生成式设计与连续 3D 纤维沉积：AI 驱动的创新

生成式设计通过结合人工智能（AI）——具体为先进优化算法——与云计算，复制自然进化方式，为单一工程问题提供数千种解决方案。“这不再是绘图，而是通过沟通约束条件来描述设计问题，”Autodesk Research 计算科学组的 Massimiliano (Max) Moruzzi（自称先进材料制造布道者）解释。以下是 Autodesk 支持的部分项目：

MX3D 树脂（上）与 MX3D 金属
（代尔夫特理工大学）

来源：MX3D

“生成式设计提供更广泛的优化与设计可能性，”Moruzzi 说。

不再从图纸或预设几何开始，而是定义你要解决的问题——载荷、空间约束、材料、制造方法、成本约束。生成式设计软件探索所有可能排列，生成大量设计备选，测试并从每次迭代学习。你选择最符合需求的设计。

生成式设计是“下一代 CAD”。Moruzzi 解释：“利用高等数学和一组不同优化器，我们创造了一种基于数值合成来定义几何形状的新方式。当今 CAD 系统仍只是数字化绘图。但有了生成式设计，我们或多或少实现了达芬奇的建议：‘构建良好的问题提供优化解’。我们现在聚焦描述想要的解。所以是目标驱动的过程与平台，让工程师综合整个设计空间。”

这一范式转变的一个结果，形状与功能融入结构。“材料是其中一部分，”Moruzzi 主张。“材料过去仅支撑设计师瞄准的几何目标。但有了生成式设计，我们将制造工艺和材料纳入设计，二者现成为最优几何形状分析的一部分。”

智能结构

Autodesk 开发生成式设计时，Moruzzi 称引发了向先进制造的探索。“我们聚焦能融入先进材料和智能材料的技术，以捕获生成式设计全部红利。”他断言纤维增强复合材料已匹配钢铝等各向同性材料并超越，因复合材料能嵌入功能。“但我们未完全理解这些材料复杂性，故用限制性失效准则。结果是我们强迫复合材料就形状。要完全优化，材料应遵循结构与功能载荷——如磁屏蔽、温度梯度、振动等。”

Autodesk 与空客合作用生成式设计和金属 3D 打印创作 A320“仿生隔框”。Autodesk 大量工作在金属，但 Moruzzi 看好未来在纤维增强复合材料。来源：Autodesk。

Moruzzi 认为纤维增强复合材料与生成式设计共生，互助实现与拓展。“如今我们定义复合材料物理和材料属性，再用 FEA 解决设计问题,”他解释。“但这是倒行逆施。自然不造树后再造木头。”生成式设计匹配自然过程，转而赋能复合材料亦然。“现在材料及其铺放可由结构载荷和功能驱动,”Moruzzi 说。“这将导向新功能材料和增强制造工艺。”

然而 Moruzzi 主张，迄今尚无自动化工艺能轻松将功能嵌入纤维增强复合材料零件。他言之凿凿，因早年曾为 Ingersoll 设计自动铺丝（AFP）系统，与波音、洛克希德、西雅图兰博基尼实验室合作。他与 MX3D、Continuous Composites 等公司合作项目，旨在向行业领袖和 OEM 演示可能性。“通过这些项目，我们可将各向异性优势推向新高度. 不仅是实现仿生和仿生模拟形状。目标是创造有生命的结构，拥有能感知通讯的神经系统，这是智能飞机、汽车、建筑的真正潜力。传统金属做不到。”

来源：Continuous Composites 和 Autodesk。

Continuous Composites 在 AutoDesk University 2017 展示的方向舵嵌入传感器，两天采集 5 GB 数据，追踪与会者触碰结构引起的温度、加速度、应力变化。（详见我关于 Continuous Composites 的博客。）MX3D 也在打印嵌入传感器结构。

“我开始展示3D 打印复合材料愿景，因不需要工装，你合成零件,”Moruzzi 说。“Continuous Composites 能打印连续纤维、导线和光纤，所以我能在结构中嵌入神经系统。材料即时浸渍。所以这种制造匹配生成式设计呈现的解。”

Livrea Yacht 将在 2019 年 Mini-Transat 单人跨大西洋帆船赛角逐世界首艘 3D 打印帆船。
来源：Autodesk

Moruzzi 更进一步，解释最终此类先进制造需要生态系统，含这些智能结构如何制造的供应链。“Livrea Yacht 是这生态系统另一部分,”Moruzzi 说。Moruzzi 合作的另一家公司 Livrea Yacht 正造世界首艘 3D 打印帆船，将角逐 2019 年 Mini-Transat 单人跨大西洋帆船赛。（详见 Scott Francis 博客。）“所有新技术进步需投资，所以教育为何投资值得很重要。也需创造参与度。”他指出传统上新材料制造通过赛车、赛艇、飞船激发热情。“Livrea 是跨大西洋赛艇，有极有趣的生成式设计形状兼顾轻量化，且无模 3D 打印制造。我们可用此作为强力渠道广播生成式设计未来图景。”

制造业的未来

他声称还有其他项目，如在建筑行业，虽不可谈但将进一步阐释可能性的力量。然而 Moruzzi 宣称复合材料与生成式设计的未来不只是 3D 打印。“我也不认为我们有最终机器,”他补充。“客户不想要特定 CAD/CAM 系统或机器。客户要的是解决方案。”

Moruzzi 说 15 年前入行复合材料时看纺织面料行业。“最先进结构是纺织品本身，因它增添功能性和结构性能。能让你冷热、有弹性或无、能成型或限制、收缩膨胀。你能随意编程。”他看到织机设计将改变。“现在受限于查找表，只能造几套不同设计[织法]。但我们将同步生成式设计与结构纺织品。所以生成式制造不只 3D 打印。其他选项将是混合工艺配织布和针织及添加不连续纤维。届时我们将开始用更多可持续材料，含生物材料和蜘蛛丝。巨型混合机器运动将至。你按个按钮就能合成梦想。”

还有一条路径：系统协作持续改进。“用生成式设计计算设计空间而非画单一设计概念，改任何东西不再是另一次 FEA 迭代，因空间已全算出,”Moruzzi 解释。机器学习已融入复合材料制造系统。这将使经验教训反馈生成式设计软件，应用于未来设计迭代。

(此概念在 ZAero 项目为热固性复合材料开发生产线、Airborne、SABIC 和西门子为热塑性复合材料开发的生产线博客中讨论过。)

完全披露，存在其他生成式设计平台。Dassault Systèmes 实在 2016 年 CW 专栏“提高复合材料增材制造工业采用率”中讨论过“功能性生成式设计”。

还有其他公司推进连续纤维和/或传感器 3D 打印：

• Anisoprint（俄罗斯）
• Arevo
• ETH Zurich Carbon Factory
• MarkForged
• McNair Center, University of South Carolina
• moi composites
• Orbital Composites
• 上海大学
• 东京理科大学和日本大学
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf