使用Autodesk软件、3D打印、人工智能和云计算来实现高性能零件的连续纤维制造技术

生成设计是通过结合人工智能（AI）（特别是先进的优化算法）和云计算来复制自然的进化方法，能为一个工程问题提供数千种解决方案。“这不再是简单的绘图设计，而是通过传达约束来描述设计问题”，Autodesk研究计算科学小组（自称先进材料制造传播者）的Massimiliano（Max）Moruzzi解释道。以下是Autodesk支持的一些项目：

MX3D树脂（顶部）和MX3D金属（TU Delft）

Continuous Composites，Autodesk和Comau合作，打印出了连续纤维热固性原位蜂窝和自支撑桥接结构复合材料（例如环氧树脂）来源：Autodesk

Moruzzi说，“生成设计提供了更广泛的优化和设计可能性。”

您可以直接定义要解决的问题——负载，空间约束，材料，制造方法，成本约束，而不是从绘图或预先设想的几何体开始。然后，生成设计软件探索所有可能的排列，生成许多设计备选方案，测试并学习每一次迭代。您只需选择最符合要求的设计即可。

生成设计的好处包括更多的设计选择和优化材料及制造方法

来源：Autodesk

生成设计是“下一代CAD”。 Moruzzi解释说，“使用高级数学和一组不同的优化器，我们创建了一种基于数值合成定义几何形状的新方法。今天的CAD系统仍然只是数字绘图。但是通过生成设计，我们或多或少地达到了达芬奇所建议的：“为所构建的问题提供优化解决方案”。我们现在正专注于描述我们想要的解决方案。因此，它是一个目标驱动的流程和平台，使工程师们能够综合整个设计空间。”

他指出，这种范式转变的一个结果就是将形状和功能都包含在结构中。 “材料是其中的一部分，”Moruzzi说。 “材料以前的功能是支持设计的任何几何目标。但是通过生成设计，我们将制造过程和材料同时添加到设计中，这样两者都将成为分析最佳几何形状的一部分。“

智能结构

随着Autodesk开始开发生成设计软件，Moruzzi说它将引领先进制造业的发展。 “我们专注于采用先进材料和智能材料技术，以捕捉生成设计的全部优势。”他断言，纤维增强复合材料具有匹配的各向同性材料，如钢和铝，现在已经超越它们，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，因此我们使用的是有限制的、失败的标准。结果是我们将复合材料强制成形。但要进行全面优化，材料应遵循结构和功能一体——例如磁屏蔽，温度梯度，振动等。”

Autodesk与空中客车公司合作，使用生成设计和金属3D打印为A320创建“仿生分区”。 Autodesk的大量工作涉及金属，但Moruzzi看到了纤维增强复合材料的未来。来源：Autodesk。

Moruzzi认为纤维增强复合材料和生成设计是共生的，相互帮助以实现和扩展。 “今天我们定义了复合材料的物理特性和材料特性，然后我们使用有限元分析来解决设计问题，”他解释道。 “但这是落后的。大自然不会创造树木，而是木材。”生成设计与自然的过程相匹配，反过来也可以创造复合材料。 “现在材料及其位置可以由结构载荷和功能驱动，”Moruzzi说。 “这将带来新的功能材料和增强的制造工艺。”

然而，Moruzzi断言，到目前为止，还没有一种自动化工艺来放置纤维增强复合材料，这种复合材料可以轻松地将功能嵌入零件中。 他说，过去曾设计过自动纤维放置（AFP）系统，在21世纪初为英格索尔公司工作，如波音公司，洛克希德公司和位于华盛顿州西雅图的兰博基尼实验室。 他与MX3D和Continuous Composites等公司的项目是展示行业领导者和原始设备制造商可行战略的一部分。 “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。 我们的目标是创造一个能够感知和沟通的神经系统结构，实现智能飞机，汽车和建筑物的真正潜力。而传统金属无法实现这一目标。“

来源：Continuous Composites和Autodesk

2017年在AutoDesk学院，Continuous Composites展出的舵中印刷的传感器在2天内收集了5千兆字节的数据，跟踪接触结构时的温度，加速度和应力变化。 MX3D也是带有嵌入式传感器的打印结构。

“我开始提出3D打印复合材料的愿景，因为你不需要工具，你就可以合成零件，”Moruzzi说。 “连续复合材料可以使用连续纤维，电线和光纤进行印刷，因此我可以在结构中嵌入神经系统。该材料在制造中浸渍。因此，这种类型的制造与生成设计作为解决方案十分匹配。“

Livrea Yacht将参加2019年Mini-Transat游艇比赛，使用的是世界上第一艘3D打印游艇。来源：Autodesk

Moruzzi更进一步说道，这种先进制造最终需要一个生态系统，其中包括如何制造这些智能结构的供应链。 “Livrea Yacht是这个生态系统的另一部分，”Moruzzi说。一家与Moruzzi合作的公司Livrea Yacht正在建造世界上第一艘3D打印帆船，该帆船将参加2019年Mini-Transat独跨大西洋游艇比赛。 “所有新技术和进步都需要投资，因此重要的是要知道为什么这项投资是值得的。你需要创造性的参与。”他指出，新材料和制造业通过赛车，赛艇和宇宙飞船表现出来。 “Livrea是一艘将穿越大西洋的赛艇，它具有非常有趣的生成设计形状，同时也实现轻量化，并且使用3D打印而无需模具。我们可以利用它作为一个强大的渠道来展示生成设计所带来的东西。”

制造业的未来

他声称还有其他项目，例如建筑行业，他无法论述，但会进一步说明可能性。然而，Moruzzi宣称复合材料的未来和生成设计不仅仅是3D打印。 “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。客户想要的是一个解决方案。”

Moruzzi说，15年前，当他开始使用复合材料时，他研究了面料和纺织品行业。 “最先进的结构是纺织品本身，因为它增加了功能性和结构性。它可以使你热或冷，它可以是弹性的，可以生成形状，也可以收缩或扩展。你可以用你想要的任何方式对它进行编织。现在，它可以受到查找表的限制，因此我只构建了几套不同的设计[编织]。但我们将同步生成设计和结构纺织品。因此，生成制造不仅仅是3D打印。其他选择将是针织以及添加不连续纤维的混合工艺。然后我们将开始使用更加可持续的材料，包括生物材料和蜘蛛丝。有一个巨大的混合机器即将到来，你可以通过按下按钮来合成你的设想。”

还有一条前进的道路，系统协作需不断改进。 “使用计算设计空间的生成设计方法而不是绘制单一的设计概念，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。机器学习已经被整合到复合材料制造系统中。这将使经验教训反馈到生成设计软件中，以应用于未来的设计迭代。

还有其他公司和大学使用连续光纤或传感器推进3D打印，包括：Anisoprint（俄罗斯），Arevo、苏黎世联邦理工学院碳工厂、MarkForged、南卡罗来纳大学麦克奈尔中心、MOI、轨道复合材料、上海大学、东京理科大学和日本大学。

原文来自compositesworld，原文题目为Generative design and continuous 3D fiber deposition，由材料科技在线汇总整理。