Генеративный дизайн - будущее инженерии? [Часть 1]

На изображении выше показана рама беспилотника, созданная с использованием генеративного дизайна. Данный метод помогает снизить вес конструкции за счет минимизации использования материалов при соблюдении инженерных требований.

Итак, что такое генеративный дизайн?

Это итеративный метод проектирования новых изделий с помощью функций программного обеспечения CAD. Эти функции автоматически создают большое количество возможностей проектирования, когда в качестве исходных данных предоставляются конкретные данные. Вводимые данные формируют ограничения, в рамках которых должна выполняться конструкция.

Эти конструкции не придуманы искусственным интеллектом. На самом деле это человеческие конструкции, которые дорабатываются с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения.

Например, если нам нужно создать возможный дизайн обеденного стола, необходимо предоставить такие данные, как длина, ширина, высота, которую мы ожидаем, и нагрузка, которую он должен выдерживать.

Программа генеративного дизайна создаст для нас большое количество итераций, которые мы сможем доработать в соответствии с нашими предпочтениями. Каждая итерация может содержать сотни конструкций.

Генеративный дизайн постепенно преобразует сферу дизайна. Он помогает дизайнеру генерировать тысячи возможных дизайнерских решений, на что вручную ушли бы месяцы.

Существует шесть общих шагов, которые необходимо выполнить, когда речь идет о создании идеального дизайна с помощью различных программ генеративного дизайна, доступных на современном рынке. Эти шесть шагов следующие:

На этом этапе дается приблизительное определение проекта и ставятся цели. Между дизайнером и клиентом устанавливается четкое представление об атрибутах конечного продукта, задавая такие вопросы, как:

• Что мы проектируем?
• Что должно/не должно присутствовать в окончательной конструкции?
• Каковы параметры дизайна и их диапазон?
• Какие условия будут определять успех или неудачу проекта?

Вопросник по проблеме проектирования должен быть максимально исчерпывающим, а ответы - максимально точными, чтобы сгенерировать наиболее подходящий дизайн. Этот шаг чрезвычайно важен для процесса генеративного дизайна, поскольку программа не будет учитывать цели, которые мы не описываем при генерации моделей.

После того как мы определили постановку задачи, пора переходить к сбору данных, которые необходимы программе для создания нашей модели. Эти данные собираются как минимум в 2 основных фазы.

На первом этапе мы собираем данные, необходимые для создания модели, а на втором этапе определяем параметры, которые будут использоваться для оценки нашей модели.

Когда речь идет о данных для создания модели, мы определяем как требования проекта, так и ограничения. Для оценки модели мы определяем параметры для измерения и анализа модели. Определение данных для оценки помогает программе оптимизировать наши решения. Недостаточно определенные данные дадут нам множество неактуальных решений, помимо релевантных.

После ввода данных мы переходим к этапу создания модели. При выполнении программа генерирует возможные решения, которые соответствуют нашим определенным требованиям и ограничениям.

Сгенерированные модели разделяются на различные группы, называемые итерациями. Каждая итерация может содержать сотни вариантов дизайна.

После того как модель готова, созданные итерации проверяются на соответствие изначально заданным параметрам оценки. Созданные проекты также ранжируются в зависимости от того, насколько они близки к нашим требованиям.

Например, если мы определили продукт как стол, имеющий максимальную площадь поверхности при наименьшем количестве материала, то решение с максимальной площадью поверхности будет ранжироваться выше по сравнению с теми, у которых площадь поверхности меньше максимальной. Это ранжирование помогает нам отфильтровать сотни сгенерированных проектов, основываясь на том, что для нас важнее из определенных параметров.

Мы можем выбрать, например, стоимость в качестве основного фильтра, и программа расположит итерации в порядке возрастания/убывания их стоимости.

Поэтому рекомендуется добавлять как можно больше параметров оценки в самом начале. Это может показаться нелогичным, поскольку это может ограничить количество генерируемых решений, но сгенерированные проекты будут гораздо ближе к нашим реальным ожиданиям, и из них будет легче выбирать.

На этапе эволюции модели мы сужаем количество сгенерированных вариантов дизайна, чтобы отсеять неидеальные решения.

Программа сортирует итерации, чтобы выбрать наиболее подходящие, и на их основе создает новые конструкции. Метрики поиска могут быть изменены, чтобы найти лучший дизайн для наших нужд.

После того как мы выбрали несколько наиболее подходящих для нас вариантов дизайна из представленных программой, настало время их доработать.

Используя то же программное обеспечение, дизайнер вручную улучшает выбранные варианты. Окончательный дизайн должен соответствовать всем заданным критериям, после чего мы можем получить одобрение клиента и завершить процесс разработки.

Хотя генеративное проектирование все еще не так распространено, как должно быть, многие популярные программы САПР уже добавили эту удивительную функцию.

Итеративные конструкции обычно довольно сложны. Тем не менее, на этапе проектирования можно выбрать предпочтительный метод производства, и программное обеспечение учтет это при генерировании возможностей.

Как правило, итеративные проекты довольно сложны.

Так что давайте рассмотрим различные методы, доступные для создания этих деталей, которые часто поставляются с множеством вырезов для оптимизации веса.

Литье - это один из способов создания довольно сложных форм в виде одной детали без сварки. Так что в данном случае оно вполне подходит.

Само литье может быть, например, 3D-печатью, в зависимости от способа печати и материала детали. Если требования к качеству поверхности высоки, может потребоваться постобработка.

Также этот метод можно использовать в паре с механической обработкой для получения желаемого конечного дизайна.

Аддитивное производство обычно относится к процессам 3D-печати. Эти методы создают деталь слой за слоем, обеспечивая чрезвычайную гибкость при проектировании детали. Это делает этот процесс наиболее подходящим для изготовления деталей, созданных с помощью генеративного дизайна.

Большинство принтеров способны обрабатывать пластик, но металлические 3D-принтеры встречаются несколько реже. Это также является одной из основных причин, почему генеративный дизайн не набирает популярность так быстро, как утверждалось в некоторых прогнозах.

Некоторые распространенные методы аддитивного производства - это фотополимеризация НДС, экструзия материалов, струйное нанесение связующего, ламинирование листов, сплавление порошка, направленное осаждение энергии и струйное нанесение материала. 

Литье под давлением - отличный способ крупномасштабного производства пластмассовых деталей. Производство осуществляется быстро и достигается высокая степень сходства между деталями.

Для выбора доступен широкий спектр пластиковых и полимерных материалов, а для дальнейшего повышения прочности можно использовать наполнители.

Отделка имеет высокий уровень точности, что означает отсутствие необходимости в последующей обработке.

Точная обработка с ЧПУ позволяет создавать очень сложные детали. Возможности 5-осевой обработки отличаются гибкостью и способностью крутить и поворачивать инструмент в соответствии с кодовыми инструкциями.

Как фрезерная, так и токарная обработка позволяет создавать высокоточные детали и соблюдать точные требования к чистоте поверхности. Допуски для обработки на станках с ЧПУ известны своей жесткостью, даже если рассматривать общие допуски, изложенные в стандарте ISO 2768.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Почему каждый инженер должен использовать САПР ?»‎ и «‎Фрезерование на станках с ЧПУ – Подробно про процесс, станки и операции»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!