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

U ovom članku:

Generativni dizajn menja način na koji se stvari prave, i uvešće pojednostavljene procese i povećanu održivost u ovaj vek

Generativni dizajn menja način na koji se stvari prave—i uvešće proizvodnju u ovaj vek, pojednostavljujući procese i povećavajući održivost.

Šta je generativni dizajn?
Kako se generativni dizajn može koristiti u proizvodnji?
3 ključne prednosti korišćenja generativnog dizajna u proizvodnji
Kakva je budućnost generativnog dizajna u proizvodnji?

Generativni dizajn predstavlja promenu paradigme u načinu na koji su stvari dizajnirane, sa mašinskim učenjem i računarstvom u oblaku kao vašim partnerima u dizajnu. Radi se o istraživanju dizajna, inovacijama i naprednom računarstvu.

Šta je generativni dizajn?

Generativni dizajn je oblik veštačke inteligencije koji preuzima inženjerski izazov koji vi definišete i predstavlja niz odgovarajućih rešenja za izbor, koja zatim možete da poboljšate u skladu sa svojim potrebama.

Umesto da pokušavaju da imaju na umu ograničenja i parametre tokom izrade nacrta proizvoda, dela ili alata, dizajneri kažu softveru koja su ograničenja i mogućnosti za kriterijume krajnje upotrebe koje su identifikovali. Tipovi ograničenja uključuju:

Materijale
Agilnost
Snagu
Trošak
Performanse

Vi u suštini kažete algoritmu generativnog dizajna da ne znate rešenje, ali znate zahteve.

Brzinom savremenog računarstva u oblaku, samousmereni proces generativnog dizajna za određivanje mogućih kombinacija na osnovu vaših zahteva može da predstavi mnogo unapred potvrđenih iteracija gotovog dizajna – hiljade, ako je potrebno.

Zamislite to kao projektovanje spolja iznutra: Različiti atributi dizajna su uspostavljeni i pomažu u postizanju najboljeg rezultata, umesto tradicionalnog metoda primene prototipova na kriterijume performansi radi daljeg usavršavanja. To je disciplina dizajna koja se može koristiti za bilo šta, od osnovnih, uobičajenih dizajnerskih izazova do veoma preciznih dizajna.

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

Potrošački proizvodi
Automobilska industrija
Vazduhoplovstvo
Industrijske mašine
Građevinski proizvodi

Kako se generativni dizajn može koristiti u proizvodnji?

Primarni slučaj upotrebe generativnog dizajna u proizvodnji je da automatski pokrene opcije dizajna koje su unapred potvrđene da bi ispunile zahteve koje ste postavili. To može biti posebno važno za efikasnu proizvodnju. Ponekad se deo ili alat mora uklopiti u ukorenjeni tok posla ili cevovod — metodološki ili fizički — kao deo većeg uređaja ili procesa.

Ponovno opremanje čitavog toka posla kako bi odgovarao novom komadu može biti ometajuće i skupo. Parametri oko toga kako treba da se uklope mogu biti izuzetno uski. I iako ljudski dizajner ima stručnost da eksperimentiše u okviru tih strogih ograničenja, još uvek postoji bezbroj varijacija koje treba istražiti korišćenjem softvera za generativni dizajn — kao što je Autodesk Fusion 360 — da bi se minimizirali troškovi težine ili materijala ili da bi se maksimizirali pokazatelji performansi.

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

3 ključne prednosti korišćenja generativnog dizajna u proizvodnji

Postoje značajne prednosti usvajanja generativnog dizajna u proizvodnim procesima. Korišćenje generativnog dizajna olakšava smanjenje težine dela bez ugrožavanja funkcionalnosti. Takođe donosi prednosti u pogledu održivosti, smanjujući upotrebu sirovina i uticaje na životnu sredinu uz povećanje performansi i smanjenje troškova.

Poboljšajte performanse proizvoda

Materijali i dizajn su partneri u proizvodnji, sa različitim supstancama koje pokazuju različita svojstva. Korišćenje drugog materijala može u potpunosti da promeni dizajn.

Kada novi materijal uđe na tržište ili ekonomski faktori ograniče pristup tipičnom materijalu, on može poslati dizajnere nazad na tablu za crtanje u veoma skupom procesu ponovnog opremanja čitavog radnog toka. Generativni dizajn ih može brže vratiti na pravi put, uzimajući u obzir sve materijale koji su dostupni za projekat. Bilo da biraju specifične materijale ili parametre oko fleksibilnosti, krutosti, težine ili odgovora na faktore okoline, algoritam generativnog dizajna ima globalni skup podataka – oblak – iz kojeg virtuelno testira alternative mnogo brže od tima dizajnerskih inženjera.

Lagana težina

To je jednostavna fizika: ako je nešto teže, teže je pokrenuti, podići ili na drugi način pomeriti. A kada je reč o oblastima kao što je masovni transport, jedan od najjasnijih puteva ka smanjenju upotrebe fosilnih goriva je da automobili, autobusi ili avioni budu manje teški tako da im treba manje goriva za kretanje.

Lagana težina je izazvala interesovanje za futurističke supstance kao što su grafen ili ugljenična vlakna kako bi se zamenili teži materijali iz industrijske ere poput gvožđa i čelika.

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

Logistika: Slanje lakših proizvoda povećava zapreminu po jedinici utrošene snage transporta.

Proizvodnja: Bilo da je u fabrici ili na stolu u dnevnoj sobi, izrada stvari je brža i lakša.

Korišćenje 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 korišćenog materijala do 40%.

Održivost je ključna prednost lagane težine — lakši proizvodi znače da je potrebno manje sirovina. Generativni dizajn omogućava korisnicima da istražuju različite dizajne zasnovane na različitim materijalima. A uz to, postoji potencijal da se koristi održiviji materijal.

Na primer, koristeći generativni dizajn, avio kompanija Erbas je napravila pregradu za kabinu koja odvaja putnike od kuhinje u avionu A320, što je uspešan dokaz koncepta koji je rezultirao nekim zapanjujućim brojevima. Svaki ušteđeni kilogram na A320 štedi 106 kilograma goriva, a svaka pregrada je teška oko 30 kilograma. Erbas je izračunao da ako bi svaka pregrada u kabini bila napravljena na isti način, to bi uštedelo više od 1.000 funti težine u svakom avionu, što bi smanjilo emisiju CO2 za 166 tona godišnje za svaki avion.

Zamislite da koristite generativni dizajn da biste to primenili na stolove, sedišta, čak i — s obzirom na ispravne materijale — kontrole ili okvir aviona, i dobici za životnu sredinu postaju jasni.

U nastojanju da poveća performanse i smanji težinu, japanski proizvođač auto delova DENSO je remontovao kontrolnu jedinicu motora (ECU), koja upravlja količinom i vremenom goriva koje isporučuje elektronski sistem za ubrizgavanje goriva u vozilu. Koristeći generativni dizajn, DENSO je stvorio optimalan oblik kako bi ECU učinio 12% lakšim uz zadržavanje kapaciteta disperzije toplote originalne ECU.

Još jedan lagani primer dolazi od kanadskog dobavljača delova za motocikle MJK Performance. Kompanija je identifikovala posvećenu nišu entuzijasta Harlei-Davidson motocikala koji su želeli da ponovo stilizuju svoje vožnje kako bi se ponašali kao evropski trkački motocikli. Koristeći tehnike masovnog dizajna i proizvodnje, troškovi servisiranja tako uske baze kupaca obično bi bili van domašaja. Koristeći generativni dizajn, MJK je uspeo da uzme tradicionalno glomazan deo — trostruku stezaljku — i pretvori ga u lagani, jedinstveni dizajn koji je bio toliko uspešan da je kompanija stavila deo u proizvodnju do kraja te iste nedelje.

Demokratizacija izrade prototipa aditiva i jednokratna proizvodnja dali su MJK sredstva da se suoči sa naprednim tržištem; otkrio je da je generativni dizajn savršen partner za isporuku neophodnih metrika performansi dok je karakteristična vizuelna estetika stvorila sopstveni publicitet.

Generativni dizajn se takođe odnosi na nauku o materijalima. Ako postoji komponenta dizajnirana od određenog materijala, ali postoji održivija alternativa, sve što treba da uradite je da je ubacite u digitalni model; ostatak geometrije će se prilagoditi tako da i dalje bude u skladu sa specifikacijama performansi.

Građevinski blokovi sutrašnjih alata, uređaja i instrumenata takođe napreduju, a moć oblaka koji pokreće generativni dizajn otvara svet najsavremenijih istraživanja i stručnosti. Inovacije koje tradicionalno nisu mnogo izložene u vašem sektoru mogu se promeniti. Na primer, ako proizvođač godinama koristi aluminijum, možda će vulkanizovana guma povećati elastičnost. Možda će polimerni spoj apsorbovati više opterećenja i omogućiti korišćenje jeftinijih, lakših materijala u ostatku strukture.

Smanjite troškove

Smanjenje troškova je jedna od najatraktivnijih prednosti za proizvodni sektor koji usvaja generativni dizajn. Svaki kvadratni milimetar zapremine sačuvan u geometriji predstavlja uštedu troškova, a ako se ta ušteda poveća na globalni proizvodni i logistički cevovod, iznos može biti zapanjujući. Obično se generativnom dizajnu pripisuje smanjenje materijala za oko 20%–40%.

Ali ne radi se samo o radikalnim promenama ili promeni krajnje tačke načina na koji se stvari prave.

Vratite se na primer Erbasove promene jedne pregrade u vazdušnoj kabini kao dokaz koncepta. Uz jeftine razvojne tehnike kao što su prototipovi za 3D štampanje, ponovno zamišljanje jednog alata ili uređaja u proizvodnoj liniji može doneti postepeno poboljšanje uspostavljenog toka posla.

Ispravite to i to bi moglo podstaći dizajnere da pređu na sledeći, malo veći izazov. To bi potencijalno moglo da transformiše čitav posao.

A alati koji pomažu u donošenju odluka o troškovima su ugrađeni na početku procesa generativnog dizajna. Fusion 360 sadrži alatku za izveštavanje koja procenjuje troškove geometrije na osnovu različitih materijala, iscrtavajući ih na grafikonu za lakši pregled kako se menjaju u zavisnosti od količine.

Ali kako generativni dizajn može pomoći u smanjenju troškova u postojećim tehnologijama kao što su aditivna proizvodnja, konsolidacija delova, livenje i CNC mlevenje?

Generativni dizajn i aditivna proizvodnja

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

U stvari, način da se maksimalno iskoristi aditivna proizvodnja je korišćenje generativnog dizajna, koji može stvoriti zamršene oblike visokih performansi. Obično su najlakši, najjači oblici. A jedini način da se proizvedu te vrste geometrija je aditivna proizvodnja.

Tradicionalni strug i CNC procesi često ne mogu da se prepiru sa detaljima na najsitnijim nivoima koje takve strukture zahtevaju, što aditivnu proizvodnju čini savršenom za generativni dizajn. Isto tako, dizajni modelovani u klasičnim CAD okruženjima ne koriste prednosti finih detalja koje nudi aditivna proizvodnja.

Na primer, 3D štampač može da manifestuje digitalni model iz bilo kog broja jeftinih materijala za izradu prototipa ili prezentaciju. Doradite ga i ponovo odštampajte onoliko puta koliko je potrebno, a kada je proizvod spreman za proizvodnju, ista digitalna sredstva mogu se neprimetno transponovati u tok rada proizvodnje uživo.

Generativni dizajn za konsolidaciju delova

Dva veka industrijskog dizajna i proizvodnje dala su proizvodnom sektoru priličnu kolekciju delova, alata, instrumenata, uređaja, fragmenata i komponenti koje se koriste za pravljenje drugih stvari. Postoji mnogo intelektualne ekspertize u toj floti; uzorkovanje za najbolje delove za sastavljanje umesto dizajniranja nove geometrije za svaki projekat bio je najbrži i najjeftiniji put napred.

Međutim, sa niskim troškovima izrade prototipa i metoda proizvodnje kao što je 3D štampanje, cena uvođenja nove strukture umesto kombinovanja postojećih dizajna se smanjuje — a rezultat može znatno nadmašiti tradicionalne pristupe „slagalice“.

Na primer, koristeći tehnologiju generativnog dizajna u Fusion 360, inženjeri General Motorsa su uspeli da redizajniraju standardni auto deo — skromni nosač sedišta — da bude jedan komad od nerđajućeg čelika umesto osam. Softver je napravio više od 150 dizajna za nosač sedišta, koji pričvršćuje pojaseve za sedišta i sedišta za pod. Novo dizajnirani deo je sada 40% lakši i 20% jači od prethodnog nosača.

Bez unapred stvorenih ideja o tome šta već postoji i samo sa poznavanjem kriterijuma performansi, generativni dizajn može postati kreativan koliko god je potrebno. Možete završiti sa delom koji je jedan komad, dok su prethodne metode možda videle da su ga inženjeri konstruisali od bezbroj drugih.

Generativni dizajn i livenje

Još jedna oblast u kojoj aditiv još uvek nije dovoljno napredan da izbaci tradicionalne metode je livenje metala (sipanje vrućeg metala u negativan prostor da bi se stvorio specifičan oblik) – posebno kada su u pitanju veliki i/ili teški komadi legure. Aditivna proizvodnja je zapravo pronašla dom u procesu livenja metala, ali se trenutno koristi samo za izradu prototipa, a ne za proizvodnju.

Generativni dizajn može ponuditi velike prednosti za livenje metala u smanjenju troškova i smanjenju težine. Ušteda na sirovinama je ključna za livenje, pošto proizvođači obično proizvode veće količine delova, gde se uštede mogu dodati ili su sirovine veoma skupe.

Na primer, Autodesk se udružio sa livnicom Aristo Cast sa sedištem u Mičigenu kako bi razvili ultralaki okvir sedišta za avione. Tim je koristio generativni dizajn, 3D štampanje, optimizaciju rešetke i investiciono livenje da bi na kraju stvorio okvir sedišta koji je teži 56% manje od tipičnih trenutnih modela. Za avion Erbas A380 sa 615 sedišta, to bi značilo uštedu od 100.000 dolara u gorivu godišnje, kao i 140.000 plus manje tona ugljenika u atmosferi.

Tehnike aditiva takođe mogu da proizvedu stvarne kalupe za livenje metala, što rezultira daleko komplikovanijom geometrijom od onih od livenja, bez strmih vremena postavljanja i dodatnih troškova.

Generativni dizajn i CNC obrada

Tokom protekle decenije došlo je do naleta interesovanja za desktop 3D štampače, ali uprkos zapanjujućem porastu, aditivna proizvodnja nije ni blizu da sruši uveliko ukorenjenu infrastrukturu tehnika mašinske obrade u teškoj proizvodnji.

Među novim principima koje generativni dizajn uvodi u proizvodnju je dublji nivo detalja u složenijim strukturama nego što su inženjeri ikada imali na raspolaganju. Pa šta se dešava kada tradicionalna CNC proizvodnja to ne dozvoljava?

Takvo ograničenje je hleb i puter generativnog dizajna. Metod rada je da se u softver unese svaki dizajn, performanse, težina, materijal i proizvodni parametar kako bi se generisao najbolji mogući skup dizajnerskih ideja, kao i ograničenja ili zaštitne ograde koje industrijska subtraktivna obrada i glodanje nameću proizvodnji (kao što je alat prečnik ili dužina).

Tamo gde 3-osni CNC uređaj koristi uobičajene alate, manje je pogodan za uske šupljine u kojima može da radi uporedivi uređaj sa 5 osa. Ali dok je uređaj sa 5 osa precizniji, potrebno mu je više vremena za podešavanje. Kao iu svakom drugom poslovnom procesu, postoji kompromis.

Ali na kraju procesa dizajna, možete jednostavno zatražiti od algoritma generativnog dizajna da optimizuje dizajne koje predstavlja za proizvodni proces koji koristite. Ako imate 3-osni CNC uređaj, on vam neće dati previše zakrivljene, rešetkaste strukture, aditivni procesi koji rade tako dobro ili manje otvore pogodne za mašine sa 5 osa.

Na primer, Evolve MH Development Engineering, sa sedištem u Velikoj Britaniji, želeo je da dizajnira lakšu, isplativiju komponentu za svoj električni hiperautomobil. Smanjenje težine je važno za električne automobile kako bi ispunili ciljeve performansi i dometa. Evolve tim je takođe zahtevao da deo bude prikladan za 2,5-osno CNC glodanje.

Tim inženjera je koristio Fusion 360 da unese zahteve i parametre delova: stvari kao što su snaga, krutost i performanse. Na kraju, komponenta koju je tim napravio za električni hiperautomobil je 40% lakša od njihovog originalnog dizajna i završena je u rekordnom roku.

Proširite inovacije istraživanjem novih koncepata dizajna

Od svih potencijalnih prednosti generativnog dizajna, možda najproširenija i najneproslavljenija je ugrađivanje kulture inovacija u proizvodni sektor u celini. Mnogi glavni tehnički službenici, inženjeri ili dizajneri koji započnu sa skeptičnim prednostima generativnog dizajna na kraju postaju najočigledniji evanđelisti onoga što on može da uradi.

Pošto generativni dizajn funkcioniše u oblaku, on će dovesti dizajnere i inženjere u kontakt sa drugim idejama i tehnikama kojima tradicionalne metode možda nikada nisu bile izložene.

Industrijski inženjeri mogu više da sarađuju sa digitalnim dizajnerima. Tehnički direktori mogu početi da shvataju kako se sila primenjuje na materijal. Menadžeri u fabrici mogu da vide kako računar može dati bolji prvi korak (ili 10 ili 100 opcija) nego što bi osoba mogla sama da napravi. Inovacija i saradnja idu ruku pod ruku. Sa generativnim dizajnom, svet mogućnosti je znatno proširen.

Proizvođač delova za bicikle sa sedištem u Čikagu i laboratorija za inovacije SRAM pravi delove za namensku bazu kupaca iskusnih entuzijasta—u ovom slučaju, za terenske bicikliste. Kompanija je proizvela prototip komplikovanog oblika za polugu bicikla koji je mogao da se napravi samo korišćenjem kombinovanih procesa aditivne proizvodnje i generativnog dizajna. Bio je to idealan test slučaj da se vidi šta bi generativni dizajn mogao da uradi za druge delove bicikla. Iskustvo je inspirisalo kompaniju da istraži nove mogućnosti i inovacije u dizajnu, materijalima i ceni. SRAM kaže da generativni dizajn igra glavnu ulogu u tome kako kompanija konceptualizuje svoje poslovanje.

Drugi primer je Elevate, zajedničko ulaganje između Hyundai-jevog odeljenja CRADLE i dizajnerskog studija Sundberg-Ferar. Izgledajući kao prijateljski insekt iz naučno-fantastičnog filma, Elevate je automobil sa točkovima 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 teoretski mogu da ga odnesu bilo gde za masovni tranzit, pomoć u slučaju katastrofe i još mnogo toga.

Elevate-ovi bezbrojni delovi su dizajnirani od nule za koncept, mnogi od njih sa izuzetno laganim svojstvima zahvaljujući generativnom dizajnu.

Ali možda bi svemir mogao biti krajnji test za bilo koju nauku o materijalima, koja se bori sa toplotom, hladnoćom, radijacijom, naletom čestica velikih brzina, vrtoglavom inercijom ubrzanja i drugim okruženjima koja se ne mogu naći nigde na zemlji. A kada uklanjanje samo nekoliko grama uštedi potencijalno stotine hiljada dolara, istraživanje svemira predstavlja vrhunski ples održavanja performansi uz minimiziranje mase.

Nekoliko institucija radi sa tako rigoroznim ograničenjima više od NASA-ine Laboratorije za mlazni pogon, koja je generativni dizajn učinila idealnim partnerom za razvoj koncepta ekstraplanetarnog lendera sa manjom masom i poboljšanim performansama.

Kako generativni dizajn prevazilazi optimizaciju topologije

Lako je pomešati generativni dizajn sa drugim pristupima optimizacije dizajna, kao što je optimizacija topologije, ali postoji važna razlika. Svaki dizajn napravljen na tradicionalan način je jednostavno najbolja inžinjerska pretpostavka o tome kako da se reši problem. Optimizacija topologije može samo da utiče na proces od te tačke, uzimajući ono što je čovek napravio i čineći ga postepeno boljim.

Generativni dizajn počinje ranije u procesu. To je ko-dizajner koji predstavlja ideje zasnovane na ograničenjima oko onoga što vaš dizajn treba da uradi – a ne na onome što mislite da će funkcionisati (ma koliko da ste iskusni). Još jednostavnije rečeno, optimizacija topologije uklanja materijal iz originalnog rešenja, gde generativnom dizajnu nije potrebno originalno rešenje – on obavlja istraživački rad kako bi vam pomogao da ga pronađete.

Put optimizacije odatle ne mora da se odvija sa jedne početne tačke; možete se vratiti na bilo koju drugu početnu tačku i generisati bezbroj drugih opcija.

Kakva je budućnost generativnog dizajna u proizvodnji?

Tehnologija generativnog dizajna nastavlja da napreduje—kroz istraživanje, start-up i druge puteve ka inovacijama. Ovaj napredak će takođe transformisati način na koji ljudi komuniciraju sa tehnologijom i jedni s drugima. Biće više saradnje u različitim disciplinama – inženjeri sa tehničkim direktorima i dizajnerima – i više inovacija za proizvodnu industriju.

Brže, pametnije tehnologije

Studija koja je obuhvatila automobilsku I vazduhoplovnu industriju i sportske proizvode pokazala je da je generativni dizajn smanjio troškove do petine, a i masu i vreme razvoja do polovine.

Ali osim smanjenja troškova, materijala, vremena razvoja i uticaja na životnu sredinu širom globalne proizvodne industrije, specifičan napredak dolazi iz laboratorija, namenskih start-upova i istraživačkih objekata.

Jedan primer je generativni dizajn koji uzima u obzir naprednu dinamiku fluida. Postoji mnogo industrijskih delova koji moraju da rade u okruženjima u kojima kretanje tečnosti ili gasa može značajno uticati na performanse.

Kada se merila 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:

Da li će povećanje vazdušnog pritiska izazvati porast temperature?

Da li će se brzo super ohladiti?

Da li će kretanje vazduha uticati na jednu određenu površinu u odnosu na drugu?

Pored dinamike fluida, tehnologije kao što su aditivi malog obima i 3D štampanje će dramatično smanjiti barijeru za ulazak novih igrača koji će ući u polja naoružani novim idejama i bez unapred stvorenih ideja o tome šta se može, a šta ne može učiniti.

Dok tehnologija nastavlja da napreduje, jedna od najvažnijih promena koje će doneti generativni dizajn biće uticaj na ljude. Generativni dizajn će suštinski promeniti zadatke sa kojima se proizvodno osoblje suočava na bolje. Sa kraćim vremenom razvoja, dizajneri i inženjeri će imati vremena da prošire svoje profesionalne i kreativne horizonte.

Izvor: CADClub