Генеративный дизайн и 3D-печать:производство завтрашнего дня

Генеративное проектирование - это программный инструмент, который позволяет инженерам и дизайнерам подходить к проблемам проектирования более инновационными и эффективными способами. Алгоритмы генеративного проектирования исследуют все возможные проектные решения, определяя цели и ограничения, предлагая инженерам множество вариантов для изучения .

Хотя генеративный дизайн все еще находится в зачаточном состоянии, он продемонстрировал замечательный потенциал для промышленного применения, особенно в сочетании с 3D-печатью. Вместе генеративный дизайн и 3D-печать могут обеспечить большую гибкость дизайна, создавая при этом более легкие и прочные детали.

Сегодня мы рассмотрим преимущества и текущие проблемы использования генеративного дизайна, особенно в сочетании с 3D-печатью. Мы также рассмотрим некоторые из самых популярных программ для генеративного дизайна, используемые с 3D-печатью, и взглянем на компании, использующие технологии генеративного дизайна для внедрения инноваций.

Что такое генеративный дизайн?

Генеративный дизайн - довольно новая технология. Как и в случае с любой новой технологией, в отрасли по-прежнему отсутствует консенсус относительно ее определения. Несмотря на это, кажется, есть два основных взгляда на генеративный дизайн:либо как широкий термин, охватывающий оптимизацию топологии, либо как совершенно отдельную технологию.

Обычно генеративный дизайн описывает его как технологию, которая использует мощные вычисления для помощи в процессе проектирования.

Вот пошаговое руководство, как работает генеративный дизайн:

1. Установить параметры

Разработчик определяет и устанавливает параметры для конструкции детали на основе таких параметров, как вес, материал, размер, стоимость, прочность и методы изготовления.

2. Создавайте дизайны

Программа генеративного проектирования использует алгоритмы для исследования и создания тысяч вариантов дизайна. На этом этапе программное обеспечение также может использовать алгоритмы на базе искусственного интеллекта для анализа каждого проекта и создания наиболее эффективных дизайнов.

3. Выберите лучшие варианты
Затем разработчик может изучить эти проекты и выбрать результаты, которые лучше всего соответствуют цели дизайна.

Для определения геометрии дизайна алгоритмы генеративного дизайна могут использовать ряд различных подходов, например такие как оптимизация топологии, биомимикрия и морфогенез.

Основное различие между этими подходами состоит в том, что алгоритмы оптимизации топологии обычно начинаются с уже существующей конструкции и удаляют из нее материал для уменьшения веса детали.

Биомимикрия и морфогенез, напротив, имитируют эволюционный подход природы к дизайну, такой как рост корней и ветвей деревьев или эволюция костных структур, используя это для создания вариантов дизайна.

Преимущества генеративного дизайна

При использовании с 3D-печатью преимущества могут быть расширены, включая снижение производственных затрат и повышение производительности. Мы выделили 3 основных преимущества:

1. Варианты инновационного дизайна

Программное обеспечение для генеративного дизайна может создавать геометрию, выходящую за рамки того, что люди могут представить, тем самым расширяя человеческие возможности в дизайне продукции.

2. Облегчение

Инструменты генеративного проектирования дают инженерам ресурсы для создания легких деталей с использованием минимального количества необходимых материалов и при соблюдении технических требований.

3. Объединение деталей

Генеративное проектирование может предоставить решения для объединения узлов в единую деталь. Объединение деталей упрощает процесс сборки, обслуживания и может снизить общие производственные затраты.

Почему генеративный дизайн идеально подходит для 3D-печати?

Программное обеспечение для генеративного дизайна помогает концептуализировать детали сложной, органичной формы. С другой стороны, 3D-печать, возможно, является идеальной технологией для воплощения этих форм в жизнь, поскольку она не только способна создавать сложные геометрические формы, но и делает это рентабельно. При традиционном производстве изготовление такой формы часто может быть непрактичным, если не невозможным, либо из-за высокой стоимости, либо из-за ограничений технологии.

Однако было бы ошибкой утверждать, что генеративный дизайн ограничен только аддитивное производство, хотя во многих случаях технология будет наиболее оптимальным методом производства. С помощью некоторых пакетов программного обеспечения для генеративного проектирования вы можете указать такие методы производства, как обработка с ЧПУ, литье или литье под давлением, в дополнение к AM.

Проблемы генеративного дизайна

В настоящее время генеративный дизайн находится на ранней стадии разработки, что означает, что первые пользователи могут столкнуться с определенными проблемами.

№1:Кривая обучения

Например, точное определение проблемы проектирования в вычислимых терминах, которую должно решить программное обеспечение для генеративного проектирования, потребует значительного обучения. Инженеры, не имеющие опыта в представлении проблемы проектирования в виде набора параметров, могут столкнуться с нечетко определенными конструктивными ограничениями или нагрузками, что в конечном итоге приведет к провалу проекта.

№2:разрыв между дизайном и производством

Еще один момент, который следует учитывать при генеративном дизайне, заключается в том, что эффективные конструкции не всегда могут быть эффективно произведены. Например, в тематическом исследовании Renishaw инженеры топологически оптимизировали коленчатый рычаг подвески. Однако они не приняли во внимание технологичность оптимизированной детали. Это привело к дизайну, который требовал печати большого количества опор, тогда как хорошей практикой является проектирование деталей с минимальным количеством необходимых опор.

№3:Сложная геометрия

Кроме того, дизайны, созданные с помощью инструментов генеративного дизайна, могут создавать геометрические формы, сложные даже для 3D-печати. Свисающие элементы и тонкие стены - лишь несколько примеров этого. Однако новые инструменты генеративного проектирования предоставляют опции, позволяющие пользователю указать дополнительные производственные данные, такие как углы вылета и минимальная толщина стенки.

№4:Необходимые ресурсы

Наконец, генеративные подходы к проектированию могут потребовать значительных вычислительных ресурсов и потребовать мощных вычислительных возможностей оборудования. Однако все больше и больше компаний предлагают программное обеспечение для генеративного проектирования, которое использует облачные вычисления, избавляя от необходимости вкладывать средства в дорогостоящее оборудование.

Программные решения для генеративного дизайна для 3D-печати

Хотя рынок программного обеспечения для генеративного проектирования является новым, уже существует ряд пакетов программного обеспечения, доступных как для аддитивного, так и для субтрактивного производства. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из наиболее многообещающих предложений в области генеративного дизайна для 3D-печати.

Генеративное проектирование Autodesk

Autodesk находится на переднем крае разработки генеративного дизайна. В апреле компания запустила платформу Autodesk Generative Design, встроенную в облачное программное обеспечение для разработки продуктов Fusion 360 Ultimate.

Как это работает

Платформа позволяет инженерам определять такие параметры конструкции, как материал, размер, вес, прочность, методы производства и ограничения по стоимости. Примечательно, что программное обеспечение использует алгоритмы на основе искусственного интеллекта, которые помогают фильтровать допустимые проекты среди множества вариантов дизайна. Программное обеспечение также принимает во внимание технологичность, позволяя дизайнерам выбирать до десяти различных материалов для аддитивного производства для изучения конструкции.

Frustum GENERATE

Frustum, молодая компания, основанная в 2014 году, стремится стать важным игроком в области генеративного дизайна. Компания предлагает программное обеспечение GENERATE - интуитивно понятную программу для создания компонентов с оптимизированной топологией для аддитивного производства, фрезерования и литья. GENERATE - это облачная платформа, доступная на трех уровнях:бесплатный, профессиональный и корпоративный.

Как это работает

В GENERATE пользователь назначает определенные значения нагрузки и ограничений граням детали. Программа, работающая на движке генеративного проектирования TrueSOLID® компании Frustum, затем генерирует карту концентраций напряжений для анализа методом конечных элементов (FEA). С помощью этой карты пользователи могут вносить изменения в геометрию детали, в частности, чтобы уменьшить количество ненужного материала в ее структуре. Модель может быть сохранена в формате STL и готова к 3D-печати.

В прошлом году Frustum объявила о партнерстве с Siemens, и в настоящее время технология передана по коммерческой лицензии программному обеспечению Siemens PLM и интегрирована в Siemens NX и Siemens SolidEdge.

Desktop Metal's Live Parts ™

Исследовательская группа DM Lab из Desktop Metal, американского производителя металлических систем AM, недавно анонсировала свою экспериментальную технологию под названием Live Parts ™.

Как это работает

Платформа генеративного дизайна Live Parts ™ использует вдохновленные природой алгоритмы, которые заставляют детали «расти» на основе набора заранее определенных параметров, таких как размер, назначение и вес. Программа создает дизайн, превращая его из семенной клетки в оптимизированную структуру, которая является прочной, легкой и устойчивой к усталости. Процесс «выращивания» детали обычно занимает от 5 до 5 минут, в зависимости от размера модели.

Генеративный дизайн на практике

Хотя продукты с генеративным дизайном далеки от того, чтобы стать мейнстримом, они открывают большие перспективы для таких дорогостоящих отраслей, как аэрокосмическая, автомобильная и медицинская. Чтобы первыми воспользоваться преимуществами генеративно-разработанной и аддитивной продукции, некоторые компании в этих отраслях уже начали исследовать сочетание того и другого.

Автомобильная промышленность

Например, с помощью 3D-печати и генеративного дизайна Bugatti Automobiles усовершенствовала настоящую систему управления крылом для суперкара Chiron мощностью 1500 л.с. в рамках проекта тестирования программного обеспечения генеративного дизайна Siemens.

Используя платформу Siemens NX, автопроизводитель смог оптимизировать вес узла, который затем был напечатан на 3D-принтере из титана и углеродного волокна. Такой подход привел к снижению веса более чем на 50%.

General Motors - еще один производитель автомобилей, изучающий возможности генеративного дизайна и 3D-печати для своих будущих продуктов с помощью программного обеспечения Autodesk для генеративного дизайна. - говорит Кевин Куинн, директор по аддитивному производству General Motors.

На данный момент GM не печатает на 3D-принтере детали с генеративной конструкцией для производства, вместо этого сосредотачиваясь на проверке концепции. Например, в первоначальном проекте GM использовала программное обеспечение Autodesk для создания более 150 вариантов конструкции кронштейна сиденья. Они были на 40% легче и на 20% прочнее, чем кронштейн, который используется в настоящее время. Компания также смогла объединить восемь различных компонентов кронштейна в одну деталь, напечатанную на 3D-принтере.

Тем не менее, одна автомобильная компания достигла важной вехи, создав деталь, разработанную и массово производящуюся на 3D-принтере. BMW недавно продемонстрировала отмеченный наградами кронштейн на крышу для родстера BMW i8. Инженеры BMW использовали оптимизацию топологии, чтобы минимизировать количество материала, необходимого для изготовления детали, а затем напечатали деталь на 3D-принтере из титана. Оптимизация топологии не только привела к снижению веса на 44%, но и позволила создать конструкцию, не требующую опорных конструкций в процессе 3D-печати. ​​

Медицина

В медицине генеративный дизайн может использоваться для создания имплантатов, воспроизводящих пористую природу человеческой кости. Медицинская компания NuVasive из США использует свое собственное программное обеспечение для оптимизации конструкции для создания титановых имплантатов. Программное обеспечение позволяет создавать решетчатые, асимметричные и легкие конструкции, которые возможны только при аддитивном производстве.

Взгляд в будущее:будущее генеративного дизайна

Примеры генеративного дизайна, используемые в различных отраслях, становятся все более распространенными, поскольку технология все больше интегрируется в рабочие процессы проектирования продуктов. Хотя это все еще относительно новая технология, она уже предлагает инженерам совершенно новый взгляд на дизайн продукта.

Хотя искусственный интеллект и машинное обучение во многом обусловили недавний прогресс в технологии генеративного дизайна, аддитивное производство также сыграло ключевую роль в распространении ПО для генеративного дизайна. Ожидайте, что благодаря дальнейшему развитию машинного обучения, возможностей облачных вычислений и AM технология генеративного проектирования станет ключевым фактором будущего производства.