In-house prototyping: Generatief ontwerp, CNC-frezen en lab-opstelling beheersen

Wanneer je wordt getaakt om prototyping in-house te brengen of je eigen prototyping-lab op te bouwen, kan er een overweldigende hoeveelheid informatie zijn om te evalueren.

Van mogelijkheden tot kosten, ruimtevereisten, en zorgen over geluid, trillingen, afval en energie-efficiëntie, de mogelijkheid om de specifieke behoeften van je operatie te isoleren en erop te handelen, kan gecompliceerd zijn.

Dit is zeker waar naarmate productie zich ontwikkelt en nieuwe processen als generatief ontwerp de voorgrond innemen, wat nog meer complexiteiten met zich meebrengt.

Modern Machine Shop rapporteerde recent dat...

Laten we meer leren over deze high-tech ontwikkelingen en hoe generatief ontwerp in perfecte harmonie kan werken met CNC-frezen in je prototype-lab.

De oorsprong van generatief ontwerp

Generatief ontwerp verstoort de manier waarop productie zowel praktisch als filosofisch is gedaan — met een perspectief geworteld in waardering voor de natuurlijke wereld en evolutie, specifiek.

"Evolutie heeft over miljarden jaren de dier- en plantensoorten die de planeet bevolken geperectioneerd, minder optimale ontwerpen verwervend ten gunste van diegenen die kunnen overleven en bloeien," schrijft Rani Richardson voor Industry Week.

In de zoektocht naar een vergelijkbaar geperectioneerd proces vraagt Richardson: "Wat als evolutionair ontwerp nagebootst kan worden met wetenschappelijke methoden? En wat als dat proces versneld kan worden tot minuten en seconden in plaats van jaren of eeuwen?"

Kom generatief ontwerp, "dat machine learning gebruikt om de evolutionaire benadering te omzeilen en direct naar de optimale vorm te gaan."

Door het proces van prototype naar productie te innoveren:

Deze nieuwe filosofie wint aan tractie, dankzij Artificial Intelligence en een herbeeld ontwerpproces. In de kern is het ontwerpproces "doorgaans een reeks reductieve verfijningen, kijken naar het ontwerpbrief in een breder bereik en het vernauwen tot de best mogelijke oplossing is gevonden."

De integratie van AI in generatief ontwerp heeft veranderd hoe prototyping bereikt kan worden — waardoor meer diverse resultaten mogelijk zijn dan ooit voorzien.

Volgens Industry Week:

Gegeven deze onweerlegbare momentum, waar past generatief ontwerp in je productiemodel?

Wat betekent generatief ontwerp voor fabrikanten?

Moderne productie wordt constant uitgedaagd door consumentenvraag naar betere producten die sneller dan ooit op de markt moeten. Deze behoefte aan snelheid, gecombineerd met de onverstoorbare zoektocht naar steeds betere producten, kan belastend zijn voor het productieproces.

Hier komt het voordeel van AI inherent aan generatief ontwerp: "Maar, als veel moderne toepassingen van kunstmatige intelligentie, is de basisidee dit: als je genoeg rekenkracht bundelt, is je netwerk in staat om veel iteraties van zeer complexe taken zeer snel te voltooien."

Om competitief te blijven en hun bottom line te beschermen, steunen steeds meer fabrikanten op generatief ontwerp als sleutelstrategie die "ingenieurs en ontwerpers alike in staat stelt om ontwerpproblemen op meer innovatieve en efficiënte manieren aan te pakken. Uiteindelijk verkort dit het ontwerp- en prototypingproces en versnelt de tijd die het duurt voor innovatieve producten de markt te halen."

Wat genereert generatief ontwerp eigenlijk?

Een betere vraag zou zijn: wat genereert het niet?

Generatief ontwerp heeft veelbelovende implicaties voor diverse verticals waaronder luchtvaart, automotive en defensie.

Terwijl de productiesector additionele toepassingen projecteert voor deze verbeterde ontwerpdenkweise, "Zijn er talloze voorbeelden van waar deze tools al vandaag de dag gebruikt worden, van huishoudelijke items zoals stoelen, tot het industriële ontwerp van auto-chassis en vliegtuigscheidingen."

Voor de luchtvaart- en auto-industrie "helpt generatief ontwerp ingenieurs bij doelen als het minimaliseren van onderdeelgewicht, het maximaliseren van stijfheid, het reduceren van kosten en het optimaliseren van materiaalgebruik. Het gebruik van generatief ontwerp kan onderdeelgewicht reduceren van maximaal 30% met traditionele productie tot 70% met additieve productie."

Vanuit consumentengoederen-perspectief zien we al een reeks herkenbare producten op de markt door generatief ontwerp. Goed nieuws als je prototyping-lab klanten bedient die deze producten maken.

Welke consumentenproducten specifiek?

"Nou, de consumentenproducten gemaakt met generatief ontwerp zijn al in de winkels in de vorm van Adidas-sneakers en Vitamix-mixermondstukken, en we mogen meer producten verwachten in de vorm van sportegoed, GSM-hoesjes en huishoudapparaten."

Maar dat is echt maar de top van de ijsberg: "Er zijn praktisch geen limieten aan wat generatief ontwerp kan creëren. Met zijn basis in de ontwerpen van de natuur, is generatief ontwerp bijna een representatie van ontwerp dat de cirkel voltooit."

Wat belooft generatief ontwerp voor in-house prototyping?

Generatief ontwerp biedt meer mogelijkheden voor prototyping dan traditionele processen ooit hebben kunnen bieden. Om te beginnen geeft generatief ontwerp je de kracht om zowel de hoeveelheid als de kwaliteit van prototypes te vergroten, gebaseerd on design specificaties en productbehoeftes.

De potentie voor betere prototypes

In plaats van te vertrouwen op één oplossing of prototype, kunnen fabrikanten nu de voordelen oogsten van grotere ontwerpprecisie voor sterkere klantoplossingen:

Generatief ontwerp creëert duizenden mogelijke oplossingen voor een product — gebaseerd op criteria en doelen ingesteld door de ontwerper — en produceert geometrieën en vormen die een mens normaal dagen, zo niet maanden, handmatig zou ontwikkelen... Dit proces zorgt ervoor dat de ontwerper of ingenieur de ene ontwerp kiest die de belangrijkste doelen van hun specifieke ontwerp bereikt.

Wanneer het gaat om strategische, wetenschappelijk onderbouwde oplossingen, biedt generatief ontwerp meer overtuigende opties en, "Deze opties omvatten vaak onconventionele geometrieën die een menselijke ontwerper waarschijnlijk nooit bedacht zou hebben — geometrieën die beter presteren dan hun meer conventionele tegenhangers."

Van een operationeel perspectief: betere prototypes plus betere prestaties is gelijk aan betere producten. Voor een ontwerper is generatief ontwerp de integratie van kunstmatige intelligentie in hun toolset; dus toelatend voor nieuwe methoden om de meest lastige ontwerpdilemma's op te lossen, en nog belangrijker, een product te versnellen naar de markt.

De menselijke factor ontmoet generatief ontwerp

Natuurlijk wordt praktisch elke vermelding van Kunstmatige Intelligentie in productie of andere industrieën automatisch ontmoet met zorgen dat robots mensen vervangen en dat processen als generatief ontwerp de noodzaak voor een menselijke werkkracht zullen elimineren.

Gegeven, generatief ontwerp wordt geprojecteerd om het productielandschap de komende tien jaar te transformeren.

Volgens Bryce Heventhal, Technical Marketing Manager bij Autodesk, Inc:

Let op het kritieke onderdeel van die zin: menselijke ingenieurs.

In feite, "Er is één ding dat Heventhal benadrukt over generatief ontwerp — het is niet bedoeld om menselijke werknemers te vervangen. Eerder, zegt hij, is kunstmatige intelligentie een waardevol mechanisme om, met orde van grootte, de mogelijkheden van ingenieurs en ontwerpers uit te breiden om nieuwe ontwerpen te testen en te incorporeren in de producten die ze bouwen."

Eenvoudig gezegd, "Zij nemen nog steeds de beslissingen," zegt Heventhal. "We geven ze gewoon betere tools om die beslissingen te nemen. Het gaat niet banen vervangen, het gaat banen versterken."

Vanuit een menselijke evolutie-standpunt, is dit als het traceren van de ontwikkeling van vroege tot moderne mens en het gebruik van rudimentaire tools en eventuele geavanceerde toepassingen. Generatief ontwerp is gewoon het nieuwste hoofdstuk van de mens die technologie benut:

"Ontwerpdenken verdwijnt niet, het evolueert om moderne tools te benutten. Op dezelfde manier als een timmerman een boormachine gebruikt in plaats van een handboor, zullen de productontwerpers en ingenieurs van morgen langzaam handmatige processen achterlaten."

Complexiteit balanceren met fabricatiebaarheid

Een van de zorgen die voortvloeit uit generatief ontworpen onderdelen is hun complexiteitsgraad om te fabriceren. Het is niet ongebruikelijk om generatief ontwerp-onderdelen te horen beschrijven als "buitenaards," "organisch," of "bizar."

Gelukkig komt de esthetiek op een verre tweede plaats na functionaliteit; het introduceert wel een niveau van complicaties voor het productieproces — met tallozen gesculpteerde oppervlakken kan het proces van het maken van een generatief ontwerp-onderdeel langdurig en inefficiënt zijn.

Gelukkig viel de geboorte van generatief ontwerp mooi samen met vooruitgang in productieprocessen. Meest opvallend, vooruitgang in additieve productie de afgelopen decennium heeft de mogelijkheden van 3D-printers versneld, terwijl tegelijkertijd de kosten daalden. Er zijn echter beperkingen — meest opvallend wanneer hoge precisie nodig is. Hoewel dit verbetert in additieve productie, is het momenteel buiten bereik voor veel prototype-labs door hoge voorafgaande en onderhoudskosten.

In de subtractieve productiewereld is 5-as CNC-bewerking wijdverspreid geworden, met meer merken die capabele apparatuur aanbieden en meer software dan ooit om de complexe toolpaths te creëren die nodig zijn voor een generatief ontwerp-onderdeel.

Toch, als met alles, zijn er nadelen.

Vanwege hun eisende besturingen vereisen 5-as machines een hoger vaardigheidsniveau van de operator en de programmeur. Daarnaast, om de investering in een 5-as freesmachine te beschermen, wordt vaak een tweede set software aanbevolen om de toolpath te simuleren en op botsingen te controleren.

Bovendien kunnen 5-as machines duur worden. Dit is inherent aan hun ontwerp — wanneer een as aan een freesmachine toegevoegd wordt, wordt meer werkruimte geofferd — Posteriormente kunnen zelfs 5-as machines met kleine werkbereiken vrij groot zijn. De situatie is niet ideaal wanneer een groot generatief ontwerp-onderdeel gefreesd moet worden — het is geen overdrevening te stellen dat de benodigde machine opwaarts van 7 cijfers kan kosten voordat toolingkosten erbij komen.zelfs de tooling is in dit geval gespecialiseerd om de diepe, ingewikkelde kenmerken in het generatief ontworpen onderdeel te bereiken.

Hoewel voldoende geld deze problemen kan oplossen, zouden de meeste prototype-labs liever onderdelen maken met de tools die ze hebben, en de meeste hebben 3-as freesmachines, geen 5. Gelukkig was het team bij Autodesk,fabrikanten van Fusion 360, alert op deze dilemmas.

Met productiebeperkingen kunnen gebruikers precies definiëren hoe ze hun eindproduct zullen produceren — of met 3D-printen, of de exacte methode van CNC-bewerking die ze ter beschikking hebben (2.5, 3, 4, of 5-as CNC-frezen). Door deze data aan het begin te introduceren, kunnen de programmatuur algoritmen vormen creëren die naadloos werken met hun machineconfiguratie. Met de toevoeging van deze mogelijkheid heeft Autodesk een manier gevonden om generatief ontwerp benaderbaar en praktisch te maken voor het breedst mogelijke publiek.

Wees deel van de evolutie

Uiteindelijk is generatief ontwerp een spannende ontwikkeling voor fabrikanten, niet te vergeten diverse verticals en consumenten, aangezien: "AI en generatief ontwerp tools' capaciteit om innovatie en efficiëntie te drijven zal hun adoptie katapulteren over industrieën. Ze zullen de nieuwe medewerkers worden in het ontwerpproces, de rollen van de ontwerper en ingenieur versterkend en producten creërend zoals we ze nog nooit gezien hebben."