 “材料以前使用过 支持设计师所追求的任何几何目标。但是通过衍生式设计，我们现在添加到制造过程中 和材料 到设计中，这样两者现在都将成为最佳几何形状分析的一部分。”

智能结构

随着 Autodesk 开始开发衍生式设计，Moruzzi 表示它开启了先进制造之旅 . “我们专注于可以结合先进材料的技术 和智能材料，以充分利用衍生式设计的优势。”他断言，纤维增强复合材料已经与钢和铝等各向同性材料相匹配，并且现在正在超越它们，因为复合材料可以嵌入功能 . “但我们并不完全了解这些材料的复杂性，因此我们使用限制性的失效标准。结果是我们强制复合材料 成一个形状。但是要完全优化，材料应该遵循 结构和功能载荷 ——如磁屏蔽、温度梯度、振动等。”

Autodesk 与 Airbus 合作创建了“仿生隔断”用于 A320，使用衍生式设计和金属 3D 打印。 Autodesk 的大量工作都在金属领域，但 Moruzzi 看到了纤维增强复合材料的未来。资料来源：欧特克。

Moruzzi 看到了纤维增强复合材料 和衍生式设计是共生的 ，互相帮助实现和扩展。 “今天，我们定义了复合材料的物理特性和材料特性，然后我们使用 FEA 来解决设计问题，”他解释道。 “但这是落后 .大自然不会创造树，然后然后 木头。”衍生式设计与自然过程相匹配，进而实现复合 也一样。 “现在材料及其位置 可以由结构载荷和功能驱动，”Moruzzi 说。 “这将导致新的功能材料 和增强的制造过程 .”

然而，Moruzzi 断言，到目前为止，还没有自动化流程 用于放置可以嵌入功能的纤维增强复合材料 轻松进入零件。他说这是设计了自动纤维铺放 (AFP) 在过去的系统中，2000 年代初为 Ingersoll 与波音、洛克希德和华盛顿州西雅图的兰博基尼实验室等公司合作。他与 MX3D 和 Continuous Composites 等公司的项目是向行业领导者和原始设备制造商展示可能性的战略的一部分。 “通过这些项目，我们可以将各向异性的好处提升到不同的水平 .这不仅仅是实现仿生和仿生形状的问题。目标是创造生命结构 有了可以感知和交流的神经系统，智能飞机、汽车和建筑的真正潜力是传统金属无法实现的。”

来源：连续复合材料和 Autodesk。

2017 年 AutoDesk 大学连续复合材料公司展示的方向舵上打印的传感器在 2 天内收集了 5 GB 的数据，跟踪参与者接触结构时的温度、加速度和压力变化。 （在我关于连续复合材料的博客中了解更多信息。）MX3D 还在打印带有嵌入式传感器的结构。

“我开始展示 3D 打印复合材料的愿景 因为您不需要工具，您可以合成零件，”Moruzzi 说。 “Continuous Composites 可以打印连续纤维、金属丝和 光纤，所以我可以在结构中嵌入一个神经系统 .该材料还可以即时浸渍。所以这种类型的制造匹配 衍生式设计作为解决方案呈现了什么。”

Livrea Yacht 将在 2019 年 Mini-Transat 游艇比赛中驾驶世界上第一艘 3D 打印游艇。
来源：欧特克

Moruzzi 走得更远，他解释说，最终，这种类型的先进制造需要一个生态系统， 其中包括如何制造这些智能结构的供应链。 “Livrea Yacht 是这个生态系统的不同部分，”Moruzzi 说。 Moruzzi 合作的另一家公司 Livrea Yacht 正在建造世界上第一艘 3D 打印帆船，它将参加 2019 年 Mini-Transat 单人跨大西洋游艇比赛。 （有关更多详细信息，请阅读 Scott Francis 关于此项目的博客）。 “所有新技术和进步都需要投资，因此重要的是要了解为什么这项投资是值得的。你还需要创造参与度。”他指出，传统上，新材料和新制造通过赛车、赛艇和宇宙飞船激发了人们的兴趣。 “Livrea 是一艘将横渡大西洋的赛艇，它具有非常有趣的创成式设计形状，同时实现了轻量化，它是使用 3D 打印制造的，没有模具。我们可以将其作为一个强大的渠道来传播衍生式设计的未来。”

制造业的未来

他声称还有其他项目 ，例如在建筑行业 ，他无法讨论，但这将进一步说明可能的力量。然而，Moruzzi 宣称复合材料和衍生式设计的未来不仅仅是 3D 打印 . “而且我认为我们还没有最终的机器，”他补充道。 “客户不需要特定的 CAD/CAM 系统或机器。 客户 想要一个解决方案 .”

Moruzzi 说，当他 15 年前开始从事复合材料时，他着眼于织物和纺织品行业。 “最先进的结构 是纺织品 本身，因为它增加了功能和结构性能。它可以让你感到热或冷，它可以有弹性，也可以没有弹性，它可以成形或限制，收缩或膨胀。你可以用任何你想要的方式来编程。”他看到织机的设计 要改变 . “现在，它受到查找表的限制，因此我只构建了几组不同的设计 [编织]。但我们将同步生成设计和结构纺织品。所以衍生式制造 将不仅仅是 3D 打印。其他选项将是混合进程 随着迫在眉睫 和编织 和加入不连续纤维 .然后我们将开始使用更可持续的材料 ，包括生物材料和蜘蛛丝。有一个巨大的混合动力机器 运动来了。然后你可以通过按下按钮来合成你的梦想。”

系统协作也有前进的道路 以不断改进。 “通过计算设计空间而不是绘制单个设计概念的衍生式设计方法，当你改变任何东西时，它不是另一个 FEA 迭代，因为空间已经完全计算，”Moruzzi 解释说。机器学习已经被集成到复合材料制造系统中。这将使经验教训 反馈到衍生式设计软件中，以应用于未来的设计迭代。

（这个概念在我的博客中讨论过，关于 ZAero 项目中为热固性复合材料开发的生产线以及 Airborne、SABIC 和 Siemens 为热塑性复合材料开发的生产线。）

完全公开，还有其他生成式设计平台。 Dassault Systèmes 实际上在其 2016 年 CW 专栏中讨论了“功能生成设计” , “增加工业采用复合材料增材制造”。

还有其他公司使用连续纤维和/或传感器推进 3D 打印，包括：

• Anisoprint（俄罗斯）
• 阿雷沃
• 苏黎世联邦理工学院的碳工厂
• MarkForged
• 南卡罗来纳大学麦克奈尔中心
• moi 复合材料
• 轨道复合材料
• 上海大学
• 东京理科大学和日本大学
  http://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf