A CAD tervezés következő trendje, mely a várakozások szerint széles körben hódít majd, a generatív tervezés. A mesterséges intelligenciában rejlő lehetőségeket kihasználva ad majd választ a már jelen lévő, jövőben fokozottan hangsúlyossá váló kihívásokra. Ilyen az alkatrész súlyának csökkentése, a gyártási költség leszorítása, a teljesítmény növelése.
És bár a különleges rácsos design egzotikusnak tűnhet, egyre több helyen van létjogosultsága, és bizonyítja szükségességét.
Ebben a cikkben megpróbálok képet adni arról, hogyan működik a generatív tervezés, mik az előnyei, hol alkalmazható és mire, illetve, hogy milyen kapcsolatban áll a 3D nyomtatással. A cikkben esettanulmány részlet, gyakorlati tanácsok is szerepelnek. Lássuk hát.
Mi a generatív tervezés?
A generatív tervezés definíciója
A generatív tervezés ismétlődő tervezés megismerésére és kiváltására irányuló folyamat, mely a mesterséges intelligenciát alkalmazó szoftvereken alapszik, és amely több lehetséges tervezési alternatívát kínál egyazon termék elkészítésére, előre beállított perem feltételek teljesülése mellett. A hagyományos tervezési módszerrel szemben, ahol az elkészült modell nagyban függött a tervező mérnök tudásától és tapasztalatától, a generatív tervezés tervezési paraméterek alapján a mesterséges intelligencia használatával hoz eredményt.
A tervezési paraméterek módosításával és a visszacsatolási hurok finomításával a mérnökök egyre optimalizáltabb, egyre inkább az igényeknek és lehetőségeknek megfelelőbb tervezési eredményhez jutnak. Ez pedig a mérnöki területek széles spektrumán jelent hatalmas előrelépést az alkatrészek súlyát, erősségét és előállításának költséghatékonyságát illetően.
Mi a különbség a topológiai optimalizáció és a generatív tervezés között?
A generatív design és topológiai optimalizálás divatos kifejezéssé váltak a műszaki világban, általános tévhit azonban, hogy ezek szinonímák.
A topológiai optimalizáció nem új találmány. Legalább húsz éves múltra visszatekintő dolog, mely a legtöbb CAD szoftverben megtalálható. A topológiai optimalizálás folyamatának bázisa, egy mérnök által megtervezett alkatrész, megadott terhelésekkel, kényszerekkel a projekt fontos paraméterei között. Ezután a szoftver egyszerűen optimalizált háló modellt készít, melyet a mérnök értékel. A topológiai optimalizálás ember által tervezett modellt és szoros mérnöki felügyeletet kíván, miközben az eredménye erősen limitált.
Ebből a megközelítésből a topológiai optimalizáció adta a generatív tervezés alapjait. A generatív tervezés azonban nagy előrelépést téve kivette a folyamatból az ember által készített modell szükségességét, átvéve a tervezés szerepét, amelyet bevitt technikai paraméterekre alapoz.
A mérnöki tervezés szabályainak felülírása a generatív tervezés által
A mérnöki munka szabályait felülírják a műszaki innovációk. Ahogy a tervezés egyre nagyobb támogatást kap szoftver oldalról, érthetővé válik a műszaki szakemberek és érdeklődők számára a digitális eszközök befolyása az új idők kihívásának megoldásaira. És a fejlesztés ezen iránya egyre gyorsuló ütemben alap elvárássá válik. A generatív tervezés korszaka előtt a mérnököknek koncepciókat kellett kidolgozni, mintadarabokat kellett gyártani, és ellenőrizni azokat esztétikai, funkcionális és gazdasági szempontok szerint.
Az új időkben a generatív tervezés jóvoltából a mérnökök magas műszaki elvárások megfogalmazását követően különböző koncepciókat generáltatnak a szoftverrel, rábízva arra a részletek kidolgozását. A folyamat nem minden esetben ennyire egyszerű. Új anyagok, vagy műszaki oldalról nehezen definiálható anyagok esetén az technikai sarokpontok meghatározása így is nagy kihívást jelent.
A különbség alapvetően az, hogy nincs szükség a hagyományos alkatrész tervezésre, és alkatrész koncepciók létrehozására. Helyette a generatív tervezés lehetőséget ad a mérnöki kapacitás felszabadítására, hogy az innovatív, magas szintű problémamegoldásra legyen használva.
A generatív tervezés gyakorlati alkalmazásai
A generatív tervezés megoldásai számos iparágban már ma is léteznek a repülőgépipartól az építészeten át a gyártás minden területéig. Azok a mérnökök, akik a technika ezen vívmányát használják, gyakran összetett mérnöki feladatokat igyekeznek megoldani. Ilyen például a súlycsökkentés, a gyártás költségeinek leszorítása, teljesítmény optimalizálás.
Példának okán az autóipari mérnökök jellemző feladata az alkatrészek súlyának csökkentése, a tervezési gyengeségek vagy hiányosságok megszüntetése, a költségek drasztikus leszorítása. Minden az alkatrészek újragondolásával, optimalizálásával, és az átfutási idők csökkentésével érhető el.
Hasonló trendek figyelhetők meg a sport kiegészítők gyártásának világában is. Cél a komponensek teljesítményének, terhelhetőségének növelése a költségek csökkentése mellett.
A repülőgépipar is ezt követi, de itt a súlycsökkentés mellett, vagy által elvárás az üzemanyag fogyasztás és károsanyag kibocsátás csökkentése is.
A generatív tervezés előnyei
Szimultán koncepció vizsgálat
Figyelemre méltó előnye, hogy lehetővé teszi alternatív alkatrész koncepciók egyidejű vizsgálatát, hitelesítését és összehasonlítását akár sok száz más elképzeléssel. A mérnöki szoftverek képesek megmutatni és összehasonlítani a koncepciók közötti eltéréseket. Így a költséges és időigényes prototípus gyártás helyett gyors és megbízható, valamint nagyon gazdaságos és környezettudatos megoldást kínálnak új alkatrészek bevezetésére.
Felgyorsult tervezési idő
Mikor a mérnökök alkalmazni kezdik a mesterséges intelligencia biztosította előnyöket a munkájuk során, a kutatás és fejlesztés ideje nagyságrendekkel lecsökken. Ezzel együtt egy új termék vagy termékcsalád bevezetésének teljes ideje is töredékére eshet vissza. A gyártó cégek reakciója a piaci változásokra sokkal gyorsabb lesz, ami pedig a legnagyobb versenyelőnyt jelentheti, még az árral szemben is.
A legfejlettebb gyártástechnológiák kihasználása
A generatív tervezés képes rendkívül összetett geometriák, úgynevezett organikus formák létrehozására, melyek a legmodernebb additív gyártási technológiákkal valósíthatók meg. Mindez persze lehetőséget ad alkatrészek konszolidálására, azaz korábban több alkatrész összeszereléséből álló modul állhat egyetlen alkatrészből.
A generatív tervezés és a 3D nyomtatás kapcsolódása
Miért tud a generatív tervezés és a 3D fémnyomtatás remekül együttműködni?
A generatív tervezés eredménye gyakran rendkívül nagy hatékonyságú organikus forma, erősítő, a természetben gyakran látott rácsszerkezettel. Az ilyen formák legyártása hagyományos módszerekkel kétféle lehet. Lehetetlen, vagy rendkívül költséges. Akár fröccsöntéssel, akár forgácsolással organikus szerkezetű alkatrészeket létrehozni egyszerűen nem kifizetődő. Az olyan jövőbe mutató gyártási eljárás, mint a 3D nyomtatás, vagy más néven additív gyártási eljárás jelenti a megoldást az ilyen teljesítményérzékeny alkalmazásokhoz, ahol szükség van generatív tervezés által létrehozott organikus formákra.
A 3D nyomtatás remekül működik a generatív tervezéssel kombinálva, mert rugalmasságot biztosít, illetve rövid átfutási idejű gyártást a nagy komplexitású 3D-s alkatrészek esetén. Elmondható, hogy a 3D nyomtatás költséghatékonysága az alkatrész bonyolultságával növekszik.
A 3D nyomtatás versenyképesebb az egyedi és kis sorozatú gyártás területein. Megfigyelhető az is, hogy a 3D költségeinek csökkenésével, illetve a felhasználható anyagok sorának bővülésével ez az additív gyártási eljárás egyre nagyobb népszerűségnek örvend.
Kezdődjön a generatív tervezés
Mi az ideális első, vagy első pár lépés?
Ha van már tapasztalata CAD szoftver használatában, akkor a váltás nem lesz akkora, mint maga az eredmény rövid gyakorlás után. Fontos azonban, hogy viszonylag egyszerű, jól körülírt problémával induljon a folyamat.
Legyen a cél egy már létező alkatrész súlyának csökkentése. Jó kezdés, mert egyrészt a legnagyobb előnye a generatív tervezésnek a súlycsökkentés lehetősége, másrészt mert így csak részben lesz ismeretlen a terület.
A távlati cél elérése több és elérhető állomásból álljon. Az generatív tervezés részben más gondolkodásmódot kíván, és más a tervezés és a gyártás folyamata is. A teljesen új tervezői világ minden előnye nem aknázható ki egyik napról a másikra.
Érdekli a fémnyomtatás? Itt olvashat erről is bővebben!
Szerző: GépészPresszó
