Что такое генеративный дизайн и как его можно использовать в производстве?

Генеративный дизайн представляет собой смену парадигмы в том, как все проектируются, с машинным обучением и облачными вычислениями в качестве ваших партнеров по дизайну. Речь идет об исследовании дизайна, инновациях и продвинутых вычислениях.

Что такое генеративный дизайн?

Генеративный дизайн - это форма искусственного интеллекта, которая решает определенные инженерные задачи, и предлагает ряд подходящих решений на выбор, которые можно доработать в соответствии с потребностями.

Вместо того, чтобы пытаться учитывать ограничения и параметры при разработке продукта, детали или инструмента, дизайнеры сообщают программному обеспечению, каковы ограничения и возможности для критериев конечного использования, которые они определили.

Типы ограничений включают:

• Материалы
• Устойчивость
• Сила
• Стоимость
• Представление

По сути, вы говорите алгоритму генеративного проектирования, что не знаете решения, но знаете требования.

На скорости современных облачных вычислений самонаправленный процесс генеративного проектирования по определению возможных комбинаций на основе ваших требований может представить множество предварительно проверенных итераций готового проекта - тысячи, если необходимо.

Думайте об этом как о проектировании извне: устанавливаются различные атрибуты дизайна, которые помогают достичь наилучшего результата, а не традиционный метод применения прототипов к критериям производительности для дальнейшего уточнения. Это дизайнерская дисциплина, которую можно использовать для решения любых задач: от простых обычных конструкторских задач до очень высокоточных конструкций.

Генеративное проектирование можно использовать в широком спектре производственных отраслей, включая:

• Потребительские товары
• Автомобильная промышленность
• Аэрокосмическая промышленность
• Промышленное оборудование
• Строительная продукция

Как можно использовать генеративный дизайн в производстве?

Основной вариант использования генеративного проектирования в производстве - это автоматический запуск вариантов дизайна, которые предварительно проверены на соответствие установленным вами требованиям. Это может быть особенно важно для эффективного производства. Иногда деталь или инструмент должны вписываться в устоявшийся рабочий процесс или конвейер - методологически или физически - как часть более крупного устройства или процесса.

Переоснащение всего рабочего процесса под новую деталь может быть разрушительным и дорогостоящим. И хотя человек-дизайнер обладает опытом, позволяющим экспериментировать в рамках жестких ограничений, существует множество вариантов, которые можно исследовать с помощью программного обеспечения для генеративного проектирования, такого как Autodesk Fusion 360, для минимизации веса или затрат на материалы или для максимизации показателей производительности.

Многие существующие процессы, включая аддитивное производство, обработку с ЧПУ и литье, работают лучше, когда вводится генеративный дизайн. Его можно использовать для повышения производительности продукта, снижения затрат и изучения новаторских концепций дизайна.

3 ключевых преимущества генеративного дизайна в производстве

Использование генеративного дизайна в производственных процессах дает значительные преимущества. Генеративный дизайн упрощает снижение веса детали без ущерба для функциональности, дает преимущества в области устойчивого развития, сокращая использование сырья и воздействие на окружающую среду, одновременно повышая производительность и сокращая расходы.

1. Повышение эффективности продукта

Материалы и дизайн являются партнерами в производстве, при этом разные вещества проявляют разные свойства. Использование другого материала может полностью изменить дизайн.

Когда на рынок выходит новый материал или экономические факторы ограничивают доступ к типичному материалу, это может вернуть дизайнеров к чертежной доске, что является очень дорогостоящим процессом переоснащения всего рабочего процесса. Генеративный дизайн может вернуть их в нужное русло быстрее, учитывая все материалы, доступные для проекта. Независимо от того, выбирают ли они конкретные материалы или параметры, связанные с гибкостью, жесткостью, весом или реакцией на факторы окружающей среды, алгоритм генеративного проектирования имеет глобальный набор данных - облако - из которого можно виртуально тестировать альтернативы намного быстрее, чем команда инженеров-проектировщиков.

Облегчение

Это простая физика: если что-то тяжелее, его труднее толкать, поднимать или иным образом перемещать. А когда дело доходит до таких областей, как общественный транспорт, один из наиболее очевидных путей к сокращению использования ископаемого топлива - это уменьшить вес автомобилей, автобусов или самолетов, чтобы им требовалось меньше топлива для передвижения.

Облегчение вызвало интерес к футуристическим материалам, таким как графен или углеродное волокно, чтобы заменить более тяжелые материалы промышленной эры, такие как железо и сталь.

Уменьшение массы материала экономически выгодно, например:

• Логистика: доставка более легких товаров увеличивает объем на единицу используемой мощности.
• Производство: будь то в заводском цехе или на столе в гостиной, делать вещи быстрее и проще.

Использование генеративного дизайна для сокращения количества материала в глобальном масштабе, в обществе, может означать большую способность производить то, что необходимо для поддержки растущего населения, используя меньше сырья. Исследования показывают, что можно сократить количество используемого материала до 40%.

Экологичность - ключевое преимущество легкости: более легкие продукты требуют меньше сырья. Генеративный дизайн позволяет пользователям исследовать разные дизайны, основанные на разных материалах. И при этом есть возможность использовать более экологичный материал.

Например, используя генеративный дизайн, аэрокосмическая компания Airbus создала перегородку кабины, которая отделяет пассажиров от зоны кухни в самолете A320, что является хорошим доказательством концепции с невероятными результатами. Каждый килограмм, сэкономленный на борту A320, экономит 106 кг топлива, а каждая перегородка весит около 30 кг. Airbus подсчитал, что если бы все перегородки в салоне были выполнены одинаково, это позволило бы сэкономить более 1000 фунтов веса каждого самолета, что снизило бы выбросы CO2 на 166 тонн в год для каждого самолета.

Представьте себе использование генеративного дизайна для масштабирования этого до столов на подносах, сидений и даже - с учетом правильных материалов - органов управления или планера, и преимущества для окружающей среды станут очевидны.

Стремясь повысить производительность и снизить вес, японский производитель автозапчастей DENSO провел капитальный ремонт блока управления двигателем (ЭБУ), который управляет количеством и синхронизацией подачи топлива с помощью электронной системы впрыска топлива автомобиля. Используя генеративный дизайн, компания DENSO создала оптимальную форму, чтобы сделать блок управления двигателем на 12% легче, сохранив при этом способность рассеивать тепло оригинального блока управления.

Другой пример облегчения - от канадского поставщика запчастей для мотоциклов MJK Performance . Компания определила специальную нишу среди любителей мотоциклов Harley-Davidson, которые хотели изменить стиль своих мотоциклов, чтобы они соответствовали европейским гоночным мотоциклам. При использовании методов массового проектирования и производства стоимость обслуживания такой узкой клиентской базы обычно была бы недостижимой. Используя генеративный дизайн, MJK смогла взять традиционно громоздкую деталь - тройной зажим - и превратить ее в легкую и уникальную конструкцию, которая оказалась настолько успешной, что компания запустила деталь в производство к концу той же недели.

Демократизация аддитивного прототипирования и разового производства дала MJK средства для выхода на процветающий рынок; она обнаружила, что генеративный дизайн является идеальным партнером для обеспечения необходимых показателей производительности, в то время как характерная визуальная эстетика создает собственную рекламу.

Генеративный дизайн - это еще и материаловедение. Если есть компонент, разработанный из определенного материала, но есть более устойчивая альтернатива, все, что нужно сделать, это вставить его в цифровую модель; остальная геометрия будет скорректирована таким образом, чтобы она по-прежнему соответствовала техническим характеристикам.

Строительные блоки инструментов, устройств также развиваются, а мощь облака, которая стимулирует генеративный дизайн, открывает мир передовых исследований и опыта. Инновации, которые обычно не привлекают особого внимания в вашем секторе, могут распространяться. Например, если производитель годами использует алюминий, возможно, вулканизированная резина повысит эластичность. Возможно, полимерное соединение будет поглощать больше нагрузки и позволит использовать более дешевые и легкие материалы для всей остальной конструкции.

2. Снизить стоимость

Снижение затрат - одно из самых привлекательных преимуществ для производственного сектора, внедряющего генеративный дизайн. Каждый квадратный миллиметр объема, сохраненный в геометрии, представляет собой экономию затрат, и если эту экономию распространить на глобальный производственный и логистический конвейер, сумма может быть ошеломляющей. Обычно генеративному дизайну приписывают сокращение материалов на 20-40%.

Но дело не только в радикальных изменениях или изменении конечной точки способа работы.

Вспомните пример, когда Airbus изменил единую перегородку кабины в качестве доказательства концепции. Благодаря недорогим методам разработки, таким как прототипы 3D-печати, переосмысление одного инструмента или приспособления на производственной линии может привести к постепенному улучшению установленного рабочего процесса.

Сделайте это правильно, и это может побудить дизайнеров перейти к следующей, немного более сложной задаче. Это потенциально может изменить весь бизнес.

А инструменты, помогающие принимать решения о затратах, закладываются в самом начале процесса генеративного проектирования. Fusion 360 содержит инструмент отчетности, который оценивает затраты на геометрию на основе различных материалов, отображая их на графике, чтобы легко увидеть, как они меняются в зависимости от количества.

Но как генеративное проектирование может помочь снизить затраты в существующих технологиях, таких как аддитивное производство, консолидация деталей, литье и фрезерование с ЧПУ?

Генеративный дизайн и аддитивное производство

Генеративный дизайн и аддитивное производство идут рука об руку, как арахисовое масло и желе. Чрезвычайно сложные формы можно изготавливать с минимальными дополнительными затратами. По этой причине аддитивное производство хорошо подходит для изготовления деталей с генеративной конструкцией.

Фактически, способ получить максимальную отдачу от аддитивного производства - это использовать генеративный дизайн, который может создавать сложные, высокопроизводительные формы. Обычно это самые легкие и сильные формы. И единственный способ производить такие геометрические формы - это аддитивное производство.

Традиционные токарные станки и процессы ЧПУ часто не могут связать детали на мельчайших уровнях, которые требуются для таких структур, что делает аддитивное производство идеальным для генеративного проектирования. Точно так же конструкции, смоделированные в классических средах САПР, не используют мелкие детали, которые предлагает аддитивное производство.

Например, 3D-принтер может создавать цифровую модель из любого количества недорогих материалов для прототипирования или презентации. Уточняйте и перепечатывайте его столько раз, сколько необходимо, и когда продукт будет готов к производству, те же цифровые активы можно легко перенести в рабочий процесс производства в реальном времени.

Генеративное проектирование для объединения деталей

Два столетия промышленного дизайна и производства дали производственному сектору целую коллекцию битов, деталей, инструментов, устройств, фрагментов и компонентов, используемых для изготовления других вещей. В этом флоте много интеллектуального опыта; отбор образцов для сборки лучших частей вместо разработки новой геометрии для каждого проекта — был самым быстрым и дешевым способом продвижения вперед.

Однако с использованием недорогих методов прототипирования и производства, таких как 3D-печать , стоимость внедрения новой структуры вместо объединения существующих проектов снижается, и результат может значительно превзойти традиционные подходы «головоломки».

Например, используя технологию генеративного дизайна в Fusion 360, инженеры General Motors смогли модернизировать стандартную автомобильную деталь - скромный кронштейн сиденья — и превратить его в одну деталь из нержавеющей стали вместо восьми. Программное обеспечение создало более 150 дизайнов кронштейна сиденья, с помощью которого застежки ремня безопасности крепятся к сиденьям, а сиденья — к полу. Деталь новой конструкции теперь на 40% легче и на 20% прочнее, чем предыдущий кронштейн.

Без предвзятых представлений о том, что уже существует, и только со знанием критериев производительности, генеративный дизайн может стать настолько креативным, насколько это необходимо. Вы можете получить деталь, состоящую из одной цельной детали, тогда как в предыдущих методах инженеры могли построить ее из бесчисленного множества других.

Генеративный дизайн и литье металла

Еще одна область, в которой генеративный дизайн не так развит, чтобы вытеснить традиционные методы, — это литье металла (заливка горячего металла в отрицательное пространство для создания определенной формы), особенно когда речь идет о больших и / или тяжелых кусках сплава. Аддитивное производство фактически нашло свое применение в процессе литья металла, но в настоящее время оно используется только для прототипирования, а не производства.

Генеративный дизайн может дать литью металла большие преимущества в плане снижения затрат и уменьшения веса. Экономия на сырье является ключевым моментом при литье, поскольку производители обычно производят большие объемы деталей, где экономия может увеличиваться или сырье очень дорогое.

Например, Autodesk объединилась с литейной компанией Aristo Cast в Мичигане для разработки сверхлегкого каркаса кресла самолета . Команда использовала генеративный дизайн, 3D-печать, оптимизацию решетки и литье по выплавляемым моделям, чтобы в конечном итоге создать каркас сиденья, который весит на 56% меньше, чем обычные современные модели. Для 615-местного самолета Airbus A380 это означало бы экономию топлива на 100 000 долларов в год, а также более 140 000 тонн углерода в атмосфере.

С помощью аддитивных технологий можно также изготавливать настоящие металлические литейные формы, в результате чего получаются гораздо более сложные геометрические формы, чем при литье, без увеличения времени на переделку и дополнительных затрат.

Генеративное проектирование и обработка с ЧПУ

В течение последнего десятилетия наблюдался всплеск интереса к настольным 3D-принтерам, но, несмотря на ошеломляющий рост, аддитивное производство далеко не разрушает широко укоренившуюся инфраструктуру методов обработки в тяжелом производстве.

Среди новых принципов, которые генеративный дизайн привносит в производство, — более глубокий уровень детализации в более сложных конструкциях, чем когда-либо были в распоряжении инженеров. Так что же происходит, когда традиционное производство с ЧПУ не позволяет этого?

Такое ограничение — хлеб с маслом генеративного дизайна. Рабочий метод состоит в том, чтобы ввести в программное обеспечение все параметры конструкции, производительности, веса, материала и производства, чтобы сгенерировать наилучший возможный набор дизайнерских идей, а также ограничения или ограждения, которые промышленная субтрактивная обработка и фрезерование накладывают на производство (например, инструмент диаметр или длина).

Если 3х-осевое устройство с ЧПУ использует обычные инструменты, оно менее подходит для узких полостей, в которых может работать сопоставимое 5ти-осевое устройство. Но хотя 5ти-осевое устройство более точное, для настройки требуется больше времени. Как и в любом другом бизнес-процессе, здесь есть компромисс.

Но в конце процесса проектирования вы можете просто попросить алгоритм генеративного проектирования оптимизировать проекты, которые он представляет для производственного процесса, который вы используете. Если у вас есть 3х-осевое устройство с ЧПУ, оно не даст вам излишне изогнутые, решетчатые структуры или меньшие отверстия, подходящие для 5ти-осевых станков.

Например, компания Evolve MH Development Engineering из Великобритании хотела разработать более легкий и экономичный компонент для своего электрического гиперкара. Снижение веса важно для электромобилей с точки зрения производительности и дальности полета. Команда Evolve также требовала, чтобы деталь подходила для 2,5-осевого фрезерования с ЧПУ.

Команда инженеров использовала Fusion 360 для ввода требований и параметров детали: таких вещей, как прочность, жесткость и производительность. В конечном счете, компонент, созданный командой для электрического гиперкара, на 40% легче, чем их первоначальная конструкция, и был выполнен в рекордно короткие сроки.

3. Расширяйте возможности инноваций, исследуя новые концепции дизайна

Из всех потенциальных преимуществ генеративного дизайна, пожалуй, наиболее широко распространенным и неизведанным является внедрение культуры инноваций в производственный сектор в целом. Многие технические директора, инженеры или дизайнеры, скептически относящиеся к преимуществам генеративного дизайна, в конечном итоге становятся самыми откровенными проповедниками того, на что он способен.

Поскольку генеративный дизайн работает в облаке, он познакомит дизайнеров и инженеров с другими идеями и методами, которые традиционные методы никогда не могли бы раскрыть им.

Промышленные инженеры могут больше сотрудничать с цифровыми дизайнерами. Технические директора могут начать понимать, как сила воздействует на материал. Менеджеры производственных цехов могут видеть, как компьютер может дать лучший первый шаг (или 10 или 100 вариантов), чем человек мог бы создать самостоятельно. Инновации и сотрудничество идут рука об руку. Благодаря генеративному дизайну мир возможностей значительно расширяется.

Чикагский производитель велосипедных запчастей и лаборатория инноваций SRAM производит запчасти для преданной клиентской базы знающих энтузиастов - в данном случае для велосипедистов по бездорожью. Компания изготовила прототип сложной формы шатуна велосипеда, который можно было изготовить только с помощью комбинированных процессов аддитивного производства и генеративного дизайна. Это был идеальный пример для проверки того, что генеративный дизайн может сделать для других частей велосипеда. Этот опыт вдохновил компанию на поиск новых возможностей и инноваций в дизайне, материалах и стоимости. SRAM утверждает, что генеративный дизайн играет важную роль в том, как компания концептуализирует свой бизнес.

Другой пример — Elevate , совместное предприятие подразделения Hyundai CRADLE и дизайн-студии Sundberg-Ferar . Elevate, похожий на дружелюбного насекомого из научно-фантастического фильма, представляет собой автомобиль с колесами, расположенными на концах четырех шарнирно-сочлененных «ног», которые могут двигаться с помощью комбинации любых четырех режимов — двух стилей вождения и двух стилей ходьбы, — которые теоретически можно взять куда угодно для общественного транспорта, оказания помощи при стихийных бедствиях и многого другого.

Несметное количество деталей Elevate было разработано с нуля для этой концепции, многие из них обладают чрезвычайно легкими свойствами благодаря генеративному дизайну.

Но, возможно, космическое пространство может стать окончательным испытанием для материаловедения, борясь с жарой, холодом, радиацией, натиском высокоскоростных частиц, головокружительной инерцией ускорения и другими средами, которых нет Земле. И когда удаление всего нескольких граммов потенциально экономит сотни тысяч долларов, исследование космоса представляет собой идеальный танец для поддержания производительности при минимальной массе.

Немногие организации работают с такими строгими ограничениями больше, чем Лаборатория реактивного движения НАСА , которая сделала генеративный дизайн идеальным партнером для разработки концептуального внепланетного посадочного модуля с меньшей массой и улучшенными характеристиками.

Как генеративный дизайн выходит за рамки оптимизации топологии

Генеративный дизайн легко спутать с другими подходами к оптимизации дизайна, такими как оптимизация топологии, но есть важное различие. Любая конструкция, выполненная традиционным способом, — это просто лучшая догадка инженера о том, как решить проблему. Оптимизация топологии может только влиять на процесс с этой точки, принимая то, что сделал человек, и постепенно улучшая его.

Генеративный дизайн начинается раньше. Это со-дизайнер, который представляет идеи, основанные на ограничениях, связанных с тем, что вам нужно в дизайне, а не на том, что, по вашему мнению, будет работать (каким бы опытным вы ни были). Проще говоря, оптимизация топологии удаляет материал из исходного решения, где генеративный дизайн не требует оригинального решения - он выполняет исследовательскую работу, чтобы помочь вам найти его.

Путь оптимизации не должен увязываться с единой отправной точкой; вы можете вернуться к любой другой отправной точке и создать бесчисленное множество других вариантов.

Каково будущее генеративного дизайна в производстве?

Технология генеративного дизайна продолжает развиваться - благодаря исследованиям, запускам и другим путям к инновациям. Эти достижения также изменят то, как люди взаимодействуют с технологиями и друг с другом. Будет больше сотрудничества между разными дисциплинами - инженеры с техническими директорами и дизайнерами — и больше инноваций в обрабатывающей промышленности.

Быстрее, умнее технологии

Исследования, которые охватывают автомобильные, аэрокосмические и спортивные товары, при использовании генеративного дизайна, показывают снижение стоимости вплоть до пятой и сокращение времени вплоть до половины.

Но помимо снижения затрат, материалов, времени разработки и воздействия на окружающую среду в мировой обрабатывающей промышленности, лаборатории, специализированные стартапы и исследовательские центры добиваются определенных успехов.

Одним из примеров является генеративный дизайн, в котором учитывается продвинутая гидродинамика. Существует множество промышленных деталей, которые должны работать в средах, где движение жидкости или газа может существенно повлиять на производительность.

Когда тесты производительности и параметры проекта вводятся в алгоритм генеративного проектирования, в будущем одним из параметров может быть способ поведения окружающей среды с использованием таких свойств, как:

• Повышение давления воздуха вызовет повышение температуры?
• Будет ли он быстро переохлажден?
• Будет ли движение воздуха воздействовать на одну конкретную поверхность по сравнению с другой?

В дополнение к гидродинамике, такие технологии, как мелкомасштабная аддитивная печать и 3D-печать, резко снизят барьер для входа новых игроков, которые придут в области, вооруженные новыми идеями и без предвзятых представлений о том, что можно, а что нельзя.

Пока технология продолжает развиваться, одним из самых важных изменений, которые принесет генеративный дизайн, станет влияние на людей. Генеративный дизайн коренным образом изменит задачи, стоящие перед производственным персоналом, в лучшую сторону. Благодаря сокращению сроков разработки у дизайнеров и инженеров будет время расширить свои профессиональные и творческие горизонты.

Источник: m.vk.com

Комментарии: