Generatief ontwerp en 3D-printen:de productie van morgen

Generatief ontwerp is een softwaretool waarmee ingenieurs en ontwerpers ontwerpproblemen op een meer innovatieve en efficiënte manier kunnen benaderen. Generatieve ontwerpalgoritmen verkennen alle mogelijke ontwerpoplossingen door doelen en beperkingen te definiëren, en bieden ingenieurs talloze opties om te verkennen .

Hoewel generatief ontwerp nog in de kinderschoenen staat, heeft het een opmerkelijk potentieel laten zien voor industriële toepassingen, vooral in combinatie met 3D-printen. Samen kunnen generatief ontwerp en 3D-printen zorgen voor meer ontwerpflexibiliteit, terwijl lichtere en sterkere onderdelen worden gecreëerd.

Vandaag kijken we naar de voordelen en huidige uitdagingen van het gebruik van generatief ontwerp, met name in combinatie met 3D-printen. We zullen ook enkele van de meest populaire generatieve ontwerpsoftware verkennen die wordt gebruikt bij 3D-printen en een kijkje nemen bij de bedrijven die generatieve ontwerptechnologie gebruiken om innovatie te stimuleren.

Wat is generatief ontwerp?

Generatief ontwerp is een vrij nieuwe technologie. Zoals met elke nieuwe technologie, blijft er een gebrek aan consensus in de sector over de definitie ervan. Desondanks lijken er twee belangrijke manieren te zijn om naar generatief ontwerp te kijken:ofwel als een brede term die topologie-optimalisatie omvat, ofwel als een geheel andere technologie.

Een algemeen beeld van generatief ontwerp beschrijft het als een technologie die gebruik maakt van krachtige berekeningen om te helpen bij het ontwerpproces.

Hier is een stapsgewijze blik op hoe generatief ontwerp werkt:

1. Parameters instellen

De ontwerper specificeert en stelt de parameters voor het onderdeelontwerp in, gebaseerd op parameters zoals gewicht, materiaal, afmeting, kosten, sterkte en fabricagemethoden.

2. Ontwerpen genereren

De generatieve ontwerpsoftware gebruikt algoritmen om duizenden ontwerpopties te verkennen en te genereren. In dit stadium kan de software ook AI-aangedreven algoritmen gebruiken om elk ontwerp te analyseren en de meest efficiënte ontwerpen vast te stellen.

3. Selecteer de beste opties
De ontwerper kan deze ontwerpen vervolgens bestuderen en de resultaten selecteren die het beste voldoen aan het ontwerpdoel.

Om de geometrie van het ontwerp te bepalen, kunnen generatieve ontwerpalgoritmen een reeks verschillende benaderingen gebruiken, zoals zoals topologie-optimalisatie, biomimicry en morfogenese.

Het belangrijkste verschil tussen deze benaderingen is dat algoritmen voor topologie-optimalisatie doorgaans beginnen met een reeds bestaand ontwerp en het materiaal ervan verwijderen om het gewicht van het onderdeel te verminderen.

Biomimicry en morfogenese daarentegen bootsen de evolutionaire benadering van ontwerpen van de natuur na, zoals de groei van wortels en takken in bomen, of de evolutie van botstructuren, en gebruiken dit om ontwerpopties te genereren.

De voordelen van generatief ontwerp

In combinatie met 3D-printen kunnen de voordelen verder worden uitgebreid met lagere productiekosten en hogere productiviteit. We hebben 3 kernvoordelen geïdentificeerd:

1. Innovatieve ontwerpopties

Generatieve ontwerpsoftware kan geometrieën produceren die verder gaan dan wat mensen kunnen bedenken, waardoor de menselijke capaciteiten in productontwerp worden verbeterd.

2. Lichtgewicht

Generatieve ontwerptools geven ingenieurs de middelen om lichtgewicht onderdelen te maken met de minimale hoeveelheid materiaal die nodig is, terwijl ze voldoen aan de technische vereisten.

3. Gedeeltelijke consolidatie

Generatief ontwerp kan oplossingen bieden om subassemblages in één enkel onderdeel te consolideren. Het consolideren van onderdelen vereenvoudigt het assemblageproces en onderhoud en kan de totale productiekosten verlagen.

Waarom past generatief ontwerp perfect bij 3D-printen?

Generatieve ontwerpsoftware helpt bij het conceptualiseren van onderdelen met complexe, organische vormen. Aan de andere kant is 3D-printen misschien wel de ideale technologie om deze vormen tot leven te brengen, omdat het niet alleen in staat is om complexe geometrieën te creëren, maar het ook kosteneffectief is. Bij traditionele fabricage is het vaak onpraktisch, zo niet onmogelijk, om deze vormen te produceren vanwege de hoge kosten of de beperkingen van de technologie.

Het zou echter misleidend zijn om te stellen dat generatief ontwerp beperkt is tot alleen additive manufacturing, hoewel in veel gevallen de technologie de meest optimale productiemethode zal zijn. Met sommige generatieve ontwerpsoftwarepakketten kunt u naast AM ook fabricagemethoden specificeren, zoals CNC-bewerking, gieten of spuitgieten.

De uitdagingen van generatief ontwerp

Momenteel bevindt generatief ontwerp zich in een vroege ontwikkelingsfase, wat betekent dat vroege gebruikers bepaalde uitdagingen kunnen tegenkomen.

#1:Leercurve

Bijvoorbeeld het nauwkeurig definiëren van een ontwerpprobleem in berekenbare termen, dat generatieve ontwerpsoftware moet oplossen, zal een steile leercurve met zich meebrengen. Ingenieurs die geen ervaring hebben met het uitdrukken van het ontwerpprobleem als een reeks parameters, kunnen eindigen met los gedefinieerde structurele beperkingen of belastingen, wat uiteindelijk zal resulteren in een mislukt ontwerp.

#2:kloof tussen ontwerp en fabricage

Een ander punt van overweging bij generatief ontwerp is dat efficiënte ontwerpen niet altijd efficiënt kunnen worden vervaardigd. In een Renishaw-casestudy hebben ingenieurs bijvoorbeeld topologisch een ophangingsklokkrukas geoptimaliseerd. Ze hielden echter geen rekening met de maakbaarheid van het geoptimaliseerde onderdeel. Dit resulteerde in een ontwerp waarvoor veel dragers moesten worden geprint, terwijl het een goede gewoonte is om onderdelen te ontwerpen met zo min mogelijk dragers.

#3:Uitdagende geometrieën

Bovendien kunnen ontwerpen die zijn gemaakt met behulp van generatieve ontwerptools, geometrieën creëren die zelfs voor 3D-printen een uitdaging zijn. Overhangende elementen en dunne wanden zijn hier slechts enkele voorbeelden van. Nieuwe generatieve ontwerptools bieden echter opties waarmee de gebruiker aanvullende productiegegevens kan specificeren, zoals overhanghoeken en minimale wanddikte.

#4:Benodigde middelen

Ten slotte kunnen generatieve ontwerpbenaderingen rekenintensief zijn en krachtige computermogelijkheden van de hardware vereisen. Steeds meer bedrijven bieden echter generatieve ontwerpsoftware aan die gebruikmaakt van cloud computing, waardoor investeringen in dure hardware niet meer nodig zijn.

Generatieve ontwerpsoftwareoplossingen voor 3D-printen

Hoewel de markt voor generatieve ontwerpsoftware nieuw is, zijn er al een aantal softwarepakketten beschikbaar voor zowel additieve als subtractieve productie. In dit gedeelte bekijken we enkele van de meest veelbelovende aanbiedingen op het gebied van generatief ontwerp voor 3D-printen.

Autodesk generatief ontwerp

Autodesk heeft een voortrekkersrol gespeeld bij de ontwikkeling van generatieve ontwerpen. In april lanceerde het bedrijf zijn Autodesk Generative Design-platform, geïntegreerd in zijn cloudgebaseerde Fusion 360 Ultimate-productontwikkelingssoftware.

Hoe het werkt

Met het platform kunnen ingenieurs ontwerpparameters definiëren, zoals materiaal, grootte, gewicht, sterkte, productiemethoden en kostenbeperkingen. De software maakt met name gebruik van op AI gebaseerde algoritmen, die helpen om geldige ontwerpen uit een reeks ontwerpopties te filteren. De software houdt ook rekening met de maakbaarheid, waardoor ontwerpers maximaal tien verschillende additieve fabricagematerialen kunnen selecteren om het ontwerp te bestuderen.

Frustum GENERATE

Frustum, een jong bedrijf opgericht in 2014, wil een belangrijke speler worden op het gebied van generatief ontwerp. Het aanbod van het bedrijf is de GENERATE-software - een intuïtief programma voor het maken van topologie-geoptimaliseerde componenten voor additive manufacturing, frezen en gieten. GENERATE is een cloudgebaseerd platform, beschikbaar in drie niveaus:gratis, professioneel en zakelijk.

Hoe het werkt

In GENERATE wijst de gebruiker bepaalde belasting- en beperkingswaarden toe aan de vlakken van een onderdeel. Het programma, aangedreven door Frustum's generatieve ontwerpengine TrueSOLIDⓇ, genereert vervolgens een eindige-elementenanalyse (FEA) kaart van stressconcentraties. Met deze kaart kunnen gebruikers wijzigingen aanbrengen in de geometrie van het onderdeel, met name om de hoeveelheid onnodig materiaal in de structuur te verminderen. Het model kan worden opgeslagen in STL-formaat en is klaar om 3D-geprint te worden.

Vorig jaar kondigde Frustum een ​​samenwerking aan met Siemens, en momenteel is de technologie commercieel in licentie gegeven aan Siemens PLM-software en geïntegreerd in Siemens NX en Siemens SolidEdge.

Desktop Metal's Live Parts™

De onderzoeksgroep DM Lab van Desktop Metal, een in de VS gevestigde fabrikant van metalen AM-systemen, heeft onlangs haar experimentele technologie genaamd Live Parts™ aangekondigd.

Hoe het werkt

Het generatieve ontwerpplatform Live Parts™ maakt gebruik van op de natuur geïnspireerde algoritmen die ervoor zorgen dat onderdelen 'groeien' op basis van een reeks vooraf bepaalde parameters, zoals grootte, doel en gewicht. Het programma maakt een ontwerp door het van een zaadcel te ontwikkelen tot een geoptimaliseerde structuur, die sterk, lichtgewicht en bestand tegen vermoeidheid is. Het proces van het 'groeien' van een onderdeel duurt meestal tussen de 5 en 5 minuten, afhankelijk van de grootte van een model.

Generatief ontwerpen in de praktijk

Hoewel generatief ontworpen producten nog lang niet mainstream worden, houden ze een grote belofte in voor hoogwaardige industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de medische sector. Om als eerste te profiteren van de voordelen van generatief ontworpen en additief vervaardigde producten, zijn sommige bedrijven in deze industrieën al begonnen met het onderzoeken van de combinatie van beide.

Automobiel

Met 3D-printen en generatief ontwerp heeft Bugatti Automobiles bijvoorbeeld het echte vleugelbesturingssysteem voor de 1.500 pk sterke Chiron-supersportwagen geïnnoveerd in een testproject van generatieve ontwerpsoftware van Siemens.

Met het Siemens NX-platform kon de automaker het gewicht van de assemblage optimaliseren, die vervolgens in titanium en koolstofvezel in 3D werd geprint. Deze aanpak leidde tot een gewichtsvermindering van meer dan 50%.

General Motors is een andere autofabrikant die de mogelijkheden van generatief ontwerp en 3D-printen voor zijn toekomstige producten onderzoekt met behulp van Autodesk generatieve ontwerpsoftware.

"Bij GM zien we een groot potentieel voor generatief ontwerp in combinatie met additieve fabricageprocessen om onderdeelontwerpen mogelijk te maken die lichtgewicht zijn met de prestatiecriteria die we verwachten," zegt Kevin Quinn, directeur additive manufacturing bij General Motors.

Voorlopig print GM geen generatief ontworpen onderdelen voor productie in 3D, maar richt zich in plaats daarvan op proof of concept. In een eerste project gebruikte GM bijvoorbeeld de software van Autodesk om meer dan 150 ontwerpopties van een stoelbeugel te produceren. Deze waren 40% lichter en 20% sterker dan de beugel die momenteel in gebruik is. Het bedrijf was ook in staat om de acht verschillende componenten van de beugel te consolideren in één 3D-geprint onderdeel.

Toch heeft één autobedrijf een mijlpaal bereikt met een generatief ontworpen en in massa geproduceerd 3D-geprint onderdeel. BMW presenteerde onlangs zijn bekroonde dakbeugel voor BMW i8 roadster. Ingenieurs bij BMW gebruikten topologie-optimalisatie om de hoeveelheid materiaal die nodig was in het onderdeel te minimaliseren en vervolgens 3D het onderdeel in titanium te printen. De topologie-optimalisatie leidde niet alleen tot een gewichtsreductie van 44%, maar creëerde ook een ontwerp dat geen ondersteunende structuren nodig had tijdens het 3D-printproces.

Medisch

In de medische sector kan generatief ontwerp worden gebruikt om implantaten te maken die de poreuze aard van het menselijk bot reproduceren. NuVasive, een in de VS gevestigd medisch bedrijf, gebruikt zijn eigen ontwerpoptimalisatiesoftware om titaniumimplantaten te maken. De software maakt rastervormige, asymmetrische, lichtgewicht ontwerpen mogelijk, die alleen mogelijk zijn met additive manufacturing.

Vooruitkijken:de toekomst van generatief design

Voorbeelden van generatief ontwerp dat in verschillende bedrijfstakken wordt gebruikt, komen steeds vaker voor, aangezien de technologie steeds meer wordt geïntegreerd in de workflows voor productontwerp. Hoewel het nog steeds een relatief nieuwe technologie is, biedt het ingenieurs nu al een geheel nieuwe manier om naar productontwerp te kijken.

Hoewel AI en machine learning verantwoordelijk zijn geweest voor veel van de recente vooruitgang in generatieve ontwerptechnologie, heeft additive manufacturing ook een sleutelrol gespeeld bij het stimuleren van de acceptatie van generatieve ontwerpsoftware. Met verdere vooruitgang op het gebied van machine learning, cloud computing-mogelijkheden en AM, verwacht u dat generatieve ontwerptechnologie zal volgen en een sleutelfactor wordt in de toekomst van de productie.