人工智能算法结合3D打印技术让碳纤维突破现有材料性能 | 智能制造

发布日期:2019-07-28 10:00
碳纤维复合材料的重量非常轻,这就是为什么它们是最新飞机设计的关键所在。然而,它们仅在一个方向上很强,所以它们通常在成形为结构之前以网格图案分层或编织。这意味着一组纤维在某些时候承载负载,另一组在其他时间承载负载--这不是该材料最有效的使用方式。



2014年,Hemant Bheda担任Quantum Polymers的首席执行官,该公司生产挤压塑料棒材,板材和其他加工零件形状。该公司在其部分材料中使用了切碎的碳纤维,但潜在客户要求使用一种材料,该材料需要将连续碳纤维嵌入聚合物材料中,并采用精心铺设的路径,以使材料具有超强的机械性能。

“我说我们不能这样做。”Bheda回忆说,但他一直在考虑这个要求。正如他所说的那样,他的职业生涯一直专注于软件,特别是图像压缩和视频,他一直知道关键问题是软件问题而不是硬件问题。

后来,他遇到了一篇关于3D打印的论文。他想,为什么我们不能提出一种人工智能算法来优化三维空间中纤维的方向,只在你需要的方向上使用纤维。

Bheda与Wiener Mondesir一起创办了一家公司来探索这种可能性。他们将他们的公司Arevo命名为“制造业的革命”。

在一家飞机公司的支持下,他们花了两年时间试图建立一个3D打印系统和软件,可以生产满足航空航天要求的零件。该系统基于传统的熔融沉积3D打印机,这是人们在家中使用的那种。用于熔化材料的导电加热过程是缓慢的,该材料是聚合物和连续碳纤维的复合物。Bheda说,它不符合航空航天业的机械和质量要求。“我们知道我们需要转向基于激光的3D打印系统,可以让我们更快并且无需接触热传递,而且不会磨损纤维。”

然而,这需要更多时间、更多人和更多钱。2016年底,Bheda和Mondesir 就这一概念向风险投资家Vinod Khosla提出了建议。“他立刻采纳了它。”Bheda向尔盖茨引荐了Arevo团队。Bheda说,“他们立即理解了这种潜力,我们的方法与现有的纤维堆叠方式完全不同,它将优化我们使用纤维的方式,并且只需要更少的材料”。

Khosla Ventures向该公司投入了700万美元。在从包括空中客车在内的投资者那里筹集更多资金之后,Arevo的资金总额现已达到3400万美元。该公司拥有35名员工,拥有25名工程团队,其中包括14名拥有博士学位的工程师或科学家

Arevo的目标始终是使其工艺运行良好,足以生产飞机零件。这仍然在议程上。但像许多硅谷初创公司一样,Arevo并不反对在此过程中做出一些应用领域的分支。

在2018年3月,该团队开始为该公司的A轮投资者策划一个产品演示。他们拥有专用软件--它使用特定部件上的应力方向进行计算并告知碳纤维的最佳布局,并且已经构建了基于激光的3D打印机原型。Bheda回忆道,当工程师集思广益,该工艺可以生产什么产品时,有人说我们为什么不打印自行车。

为什么不?但他们需要自行车设计。他们是从经验丰富的自行车设计公司Studiowest那里得到了设计方案。Bheda说,“设计师对该技术如何突破原有的设计极限感到十分兴奋。”

除了允许新的形状,3D打印自行车车架将大大简化其结构。传统的自行车车架包含许多必须手工组装的零件,这是一个复杂的过程,有很大的误差空间。

“Studiowest的设计师向我们发送了一个设计方案,为我们提供了包括负载在内的设计要求,我们通过我们的软件进行了碳纤维材料设计。”Bheda说。“该软件告诉我们如何定向纤维。然后,我们将自行车打印出来并送到当地一家自行车店,添加车轮、踏板和刹车等部件。”

然后,设计师过来试骑自行车。“他们非常惊讶地。”Bheda说道。“我们想知道为什么他们感到惊讶。 他们解释说,他们通常会经历多次迭代设计、骑行、做出一些设计改进、再次骑行。它通常需要很长时间,长达18个月,但距离他们发送设计的不到14天,我们就制造出来了自行车。“

自行车设计师敦促Arevo向大型商业自行车公司的首席执行官展示产品。他们于2018年4月在蒙特利的Sea Otter Classic举办,这是北美最大的消费者自行车展。

“我们遇到的首席执行官都很感兴趣。”Bheda说。“他们认为实在太好了。”这促使Arevo成为了电动自行车创业公司Emery。今年4月,Arevo团队又回到了Sea Otter展会,观看了Emery的电动自行车的推出,采用了3D打印的碳纤维复合材料框架。


Arevo的Hemant Bheda与他的公司打印的首批碳纤维复合自行车

自展出以来,Emery一直在接受Emery One电动自行车的订单,并将于本季度开始向客户发货。当我在六月访问Arevo时,该公司的五台打印机中有两台放下自行车架,预计将在几周内完成所有五个3D打印自行车车架,这将使其每周可以制造10个自行车车架。然后,该公司希望提高该过程的速度,直到产能每周达75个。

该系统看起来像是使用PLA线圈作为原料的桌面打印机,但有一些显著差异。Arevo的版本更大,并以工业机器人手臂为核心。在优雅的编排中还有一个额外的步骤:放下材料--切割。因为复合材料中的碳纤维不会在打印头停止加热和拉开时自行整齐地分离。最后,有一个打印机床,而不是一个平台,它是一个三维结构,由塑料打印,允许碳纤维实现角度垂直,而不是要求这些角度建立在层外。这是确保纤维朝向正确方向的重要部分。

新的自行车设计进一步利用了3D打印的优势。Arevo已经与另一家尚未宣布的自行车制造商合作,采用完全不同的设计,前轮只有一个前叉和其他不寻常的功能。Arevo将在可预见的未来从事自行车制造业务,因为该计划至少目前不是将打印机销售给其他人,而是将其软件和打印功能作为一项服务进行销售。

“技术是新的。”Bheda说,“所以我们不想失去与最终客户的联系; 如果我们不自己制造零件,我们就不会了解问题并且改进这项技术。“

Bheda说,“在自行车领域证明其技术可靠之后,该公司将重新回到这些飞机零件。Arevo还将风能和建筑领域作为潜在的未来市场。”

“然后有飞行汽车。那不是开玩笑。”Bheda说。“飞行汽车市场可能会成为Arevo的最佳选择。它们将以比飞机产业具有更大的体量,用于当前飞机的制造技术将无法扩展到那飞行汽车领域。我们的技术至少比任何其他热塑性技术提前三年,所以我们将做好大范围推广的准备。“