Što je generativni dizajn i kako se može koristiti u proizvodnji?

• Što je generativni dizajn?
• Kako se generativni dizajn može koristiti u proizvodnji?
• 3 ključne prednosti korištenja generativnog dizajna u proizvodnji
• Kakva je budućnost generativnog dizajna u proizvodnji?

Generativni dizajn predstavlja promjenu paradigme u načinu na koji su stvari dizajnirane, sa strojnim učenjem i računalstvom u oblaku kao vašim partnerima u dizajnu. Riječ je o istraživanju dizajna, inovacijama i naprednom računanju.

Što je generativni dizajn?

Generativni dizajn oblik je umjetne inteligencije koji preuzima inženjerski izazov koji vi definirate i predstavlja niz odgovarajućih rješenja za odabir, koja zatim možete poboljšati prema svojim potrebama.

Umjesto da pokušavaju imati na umu ograničenja i parametre tijekom izrade nacrta proizvoda, dijela ili alata, dizajneri govore softveru koja su ograničenja i mogućnosti za kriterije krajnje uporabe koje su identificirali. Vrste ograničenja uključuju:

• Materijale
• Agilnost
• Snagu
• Trošak
• Izvođenje

U osnovi kažete algoritmu generativnog dizajna da ne znate rješenje, ali znate zahtjeve.

Brzinom suvremenog računalstva u oblaku, samousmjereni proces generativnog dizajna za određivanje mogućih kombinacija na temelju vaših zahtjeva može predstaviti mnoge unaprijed provjerene iteracije gotovog dizajna - tisuće, ako je potrebno.

Razmišljajte o tome kao o dizajnu izvana iznutra: uspostavljeni su različiti atributi dizajna i pomažu u postizanju najboljeg rezultata, umjesto tradicionalne metode primjene prototipa na kriterije izvedbe za daljnje usavršavanje. To je disciplina dizajna koja se može koristiti za sve, od osnovnih, uobičajenih dizajnerskih izazova do vrlo preciznih dizajna.

Generativni dizajn može se koristiti za širok raspon proizvodnih industrija, uključujući:

• Potrošački proizvodi
• Automobilska industrija
• Zrakoplovstvo
• Industrijski strojevi
• Građevinski proizvodi

Kako se generativni dizajn može koristiti u proizvodnji?

Primarni slučaj upotrebe generativnog dizajna u proizvodnji je automatsko pokretanje opcija dizajna koje su unaprijed provjerene kako bi zadovoljile zahtjeve koje ste postavili. To može biti posebno važno za učinkovitu proizvodnju. Ponekad se dio ili alat mora uklopiti u ukorijenjeni tijek rada - metodološki ili fizički - kao dio većeg uređaja ili procesa.

Ponovno opremanje cijelog tijeka rada kako bi odgovarao novom komadu može biti ometajuće i skupo. Parametri oko toga kako mora pristajati mogu biti iznimno uski. I premda ljudski dizajner ima stručnost za eksperimentiranje unutar tih strogih ograničenja, još uvijek postoje bezbrojne varijacije koje treba istražiti korištenjem softvera za generativni dizajn — kao što je Autodesk Fusion 360 — kako bi se smanjili troškovi težine ili materijala ili kako bi se maksimizirali pokazatelji performansi.

Mnogi postojeći procesi - uključujući aditivnu proizvodnju, CNC obradu i lijevanje - rade bolje kada se uvede generativni dizajn. Može se koristiti za poboljšanje performansi proizvoda, smanjenje troškova i istraživanje inovativnih koncepata dizajna.

3 ključne prednosti korištenja generativnog dizajna u proizvodnji

Postoje značajne prednosti usvajanja generativnog dizajna u proizvodnim procesima. Korištenje generativnog dizajna olakšava smanjenje težine dijela bez ugrožavanja funkcionalnosti. Također donosi prednosti u pogledu održivosti, smanjujući upotrebu sirovina i utjecaje na okoliš uz povećanje performansi i smanjenje troškova.

Poboljšajte performanse proizvoda

Materijali i dizajn su partneri u proizvodnji, s različitim tvarima koje pokazuju različita svojstva. Korištenje drugog materijala može u potpunosti promijeniti dizajn.

Kada novi materijal uđe na tržište ili ekonomski čimbenici ograniče pristup tipičnom materijalu, on može poslati dizajnere natrag na ploču za crtanje u vrlo skupom procesu ponovnog opremanja cijelog tijeka rada. Generativni dizajn može ih brže vratiti na pravi put, uzimajući u obzir sve materijale koji su dostupni za projekt. Bez obzira biraju li određene materijale ili parametre oko fleksibilnosti, krutosti, težine ili odgovora na čimbenike okoline, algoritam generativnog dizajna ima globalni skup podataka – oblak – iz kojeg virtualno testira alternative mnogo brže od tima dizajnerskih inženjera.

Lightweighting

To je jednostavna fizika: ako je nešto teže, teže ga je pokrenuti, podići ili na drugi način pomaknuti. A kada je riječ o poljima kao što je masovni transport, jedan od najjasnijih puteva za smanjenje fosilnih goriva je da automobili, autobusi ili avioni budu manje teški tako da im je potrebno manje goriva za kretanje.

Lagana težina potaknula je zanimanje za futurističke tvari poput grafena ili ugljičnih vlakana kako bi zamijenile teže materijale iz industrijskog doba poput željeza i čelika.

Smanjenje mase komada materijala donosi mnoge uštede, kao što su:

Logistika: Dostava lakših proizvoda povećava volumen po jedinici iskorištene snage dostave.

Proizvodnja: bilo da se radi o podu tvornice ili na stolu u dnevnoj sobi, izrada stvari je brža i lakša.

Korištenje generativnog dizajna za smanjenje količine materijala na globalnoj, društvenoj osnovi moglo bi značiti veću sposobnost proizvodnje onoga što je potrebno za podršku rastućoj populaciji koristeći manje sirovina. Studije pokazuju da je moguće smanjiti količinu korištenog materijala i do 40%.

Održivost je ključna prednost lagane težine – lakši proizvodi znače da je potrebno manje sirovina. Generativni dizajn omogućuje korisnicima istraživanje različitih dizajna na temelju različitih materijala. Uz to, postoji potencijal za korištenje održivijeg materijala.

Na primjer, koristeći generativni dizajn, zrakoplovna tvrtka Airbus stvorila je pregradu kabine koja odvaja putnike od kuhinje u zrakoplovu A320, što je uspješan dokaz koncepta koji je rezultirao nekim zapanjujućim brojevima. Svaki ušteđeni kilogram na A320 štedi 106 kilograma goriva, a svaka pregrada teži oko 30 kilograma. Airbus je izračunao da bi se, kada bi se svaka pregrada u cijeloj kabini napravila na isti način, uštedjelo više od 1000 funti težine u svakom zrakoplovu, što bi smanjilo emisiju CO2 za 166 tona godišnje za svaki avion.

Zamislite korištenje generativnog dizajna kada biste to primijenili na stolove, sjedala, čak i — s obzirom na ispravne materijale — kontrole ili okvir zrakoplova, i ekološki dobici postaju jasni.

U nastojanju da poveća performanse i smanji težinu, japanski proizvođač autodijelova DENSO remontirao je upravljačku jedinicu motora (ECU), koja upravlja količinom i vremenom goriva koje isporučuje elektronski sustav za ubrizgavanje goriva u vozilu. Koristeći generativni dizajn, DENSO je stvorio optimalan oblik kako bi ECU učinio 12% lakšim uz zadržavanje kapaciteta raspršivanja topline originalnog ECU-a.

Još jedan lagani primjer dolazi od kanadskog dobavljača dijelova za motocikle MJK Performance. Tvrtka je identificirala namjensku nišu entuzijasta Harley-Davidson motocikala koji su željeli preoblikovati svoje vožnje kako bi se ponašali poput europskih trkaćih motocikala. Koristeći tehnike masovnog dizajna i proizvodnje, troškovi servisiranja tako uske baze kupaca obično bi bili izvan dosega. Koristeći generativni dizajn, MJK je uspio uzeti tradicionalno glomazan dio - trostruku stezaljku - i pretvoriti ga u lagani, jedinstveni dizajn koji je bio toliko uspješan da je tvrtka pustila dio u proizvodnju do kraja istog tjedna.

Demokratizacija izrade prototipa aditiva i jednokratna proizvodnja dala je MJK-u sredstva za rješavanje uspješnog tržišta; ustanovljeno je da je generativni dizajn savršen partner za isporuku potrebnih metrika izvedbe, dok je karakteristična vizualna estetika stvorila vlastiti publicitet.

Generativni dizajn također se odnosi na znanost o materijalima. Ako postoji komponenta dizajnirana s određenim materijalom, ali postoji održivija alternativa, sve što trebate učiniti je umetnuti je u digitalni model; ostatak geometrije će se prilagoditi tako da se i dalje pridržava specifikacija izvedbe.

Graditeljski blokovi sutrašnjih alata, uređaja i instrumenata također napreduju, a snaga oblaka koji pokreće generativni dizajn otvara svijet vrhunskih istraživanja i stručnosti. Inovacije koje tradicionalno nisu previše izložene u vašem sektoru mogu se promjeniti. Na primjer, ako proizvođač godinama koristi aluminij, možda će vulkanizirana guma povećati elastičnost. Možda će polimerni spoj apsorbirati više opterećenja i omogućiti korištenje jeftinijih, lakših materijala u ostatku strukture.

Smanjite troškove

Smanjenje troškova jedna je od najatraktivnijih prednosti za proizvodni sektor koji usvaja generativni dizajn. Svaki kvadratni milimetar volumena ušteđenog u geometriji predstavlja uštedu troškova, a ako se ta ušteda poveća na globalnu proizvodnju i logistiku, iznos može biti nevjerojatan. Obično se generativnom dizajnu pripisuje smanjenje materijala za oko 20% – 40%.

Ali ne radi se samo o radikalnim promjenama ili promjeni krajnje točke načina na koji se stvari stvaraju.

Sjetite se primjera Airbusa koji je promijenio jednu pregradu zračne kabine kao dokaz koncepta. Uz jeftine razvojne tehnike kao što su prototipovi 3D ispisa, ponovno osmišljavanje jednog alata ili uređaja u proizvodnoj liniji može postupno poboljšati ustaljeni tijek rada.

Ispravite to i to bi moglo potaknuti dizajnere da pređu na sljedeći, malo veći izazov. To bi potencijalno moglo transformirati cijeli posao.

A alati koji pomažu u donošenju odluka o troškovima ugrađeni su na početku procesa generativnog dizajna. Fusion 360 sadrži alat za izvješćivanje koji procjenjuje troškove geometrije na temelju različitih materijala, iscrtavajući ih u grafikonu za jednostavan prikaz kako se mijenjaju prema količini.

Ali kako generativni dizajn može pomoći u smanjenju troškova u postojećim tehnologijama kao što su aditivna proizvodnja, konsolidacija dijelova, lijevanje i CNC mljevenje?

Generativni dizajn i aditivna proizvodnja

Generativni dizajn i aditivna proizvodnja se odlično slažu. Izuzetno složeni oblici mogu se izraditi uz minimalne inkrementalne troškove. Zbog toga se aditivna proizvodnja dobro uklapa u generativno dizajnirane dijelove.

Zapravo, način da se izvučete najviše iz aditivne proizvodnje je korištenje generativnog dizajna, koji može stvoriti zamršene oblike visokih performansi. Obično su najlakši i najjači oblici. A jedini način za proizvodnju te vrste geometrija je aditivna proizvodnja.

Tradicionalni tokarski i CNC procesi često ne mogu raspravljati o detaljima na najsitnijim razinama koje takve strukture zahtijevaju, što aditivnu proizvodnju čini savršenom za generativni dizajn. Isto tako, dizajni modelirani u klasičnim CAD okruženjima ne iskorištavaju prednosti finih detalja koje nudi aditivna proizvodnja.

Na primjer, 3D pisač može prikazati digitalni model iz bilo kojeg broja jeftinih materijala za izradu prototipa ili prezentaciju. Pročistite ga i ponovno ispišite onoliko puta koliko je potrebno, a kada je proizvod spreman za proizvodnju, ista digitalna sredstva mogu se neprimjetno prenijeti u radni tijek proizvodnje uživo.

Generativni dizajn za konsolidaciju djelova

Dva stoljeća industrijskog dizajna i proizvodnje dala su proizvodnom sektoru popriličnu kolekciju dijelova, alata, instrumenata, uređaja, fragmenata i komponenti koji se koriste za izradu drugih stvari. U toj floti ima puno intelektualnog znanja; uzorkovanje za najbolje dijelove za sastavljanje umjesto dizajniranja nove geometrije za svaki projekt bio je najbrži i najjeftiniji put naprijed.

Međutim, s jeftinom izradom prototipa i metodama proizvodnje kao što je 3D ispis, trošak uvođenja nove strukture umjesto kombiniranja postojećih dizajna se smanjuje - a rezultat može znatno nadmašiti tradicionalne pristupe "slagalice".

Na primjer, koristeći tehnologiju generativnog dizajna u Fusionu 360, inženjeri General Motorsa uspjeli su redizajnirati standardni auto dio — skromni nosač sjedala — da bude jedan komad od nehrđajućeg čelika umjesto osam. Softver je stvorio više od 150 dizajna za nosač sjedala, koji pričvršćuje pojaseve za sjedala i sjedala za pod. Novo dizajnirani dio sada je 40% lakši i 20% jači od prethodnog nosača.

Bez unaprijed stvorenih predodžbi o onome što već postoji i samo poznavanja kriterija izvedbe, generativni dizajn može postati kreativan koliko je potrebno. Možete završiti s dijelom koji je jedan jedini komad, dok su ga s prijašnjim metodama možda inženjeri konstruirali od bezbroj drugih.

Generativni dizajn i lijevanje

Drugo područje u kojem aditivi još uvijek nisu dovoljno napredni da potisnu tradicionalne metode je lijevanje metala (izlijevanje vrućeg metala u negativni prostor kako bi se stvorio određeni oblik) - osobito kada su u pitanju veliki i/ili teški komadi legure. Aditivna proizvodnja je zapravo pronašla dom u procesu lijevanja metala, ali trenutno se koristi samo za izradu prototipa, a ne za proizvodnju.

Generativni dizajn može ponuditi velike prednosti za lijevanje metala u smanjenju troškova i smanjenju težine. Ušteda na sirovinama ključna je za lijevanje, budući da proizvođači obično proizvode veće količine dijelova, gdje se uštede mogu povećati ili su sirovine vrlo skupe.

Na primjer, Autodesk se udružio s ljevaonicom Aristo Cast sa sjedištem u Michiganu kako bi razvio ultralaki okvir sjedala za zrakoplov. Tim je koristio generativni dizajn, 3D ispis, optimizaciju rešetki i ulaganje kako bi u konačnici stvorio okvir sjedala koji teži 56% manje od tipičnih trenutnih modela. Za zrakoplov Airbus A380 sa 615 sjedala to bi značilo uštedu od 100.000 dolara u gorivu godišnje, kao i 140.000 plus manje tona ugljika u atmosferi.

Tehnike aditiva također mogu proizvesti stvarne kalupe za lijevanje metala, što rezultira daleko kompliciranijim geometrijama od onih iz lijevanja, bez strmih vremena postavljanja i dodatnih troškova.

Generativni dizajn i CNC obrada

Tijekom proteklog desetljeća vladao je nalet interesa za stolne 3D pisače, ali unatoč zapanjujućem porastu, aditivna proizvodnja nije ni blizu srušiti uvelike ukorijenjenu infrastrukturu tehnika strojne obrade u teškoj proizvodnji.

Među novim načelima koje generativni dizajn uvodi u proizvodnju je dublja razina detalja u složenijim strukturama nego što su inženjeri ikada imali na raspolaganju. Dakle, što se događa kada tradicionalna CNC proizvodnja to ne dopušta?

Takvo ograničenje je kruh i maslac generativnog dizajna. Radna metoda je unos svakog dizajna, izvedbe, težine, materijala i proizvodnih parametara u softver kako bi se generirao najbolji mogući skup dizajnerskih ideja, kao i ograničenja ili zaštitne ograde koje industrijska subtraktivna obrada i glodanje nameću proizvodnji (kao što je alat promjer ili duljina).

Gdje 3-osni CNC uređaj koristi uobičajene alate, manje je prikladan za uske šupljine u kojima može raditi usporedivi 5-osni uređaj. No, dok je uređaj s 5 osi precizniji, potrebno mu je više vremena za postavljanje. Kao i u svakom drugom poslovnom procesu, postoji kompromis.

Ali na kraju procesa dizajna, možete jednostavno zamoliti algoritam generativnog dizajna da optimizira dizajne koje predstavlja za proizvodni proces koji koristite. Ako imate 3-osni CNC uređaj, on vam neće dati pretjerano zakrivljene, rešetkaste strukture, aditivni procesi koji rade tako dobro ili manje otvore prikladne za 5-osne strojeve.

Na primjer, Evolve MH Development Engineering, sa sjedištem u Velikoj Britaniji, želio je dizajnirati lakšu, isplativiju komponentu za svoj električni hiperautomobil. Smanjenje težine važno je za električne automobile kako bi ispunili ciljeve performansi i dometa. Tim Evolvea također je zahtijevao da dio bude prikladan za 2,5-osno CNC glodanje.

Tim inženjera koristio je Fusion 360 za unos zahtjeva i parametara dijelova: stvari poput snage, krutosti i performansi. U konačnici, komponenta koju je tim stvorio za električni hiperautomobil je 40% lakša od njihova originalnog dizajna i završena je u rekordnom roku.

Proširite inovacije istraživanjem novih koncepata dizajna

Od svih potencijalnih prednosti generativnog dizajna, možda je najrasprostranjenija i najneproslavljenija ugradnja kulture inovacija u cjelokupni proizvodni sektor. Mnogi glavni tehnički službenici, inženjeri ili dizajneri koji započnu sa skeptičnim prednostima generativnog dizajna na kraju su najotvoreniji evanđelisti onoga što on može učiniti.

Budući da generativni dizajn djeluje u oblaku, on će dovesti dizajnere i inženjere u kontakt s drugim idejama i tehnikama kojima tradicionalne metode možda nikada ne bi bile izložene.

Industrijski inženjeri mogu više surađivati ​​s digitalnim dizajnerima. CTO-i mogu početi shvaćati kako se sila primjenjuje na materijal. Voditelji u tvornicama mogu vidjeti kako računalo može dati bolji prvi korak (ili 10 ili 100 opcija) nego što bi osoba mogla sama napraviti. Inovacija i suradnja idu ruku pod ruku. S generativnim dizajnom svijet mogućnosti je uvelike proširen.

Proizvođač dijelova za bicikle sa sjedištem u Chicagu i laboratorij za inovacije SRAM izrađuje dijelove za namjenu korisničku bazu iskusnih entuzijasta—u ovom slučaju, za off-road bicikliste. Tvrtka je proizvela prototip kompliciranog oblika za polugu bicikla koji se mogao izraditi samo kombiniranim procesima aditivne proizvodnje i generativnog dizajna. Bio je to idealan testni slučaj da se vidi što bi generativni dizajn mogao učiniti za druge dijelove bicikla. Iskustvo je inspiriralo tvrtku da istraži nove mogućnosti i inovacije u dizajnu, materijalima i troškovima. SRAM kaže da generativni dizajn igra glavnu ulogu u tome kako tvrtka konceptualizira svoje poslovanje.

Drugi primjer je Elevate, zajedničko ulaganje između Hyundaijeve divizije CRADLE i dizajnerskog studija Sundberg-Ferar. Izgledajući kao prijateljski kukac iz znanstveno-fantastičnog filma, Elevate je automobil s kotačima koji se nalaze na kraju četiri zglobne "noge" koje se mogu kretati kombinacijom bilo koja četiri načina - dva stila vožnje i dva stila hoda - što ga teoretski mogu ponijeti bilo gdje za masovni prijevoz, pomoć u katastrofama i još mnogo toga.

Elevateovi bezbrojni dijelovi dizajnirani su od nule za koncept, mnogi od njih s iznimno laganim svojstvima zahvaljujući generativnom dizajnu.

Ali možda bi svemir mogao biti ultimativni test za bilo koju znanost o materijalima, boreći se s toplinom, hladnoćom, zračenjem, naletom čestica velikih brzina, vrtoglavom inercijom ubrzanja i drugim okruženjima koja se ne mogu naći nigdje na Zemlji. A kada uklanjanje samo nekoliko grama uštedi potencijalno stotine tisuća dolara, istraživanje svemira predstavlja vrhunski ples održavanja performansi uz minimiziranje mase.

Nekoliko institucija radi s tako rigoroznim ograničenjima više od NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon, koji je generativni dizajn učinio idealnim partnerom za razvoj koncepta ekstraplanetarnog landera s manjom masom i poboljšanim performansama.

Kako generativni dizajn nadilazi optimizaciju topologije

Lako je zbuniti generativni dizajn s drugim pristupima optimizacije dizajna, kao što je optimizacija topologije, ali postoji važna razlika. Svaki dizajn napravljen na tradicionalan način jednostavno je inženjerovo najbolje nagađanje o tome kako riješiti problem. Optimizacija topologije može samo utjecati na proces od te točke, uzimajući ono što je čovjek napravio i čineći ga postepeno boljim.

Generativni dizajn počinje ranije u procesu. To je sudizajner koji predstavlja ideje temeljene na ograničenjima oko onoga što vaš dizajn trebate učiniti - a ne na onome što mislite da će funkcionirati (koliko god iskusni bili). Još jednostavnije rečeno, optimizacija topologije uklanja materijal iz originalnog rješenja, pri čemu generativnom dizajnu nije potrebno originalno rješenje – on obavlja istraživački rad kako bi vam pomogao da ga pronađete.

Put optimizacije odatle ne mora biti povezan s jednom početnom točkom; možete se vratiti na bilo koju drugu početnu točku i generirati bezbroj drugih opcija.

Kakva je budućnost generativnog dizajna u proizvodnji?

Tehnologija generativnog dizajna nastavlja napredovati - kroz istraživanje, pokretanje i druge putove do inovacija. Ovaj napredak će također promijeniti način na koji ljudi komuniciraju s tehnologijom i jedni s drugima. Bit će više suradnje među disciplinama – inženjeri s tehničkim direktorima i dizajnerima – i više inovacija za proizvodnu industriju.

Brže, pametnije tehnologije

Studija koja je obuhvatila automobilsku i zrakoplovnu industriju i sportske proizvode pokazala je da je generativni dizajn smanjio troškove za do petinu, a i masu i vrijeme razvoja do polovice.

No, osim smanjenja troškova, materijala, vremena razvoja i utjecaja na okoliš u cijeloj globalnoj proizvodnoj industriji, specifičan napredak dolazi iz laboratorija, namjenskih start-upova i istraživačkih objekata.

Jedan primjer je generativni dizajn koji uzima u obzir naprednu dinamiku fluida. Postoji mnogo industrijskih dijelova koji moraju raditi u okruženjima u kojima kretanje tekućine ili plina može uvelike utjecati na performanse.

Kada se mjerila performansi i parametri dizajna unesu u algoritam generativnog dizajna, u budućnosti bi jedan parametar mogao biti način na koji će se neposredno okruženje ponašati, koristeći svojstva kao što su:

Hoće li porast tlaka zraka uzrokovati porast temperature?

Hoće li se super brzo ohladiti?

Hoće li kretanje zraka utjecati na jednu određenu površinu u odnosu na drugu?

Osim dinamike fluida, tehnologije kao što su aditivi malih razmjera i 3D ispis dramatično će sniziti barijeru za ulazak novim igračima koji će doći na polja naoružani novim idejama i bez unaprijed stvorenih predodžbi o tome što se može, a što ne može učiniti.

Dok tehnologija nastavlja napredovati, jedna od najvažnijih promjena koje će donijeti generativni dizajn bit će utjecaj na ljude. Generativni dizajn će iz temelja promijeniti zadatke s kojima se proizvodno osoblje suočava na bolje. Uz kraće vrijeme razvoja, dizajneri i inženjeri imat će vremena proširiti svoje profesionalne i kreativne horizonte.

Izvorni članak preuzet s: What Is Generative Design for Manufacturing? (autodesk.com)