Zabudnuté heslo?
Prihlásenie

„Vyvinuté štruktúry“ NASA radikálne znižujú váhu a čas návrhu

„Vyvinuté štruktúry“ NASA radikálne znižujú váhu a čas návrhu
Autor:
Roman Mališka
Zverejnené:
15. 2. 2023
Hodnotenie:
Už ste hlasovali.

Evolúcia formovala nosné kostry živočíchov po celé veky s neuveriteľnou presnosťou. Teraz zrýchlená simulácia evolučného procesu pomáha NASA vytvárať pevnejšie a ľahšie súčasti pre jej projekty vesmírnych lodí, a to v rekordne krátkom čase.

Náklady na vypustenie vesmírnych rakiet za posledné desaťročie alebo dve klesli, ale vynesenie hmoty na obežnú dráhu stále nie je lacné. Letecký a kozmický priemysel teda zostáva odvetvím, kde odľahčenie môže znížiť takmer všetky náklady.

V tejto súvislosti je trochu zvláštne, že NASA trvalo tak dlho, kým začala používať generatívny dizajn vo svojich súčiastkach. Už v roku 2017 sa v CAD softvéri Fusion360 od spoločnosti Autodesk objavilo nové tlačidlo, ktoré umožňuje ľudským konštruktérom urobiť hrubý návrh súčiastky, správne nastaviť všetky kritické merania, povedať softvéru, aké zaťaženie a namáhanie musí súčiastka vydržať, a z ktorých smerov, a potom nechať softvér odísť a začať experimentovať s tým, ako vykonať prácu s maximálnou účinnosťou.

Softvér potom začne iterovať, meniť veci po kúskoch, podobne ako náhodné mutácie skúšajú nové kombinácie živočíšnej DNA, a testovať ich na základe potrebných výkonnostných cieľov, podobne ako život testuje svoje mutácie DNA. V priebehu miliónov generácií softvér pridá tu trochu kovu, tam trochu odstráni a kontroluje, či je súčiastka silnejšia alebo slabšia, ľahšia alebo ťažšia ako jej predchodcovia.

V prekvapivo krátkom čase (pár hodín, ak má prístup k výkonnému cloudovému spracovaniu) sa vráti s tvarmi, ktoré by človek nikdy nemohol priamo navrhnúť. Nápadne sa však podobajú na dielo prírody. Tam, kde je potrebné vyrovnať sa s väčším namáhaním, sa postupne zhrubnú. Tam, kde je napätie menšie, sa stenčujú. Podporné štruktúry sa strácajú tam, kde nie sú potrebné, a majú tendenciu vyrovnať sa s dráhou zaťaženia. Skrátka, začnú vyzerať čudne kostnaté a organické. No fungujú.

Kostnaté, organické tvary generatívne navrhnutých dielov začínajú mať v NASA veľký vplyv.

Výskumný inžinier NASA Ryan McClelland hovorí, že tieto „vyvinuté štruktúry“ často vykonávajú svoju prácu oveľa lepšie ako oveľa ťažšie časti navrhnuté človekom: „Zistili sme, že v skutočnosti znižujú riziko. Po týchto stresových analýzach sme zistili, že diely vygenerované algoritmom nemajú také koncentrácie napätia, aké máte pri ľudských konštrukciách. Faktory namáhania sú takmer 10-krát nižšie ako pri dieloch vyrobených odborným človekom“.

McClelland bol priekopníkom a zástancom používania generatívneho navrhovania v NASA, pričom preukázal jeho schopnosť znížiť hmotnosť jednotlivých konštrukčných komponentov až o dve tretiny. A hoci táto evolučná technika umelej inteligencie nachádza svoj najplnší prejav v kombinácii s aditívnou výrobou alebo procesmi 3D tlače, ktoré jej umožňujú navrhovať tvary, ktoré sa nedajú konvenčne vyrobiť, zdá sa, že NASA v tejto fáze stále navrhuje v rámci možností svojich komerčných partnerov na frézovanie.

Tento proces však dostáva diely do rúk oveľa, oveľa rýchlejšie ako typický pracovný postup navrhovania v NASA.

„Môžete vykonať návrh, analýzu a výrobu prototypovej časti a mať ju v ruke už za jeden týždeň,“ povedal McClelland. „Môže to byť radikálne rýchle v porovnaní s tým, ako sme zvyknutí pracovať“.

Ryan McClelland je priekopníkom v používaní generatívneho dizajnu a "vyvinutých štruktúr" v NASA.

Súčasti sa používajú v širokej škále projektov, od misie na návrat vzoriek z Marsu až po vesmírne teleskopy, vesmírne monitory počasia, planetárne prístroje, balónové observatóriá a iné. Príkladom sú uvedené krížové tvary. Sú to titánové lešenia pre zadnú časť teleskopu EXCITE, ktorého štart je naplánovaný na tento rok, a spájajú dosku z uhlíkových vlákien podopierajúcu hlavné zrkadlo s infračerveným prijímačom umiestneným v hliníkovej kryogénnej komore.

V organizácii, ako je NASA, kde sa projekty zriedkavo podieľajú na spoločných súčiastkach, sa dá oveľa viac získať z vlastných ľahkých konštrukcií ako z návrhu pre hromadnú a lacnú výrobu. Táto technológia sa teda výborne hodí.

„Ak ste spoločnosť vyrábajúca motocykle alebo autá,“ povedal McClelland, „môže existovať len jeden návrh podvozku, ktorý budete vyrábať, a potom ich budete vyrábať niekoľko. Tu v NASA vyrábame každý rok tisíce dielov na mieru“.

Hliníkové lešenia navrhnuté pre zadnú časť teleskopu EXCITE, ktorý sa má spustiť v roku 2023. Krížové tvary umožňujú odolať značným silám prichádzajúcim mimo stredu.

McClelland má veľmi blízko k zavedeniu aditívnej výroby do tohto procesu, čo by mohlo veci ešte viac urýchliť a umožniť ešte väčšiu úsporu hmotnosti a nákladov na tento druh dielov na mieru. Odomkne sa tým aj možnosť tlače zložitých pohyblivých dielov, nehovoriac o myšlienke 3D tlače dielov vo vesmíre.

„Tieto techniky by mohli NASA a komerčným partnerom umožniť vyrábať na obežnej dráhe väčšie komponenty, ktoré by sa inak nezmestili do štandardnej nosnej rakety,“ hovorí McLelland. „Mohli by dokonca uľahčiť konštrukciu na Mesiaci alebo Marse s použitím materiálov, ktoré sa nachádzajú na týchto miestach“.