Design Generativo

Imagina que, em vez de andar horas sem fim a mudar individualmente cada detalhe de um certo assembly, poderias ter um algoritmo que, com apenas algumas condições e restrições, conseguiría-lo fazer por ti ?

Esta é a ideia principal do workspace de Design Generativo do Fusion 360. Fornecendo uma peça específica ou, como referido anteriormente, um assembly, o programa permite aplicar forças (loads), restrições (constraints) e selecionar partes da geometria para preservar e/ou alterar. Outro fator muito relevante a ter em conta está relacionado com a adição de objetivos finais, como a minimização da massa ou um fator de segurança para atingir o desempenho final desejado da peça. Após isto, o programa gera um leque variado de soluções que tenham estes critérios em conta, obtendo-se assim geometrias únicas que se podem distinguir entre si através de fatores como o tipo de material usado, métodos de fabrico aplicados e as diferentes massas de cada solução.

Então, mas afinal como funcionam estas diferentes ferramentas e qual o seu impacto no produto final?

O exemplo do ALCOA Bracket

Para começar a análise desta figura, é necessário entender primeiro o significado das cores expostas na mesma e a sua associação com as diferentes ferramentas. As regiões vermelhas representam a geometria de obstáculos (obstacle geometry), sendo que estas aplicam-se a componentes que representam espaços vazios onde não será adicionado material durante o processo de geração dos resultados. Para aumentar o tamanho de uma geometria de obstáculo sem modificar a geometria predefinida, pode-se proceder à criação de um offset de obstáculos (offset obstacle, área do cilindro a vermelho). Por outro lado, regiões verdes representam a geometria a preservar (preserve geometry), ou seja, a garantia que os componentes selecionados não irão sofrer alterações durante a geração dos modelos. Por fim, as regiões amarelas indicam a forma inicial (starting shape), que é a geometria de partida para o qual o programa irá gerar os vários modelos.

Para concluir o processo, são aplicadas forças nas secções relevantes (structural loads, indicado pela seta azul), incluindo a força da gravidade (seta a amarelo) de forma a simular as condições reais a que a peça será submetida. Para além disso, ainda são instruídas restrições (structural constraints, símbolo de cadeado na imagem) em certos pontos da geometria para auxiliar na definição das interfaces entre a peça e o seu redor. A fim de concluir este processo, definem-se os objetivos finais, tendo como possibilidades a minimização da massa, a definição do fator de segurança da peça, entre outras.

Aplicação destas funcionalidades no nosso projeto

Com base no conhecimento das diversas etapas e ferramentas presentes no Generative Design Workbench do Fusion 360, avançámos na implementação deste processo em algumas peças do drone, desenvolvidas anteriormente na etapa M0. O objetivo primário para esta fase M1, no contexto do design degenerativo, foi gerar vários ensaios para cada peça com o intuito de identificar se algum dos modelos CAD gerados poderia ser considerado uma alternativa viável à peça original. Foram alvos de estudo três peças, listadas a seguir.

As três peças alvo de estudo

O corpo (body) do drone

Esta foi a primeira peça em que começámos a trabalhar devido à sua natureza bastante complexa. A escolha desta peça foi realizada tendo em conta o seu papel fundamental na estrutura do drone, uma vez que define essencialmente a forma da sua estrutura e das peças à sua volta.

Braço da câmera 1

Peça integrada no assembly da câmara, sendo uma parte do braço que a sustenta e segura. Esta é vital, pois permite sustentar e restringir o movimento da câmara em si.

Braço da câmera 2

Segunda parte do braço que sustenta a câmera, Esta peça irá fazer a conexão essencial entre o corpo da câmera e o corpo do drone.

Primeiros ensaios efetuados no corpo do drone

Começou-se por definir as várias ferramentas mencionadas, como a preserved geometry e a obstacle geometry no corpo do drone. As preserved geometries referem-se a localizações específicas onde ocorre a conexão com outros componentes, cujas dimensões precisam de ser mantidas para garantir que a montagem da estrutura seja funcional . Utilizou-se de seguida offset obstacles para preencher as áreas interiores do drone, evitando a criação de material dentro do corpo, sendo vital que estes espaços se mantenham desobstruídos (garantia das ligações entre outros componentes, instalação da bateria, entre outras). Além disso, foram aplicadas forças e restrições de acordo com o expetável que seria imposto no drone. As forças, por exemplo, derivam sobretudo dos diversos componentes que são fixos a esta peça, como as câmaras, as baterias... Por sua vez, as conexões com a peça em casca que a envolve são utilizadas como constraints. Os objetivos principais impostos consistiram nos objetivos padrão: minimizar a massa e garantir um fator de segurança 2. No entanto, os resultados ficaram aquém do que era expetável, apresentando discrepâncias significativas em relação à realidade. Quando se tentou integrar a peça resultante com outros componentes do drone, observou-se que os resultados estavam distantes das expectativas de desempenho e funcionalidade esperadas.

Ensaio final para o corpo do drone

Diante dos resultados menos favoráveis das primeiras iterações/ensaios, procurámos resolver as interferências presentes no modelo, acrescentando ainda melhores fixações da peça. Foi efetuada também uma refinação dos obstacles bodies para melhor impedir a criação de material nas zonas interiores do drone, especialmente nas proximidades das preserved geometries. Por último, acrescentou-se novos load cases que refletiam melhor as condições gerais de utilização do drone, uma vez que o drone pode estar com os braços elevados ou rebaixados, e pode estar a transportar ou não o gimbal, o que irá alterar os resultados obtidos. As imagens a seguir ilustram o load case em que é considerado que o drone está a transportar a gimbal, e os seus braços estão elevados. Para além da gimbal e dos braços, as restantes forças devem-se às baterias, ao eixo do mecanismo de movimento, à câmara frontal e à gravidade, cada qual calculado mediante estimativas de peso derivadas dos dados encontrados online. O ponto de atuação das forças de sustentação e do peso da gimbal correspondem ao centro de massa dos referidos subassemblys, cujas posições foram calculadas no SolidWorks.

Nesta nova abordagem, os resultados não foram tão diversificados, tendo-se obtido dois grupos de peças bastante similares, dos quais são considerados somente dois exemplares, expostos a seguir. Os resultados obtidos nesta última ronda apresentaram-se mais realistas e consistentes em comparação com os obtidos anteriores, mas a sua aplicabilidade para substituir a peça original é limitada.

Manufatura Aditiva
Material: ABS
Massa: 0,122 kg
Máx. Tensão Von Mises: 2,115 MPa

Injeção
Material: ABS
Massa: 0,482 kg
Máx. Tensão Von Mises: 1,268 MPa

Apesar de apresentar uma máxima tensão de Von Mises, considerámos que a abordagem da esquerda seria a mais interessante para servir como base numa eventual remodelação do design. Primeiramente, por a sua massa ser menos de um quarto da massa da peça à direita, e mesmo assim apresentar uma tensão máxima que não chega sequer a ser o dobro da apresentada pela outra peça. Para além disso, de um ponto de vista económico, a injeção é um processo de fabrico bastante dispendioso que, ao contrário da manufatura aditiva, somente se torna rentável a partir do patamar das milhares de unidades. Deste modo, considera-se que a manufatura aditiva é mais indicada.

Os restantes ensaios efetuados

Para estas duas peças, foram realizados vários ensaios de tentativa e erro, ajustando as obstacle e preserved geometries, tal como as loads e constraints, com o objetivo de obter o maior número possível de resultados. O intuito final foi gerar um conjunto de peças que pudesse ser considerado como uma alternativa viável ao modelo original do drone, tal como instruído na peça do corpo do drone. Os resultados obtidos para as duas peças mostraram um padrão semelhante ao observado nos ensaios com o corpo do drone: o design irrealista de algumas peças torna-as inviáveis como alternativas às peças originais no processo de montagem do drone. Isto sugere que os resultados são de certa forma inconsistentes e dispersos, dificultando a sua implementação.

Resultados obtidos para as duas peças

Resultados para o braço da câmera parte 1 Resultados para o braço da câmera parte 2

Assembly Final

A última etapa desta pequena viagem através do mundo do Generative Design envolveu a exportação das peças criadas no Fusion para o SolidWorks, onde se procurou conciliá-las com o assembly que foi desenvolvido na fase M0. Para tal, foi ainda necessário realizar algumas alterações, por se denotar a existência de interceções com as peças pré-existentes. O resultado obtido pode ser observado em seguida:

Considerações finais

Através da utilização do Generative Design Workbench do Fusion 360 foi-nos possível explorar mais uma alternativa na modelação de peças CAD. Graças à sua interface simplista, mesmo com a nossa experiência limitada no uso do software, foi-nos possível nos começar a trabalhar no mesmo de forma intuitiva, aprendendo rapidamente a utilizar as suas ferramentas e capacidades. Essa facilidade de uso é uma vantagem em comparação com outros programas, como o SolidWorks, que possuem uma curva de aprendizagem mais acentuada. Por outro lado, neste software não foi possível gerar peças com o mesmo nível de funcionalidade e desempenho das peças originalmente criadas. Constatou-se que o Generative Design é mais útil como uma ferramenta auxiliar para engenheiros visualizarem diferentes possibilidades de adição e remoção de material, servindo como uma fonte de inspiração. A partir dessas sugestões, o engenheiro poderia, então, remodelar as peças para alcançar um design mais preciso e funcional.

Em suma, o Generative Design Workbench do Fusion 360 pode desempenhar um papel valioso no processo de idealização e exploração de peças alternativas com um nivel de complexidade mais superior, mas não é um substituto direto para a modelagem detalhada e a produção das peças finais.