Desain Generatif & Penyetelan Serat 3D Berkelanjutan: Inovasi Berbasis AI
Desain generatif mereplikasi pendekatan evolutif alam dengan menggabungkan kecerdasan buatan (AI) — khususnya algoritma optimisasi canggih — dan cloud computing untuk memberikan ribuan solusi untuk satu masalah rekayasa. "Ini tidak lagi menggambar, melainkan mendeskripsikan masalah desain dengan mengomunikasikan keterbatasan," menjelaskan Massimiliano (Max) Moruzzi dari grup Computational Science Autodesk Research (dan pendiri diri sendiri pendiri material manufaktur canggih). Berikut beberapa proyek yang didukung Autodesk:
"Desain generatif menawarkan rentang yang jauh lebih luas dari kemungkinan optimisasi dan desain," ujar Moruzzi.
Alih-alih memulai dengan gambar atau geometri yang telah dirancang sebelumnya, Anda menentukan masalah yang ingin Anda selesaikan — beban, keterbatasan spasial, bahan, metode manufaktur, keterbatasan biaya. Perangkat lunak desain generatif kemudian mengeksplorasi semua dari permutasi yang mungkin, menghasilkan banyak alternatif desain, menguji dan belajar dari setiap iterasi. Anda memilih desain yang paling sesuai dengan kebutuhan Anda.
Desain generatif adalah "generasi berikutnya dari CAD". Moruzzi menjelaskan, "Dengan matematika tingkat tinggi dan seperangkat optimasi yang berbeda, kami telah menciptakan cara baru untuk menentukan bentuk geometris berdasarkan sintesis numerik. Sistem CAD saat ini masih hanya menggambar digital. Namun dengan desain generatif, kami telah mencapai kurang atau lebih apa yang disarankan Leonardo Da Vinci: 'suatu masalah yang dibangun dengan baik menyediakan solusi yang dioptimalkan'. Kami sekarang berfokus pada mendeskripsikan solusi yang kami inginkan. Jadi itu adalah proses dan platform yang didorong oleh tujuan yang memungkinkan insinyur untuk mensintesis seluruh ruang desain."
Salah satu hasil dari pergantian paradigma ini, katanya, adalah bahwa bentuk dan fungsionalitas disertakan dalam struktur. "Bahan adalah satu bagian dari ini," pendapat Moruzzi. "Bahan sebelumnya berfungsi untuk mendukung tujuan geometris apa pun yang ditinggikan desainer. Namun dengan desain generatif, kami menambahkan proses manufaktur dan bahan ke dalam desain sehingga keduanya kini akan menjadi bagian dari analisis untuk bentuk geometris optimal."
Struktur cerdas
Saat Autodesk mulai mengembangkan desain generatif, Moruzzi mengatakan itu memicu perjalanan ke manufaktur canggih. "Kami berfokus pada teknologi yang dapat menyatukan bahan canggih dan bahan cerdas untuk menangkap manfaat penuh dari desain generatif." Dia menyatakan bahwa komposit terjamin serat telah mencocokkan bahan isotropis seperti baja dan aluminium dan sekarang melampauinya karena komposit dapat menyematkan fungsionalitas. "Namun kami tidak sepenuhnya memahami kompleksitas bahan ini, jadi kami menggunakan kriteria kegagalan yang restriktif. Hasilnya adalah kami memaksa bahan komposit ke dalam bentuk. Namun untuk dioptimalkan sepenuhnya, bahan harus mengikuti baik beban struktural dan fungsional — seperti perlindungan magnet, gradien suhu, getaran, dll."
Moruzzi melihat bahwa komposit terjamin serat dan desain generatif adalah simbiotik, saling membantu untuk mewujudkan dan mengembangkan. "Saat ini kami menentukan fisika dan properti bahan komposit lalu kami menggunakan FEA untuk menyelesaikan masalah desain," katanya. "Namun ini terbalik. Alam tidak membuat pohon dan kemudian kayu." Desain generatif cocok dengan proses alam, dan dengan demikian, mengaktifkan komposit untuk melakukannya juga. "Sekarang bahan dan penempatannya dapat didorong oleh beban struktural dan fungsionalitas," ujar Moruzzi. "Ini akan menyebabkan bahan fungsional baru dan proses manufaktur yang diperkaya."
Namun, Moruzzi menyatakan bahwa, hingga sekarang, belum ada proses otomatis untuk menempatkan komposit terjamin serat yang dapat menyematkan fungsi ke dalam bagian dengan mudah. Dia mengatakan ini setelah mendesain sistem penempatan serat otomatis (AFP) di masa lalu, bekerja untuk Ingersoll pada awal 2000-an dengan perusahaan seperti Boeing, Lockheed dan Lamborghini Lab di Seattle, WA. Proyeknya dengan perusahaan seperti MX3D dan Continuous Composites adalah bagian dari strategi untuk menunjukkan apa yang mungkin kepada pemimpin industri dan OEM. "Melalui proyek-proyek ini, kami dapat membawa manfaat anisotropi ke tingkat yang berbeda. Ini bukan sekadar masalah mewujudkan bentuk bionik dan biomimetik. Tujuan adalah untuk menciptakan struktur hidup dengan sistem saraf yang dapat merasakan dan berkomunikasi, potensi nyata untuk pesawat, mobil dan gedung cerdas. Ini tidak mungkin dengan logam tradisional."
Sensor yang dicetak di pengendali yang dipamerkan oleh Continuous Composites di AutoDesk University 2017 mengumpulkan 5 Gigabyte data selama 2 hari, melacak perubahan suhu, akselerasi dan stres dari pengunjung yang menyentuh struktur. (Baca lebih banyak di blog saya tentang Continuous Composites.) MX3D juga mencetak struktur dengan sensor yang disematkan.
"Saya mulai mempresentasikan visi untuk komposit cetak 3D karena Anda tidak membutuhkan cetakan, Anda mensintesis bagian," ujar Moruzzi. "Continuous Composites dapat mencetak dengan serat kontinu, kabel dan serat optik, jadi saya dapat menyematkan sistem saraf ke dalam struktur. Bahan juga diimpregasi secara langsung. Jadi jenis manufaktur ini cocok dengan apa yang ditawarkan desain generatif sebagai solusi."
Moruzzi pergi lebih jauh, menjelaskan bahwa pada akhirnya, jenis manufaktur canggih ini memerlukan ekosistem, yang mencakup rantai pasokan untuk bagaimana struktur cerdas ini dapat diproduksi. "Livrea Yacht adalah bagian berbeda dari ekosistem ini," ujar Moruzzi. Perusahaan lain yang bekerja sama dengan Moruzzi, Livrea Yacht sedang membangun perlayaran cetak 3D pertama di dunia, yang akan berkompetisi dalam balapan Mini-Transat solo transatlantik 2019. (Untuk detail lebih lanjut baca blog Scott Francis tentang proyek ini). "Semua teknologi dan kemajuan baru memerlukan investasi, jadi penting untuk mendidik mengapa investasi ini layak dilakukan. Anda juga perlu menciptakan keterlibatan." Dia mencatat bahwa, secara tradisional, bahan baru dan manufaktur telah menghasilkan kegemaran melalui balapan mobil, balapan kapal dan pesawat luar angkasa. "Livrea adalah balapan kapal yang akan menyeberangi Atlantik, ia memiliki bentuk desain generatif yang sangat menarik yang juga mencapai berat ringan, dan dibuat menggunakan cetak 3D tanpa cetakan. Kami dapat menggunakan ini sebagai saluran yang kuat untuk menyiarkan apa yang akan datang dengan desain generatif."
Masa depan manufaktur
Dia klaim ada proyek lain, misalnya di industri konstruksi, yang tidak dapat dibahas tetapi akan mengilustrasikan lebih jauh kekuatan dari apa yang mungkin. Namun, Moruzzi menyatakan masa depan komposit dan desain generatif adalah bukan hanya cetak 3D. "Dan saya tidak berpikir kami memiliki mesin akhir juga," katanya. "Pelanggan tidak ingin sistem CAD/CAM atau mesin tertentu. Pelanggan ingin solusi."
Moruzzi mengatakan bahwa saat dia memulai dalam komposit 15 tahun yang lalu, dia melihat industri kain dan tekstil. "Struktur yang paling canggih adalah tekstil itu sendiri karena ia menambahkan fungsionalitas serta performa struktural. Ia dapat membuat Anda panas atau dingin, ia dapat elastis atau tidak, ia dapat mengambil bentuk atau membatasi, menyusut atau melebar. Anda dapat memprogramnya dengan cara apa pun yang Anda inginkan." Dia melihat bahwa desain mesin tenun akan berubah. "Saat ini, ia terbatas oleh tabel pencarian, jadi saya hanya membangun beberapa serangkaian desain yang berbeda [pola tenun]. Namun kami akan menyinkronkan desain generatif dan apa yang akan menjadi tekstil struktural. Jadi manufaktur generatif tidak hanya akan menjadi cetak 3D. Opsi lain akan menjadi proses hybrid dengan tenun dan merajut dan menambahkan serat tidak kontinu. Kemudian kami akan mulai menggunakan bahan yang lebih berkelanjutan, termasuk biomaterial dan laba-laba sutera. Ada gerakan mesin hybrid besar yang akan datang. Anda dapat mensintesis mimpi Anda dengan menekan tombol."
Ada juga jalan maju di mana sistem berkolaborasi untuk terus meningkat. "Dengan pendekatan desain generatif untuk menghitung ruang desain alih-alih menggambar satu konsep desain, saat Anda mengubah apa pun, itu bukan iterasi FEA lagi karena ruang telah sepenuhnya dihitung," menjelaskan Moruzzi. Machine learning sudah diintegrasikan ke dalam sistem manufaktur komposit. Ini akan memungkinkan pelajaran yang dipelajari untuk dikirim kembali ke perangkat lunak desain generatif untuk diterapkan pada iterasi desain masa depan.
(Konsep ini dibahas di blog saya tentang lini produksi yang sedang dikembangkan untuk komposit termoest dalam proyek ZAero dan oleh Airborne, SABIC dan Siemens untuk komposit termoplastik.)
Full disclosure, ada platform desain generatif lain di luar sana. Dassault Systèmes sebenarnya membahas "Functional Generative Design" dalam kolomnya 2016 untuk CW, "Increasing the industrial adoption composites additive manufacturing".
Ada juga perusahaan lain yang mengembangkan cetak 3D dengan serat kontinu dan/atau sensor termasuk:
- Anisoprint (Rusia)
- Arevo
- Carbon Factory di ETH Zurich
- MarkForged
- McNair Center, Universitas Carolina Selatan
- moi composites
- Orbital Composites
- Universitas Shanghai
- Universitas Ilmu Pengetahuan Tokyo dan Universitas Nihon
https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf
