Генеративный дизайн (порождающее проектирование) – общее понятие, описывающее множество новых инструментов САПР, которые применяются для оптимизации изготовления, снижения веса изделий и экономии используемых материалов. Результатом применения этих инструментов становятся органичные и даже внеземные с виду детали, которые позволяют сократить стоимость производства. Это ведет к экономии бюджета производителя и созданию эффективных и прочных изделий, которые, в свою очередь, позволят сделать продукт дешевле для потребителя. Успехи в разработке этих инструментов в особенности заметны сегодня у Autodesk. В портфеле компании уже есть решения для топологической оптимизации, доступные для массового использования, имеются и несколько совершенно удивительных новых продуктов. Итак, устраивайтесь поудобнее в своем старом кресле, скиньте ваши обычные кроссовки и погрузитесь в мир генеративного дизайна.
Топологическая оптимизация
Топологическая оптимизация – первое направление генеративного дизайна, которое мы рассмотрим. В последнее время это понятие стало довольно модным. Это связано с растущей популярностью аддитивного производства, которое позволило создавать гораздо более сложную геометрию изделий. На самом деле топологическая оптимизация существует уже около 20 лет, но, как и многие технические направления, до недавнего времени она была скрыта в исследовательских лабораториях университетов и высокотехнологичных компаний.
Кронштейн, созданный с помощью топологической оптимизации. Материал был удален из областей, не несущих нагрузку
Возросшая значимость 3D-печати довела эту тему до общественного сознания. Все больше производителей ПО стали предлагать инструменты топологической оптимизации для широкого потребления. Таким инструментом, в частности, является Autodesk Fusion 360.
Большинство (если не все) решения для топологической оптимизации используют 3D-модель и метод конечно-элементного анализа (FEA, finite element method) для того, чтобы установить распределение нагрузок на основе заданной геометрии, точек креплений, ограничивающих условий и объема изделия.
Топологическая оптимизация в Fusion 360:
Как правило, процесс выглядит следующим образом. Неоптимизированная 3D-модель загружается в выбранное ПО, после чего определяется рабочее пространство для дальнейшей оптимизации с учетом действующих нагрузок, используемых материалов, объема и общей формы изделия. Также определяются области изделия, которые не будут затронуты в ходе оптимизации конструкции. Затем запускается конечно-элементный анализ и устанавливается распределение нагрузки, а ПО убирает лишний материал из областей, не несущих нагрузку. В итоге получается деталь с меньшим весом, которая оптимизирована в соответствии с заданными требованиями.
Любому, кто хочет попробовать поработать с топологической оптимизацией, достаточно скачать Autodesk Fusion 360. Студенты, кстати, могут сделать это бесплатно.
Оптимизация структуры и поверхности
Такой метод позволяет менять внутреннюю структуру, а также оптимизировать форму поверхности продукта для того, чтобы сделать его легче и прочнее. Он похож на топологическую оптимизацию тем, что объединяет инструментарий решателя Nastran с итерационным подходом изменения структуры. Отличие заключается в том, что оптимизация происходит не только за счет удаления излишнего материала из конструкции, но и заполнения несущих нагрузку или менее нагруженных элементов изделия плотной, связанной структурой, похожей на кристаллическую решетку. Таким образом, инженер может не только совершенствовать свое изделие с учетом требований по весу и нагрузке, но и быть гибким при выборе оптимальной структуры конструкции.
Впервые Autodesk продемонстрировал этот функционал в 2015 году, когда компания приобрела технологию оптимизации дизайна Within и добавила ее в собственные продукты. Возможно, вы помните пару кроссовок, которые не так давно были разработаны для производителя спортивной одежды Under Armour? Они как раз и были созданы с помощью Autodesk Within. Обратите внимание на простую с виду решетчатую подошву этих кроссовок – она дает прекрасное представление о том, чего можно достичь с помощью структурной оптимизации и технологии SLS 3D-печати.
Подошва этих кроссовок была создана с помощью оптимизации структуры в ПО Autodesk Within
Трабекулярные структуры
Трабекула – это небольшой, часто микроскопический элемент ткани в виде маленького пучка, стойки или стержня, который выполняет какую-то механическую функцию. Наше тело состоит из множества таких структур. Их использование в генеративном дизайне позволяет точно масштабировать и распределять крошечные поры по всем твердым материалам, а также создавать шероховатость поверхности, имитируя кости при создании медицинских имплантов. Это не только помогает ускорить восстановление пациентов, но и позволяет сделать имплант гораздо легче тех, что получены традиционными методами.
Как правило, человеческий организм страдает, если в него внедряют стандартные конструкции. Свобода дизайна, которую обеспечивают сгенерированные трабекулярные структуры, позволяет имплантировать элементы, сделанные на заказ с учетом особенностей строения тела каждого конкретного пациента. Это, в свою очередь, повышает комфорт пациента, а также сокращает время заживления травм и снижает стоимость импланта.
Autodesk Within Medical позволяет создавать пористую и качественную структуру, в основе которой лежат требования дизайнера. Этот черепной имплантат оптимизирован по весу и совместим с существующей костной структурой:
Способ, с помощью которого создаются несущие нагрузку элементы, похож на те, которые используются для оптимизации структуры и поверхности. Благодаря его эффективности стандартный инструмент Autodesk Within в итоге эволюционировал в Autodesk Within Medical, который позволяет изменять не только крошечные структуры, но и пористость и гладкость поверхности.
Синтез формы
Топологическую оптимизацию можно считать так называемым восходящим подходом к проектированию, в котором параметры и формы конечной конструкции изначально известны и само изделие в итоге оптимизируется на основе этих данных.
Синтез форм, напротив, позволяет дизайнерам задавать на входе более общие требования, а система уже на основании этих требований «выращивает» новый дизайн. Кроме того, такой подход может предложить ряд альтернативных вариантов. Синтез формы повторяет контуры природного дизайна и создает органические и естественные конструкции, которые могут выходить за рамки воображения инженера. То есть, это нисходяций подход, ориентированный на поиск цели.
Инструментом синтеза формы является Project Dreamcatcher от Autodesk. Он взращивался в лабораториях компании в течение нескольких лет. Потом технология была усовершенствована и опробована как внутри Autodesk, так и рядом отраслевых партнеров компании, таких как Airbus:
Изначально Dreamcatcher являлся платформой, которая использовала высокопроизводительные вычисления и облачные технологии. Теперь он интегрирован в коммерческое ПО, эволюционировавшее в сервис «Autodesk Generative Design». Недавно Autodesk объявил, что скоро эта технология появится в Netfabb 2018 Ultimate, решении Autodesk для аддитивного производства.
Этот стул был спроектирован с помощью искусственного интеллекта после того, как инженер ввел требования, предъявляемые к конечному изделию. Dreamcatcher сгенерировал варианты, основанные на этих параметрах, а инженер выбрал из них наиболее подходящий. После этого модель была отправлена в производство на станок с ЧПУ:
«Генеративный дизайн от Autodesk – не просто способ оптимизации топологии или создания внутренней структуры изделия, это огромный шаг вперед, – говорит Грег Феллон, вице-президент Autodesk по инженерному анализу. – В то время как оптимизация предназначена для доработки уже существующего решения, генеративный дизайн предлагает инженеру весь спектр эффективных, функциональных и технологичных решений. Инженер может не только найти абсолютно новое решение, но и воплотить его в жизнь с помощью аддитивного производства».
Видео: Autodesk Generative Design:
Имея под рукой эти новые инструменты дизайна, можно не только ожидать появления эффективно произведенных и надежных конечных продуктов. Справедливо будет сказать, что они навсегда изменят само понятие дизайна.
Инженеры и дизайнеры больше не будут ограничены традиционными методами работы. Благодаря искусственному интеллекту и машинному обучению они получат возможность использовать совершенно новые способы в своей работе. Будущее выглядит очень интересным, как с точки зрения эффективности, так и эстетики.
Автор: Филипп Кин
Источник: http://isicad.ru/
