Генеративное проектирование.
Итак, что такое генеративный дизайн?
Генеративный дизайн или генеративное проектирование — это итеративный метод проектирования новых продуктов с использованием функций программного обеспечения САПР. Эти функции автоматически создают большое количество возможных вариантов дизайна, на основе определенных входных данных. Входные данные формируют ограничения и требования, в рамках которых должен работать проект.
Эти проекты не изобретены ИИ. На самом деле это проекты сделанные человеком, которые совершенствуются с использованием искусственного интеллекта и машинного обучения.
Например, если нам нужно создать возможный дизайн обеденного стола, нам нужно предоставить такие данные, как длина, ширина и высота, которые мы ожидаем, а также нагрузку, которую он должен выдерживать.
Программа генеративного дизайна создаст для нас большое количество итераций, которые мы можем дополнительно настроить в соответствии с нашими предпочтениями. Каждая итерация может содержать сотни проектов.
Процесс проектирования с использованием генеративного дизайна
Генеративный дизайн постепенно изменяет отрасль конструирования. Он помогает конструктору генерировать тысячи возможных решений, на выполнение которых вручную ушли бы месяцы.
Есть шесть общих шагов, которые необходимо выполнить, когда дело доходит до создания идеального дизайна с использованием различного программного обеспечения для генеративного дизайна, доступного сегодня на рынке. Djn jyb:
Шаг 1: Определение проблемы
На этом этапе в общих чертах определяется проект и формулируются цели. Четкое представление об атрибутах конечного продукта устанавливается между дизайнером и клиентом, задавая такие вопросы:
- Что мы проектируем?
- Что должно/не должно присутствовать в окончательном дизайне?
- Каковы расчетные параметры и их диапазон?
- Какие условия будут определять, является ли проект успешным или неудачным?
Анкета по проблеме проектирования должна быть исчерпывающей, а ответы — максимально точными, чтобы создать наиболее подходящий дизайн. Этот шаг чрезвычайно важен для процесса генеративного проектирования, поскольку программа не будет учитывать цели, которые мы не описываем при создании моделей.
Шаг 2: Сбор и ввод данных
После того, как мы установили определение проблемы, пришло время перейти к сбору данных, необходимых программе для создания нашей модели. Эти данные собираются как минимум в 2 основных этапа.
На первом этапе мы собираем данные, необходимые для создания модели, а на втором этапе мы определяем параметры, которые будут использоваться для оценки нашей модели.
Когда дело доходит до 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 оценки помогает программе оптимизировать наши решения. Недостаточно определенные данные дадут нам много нерелевантных решений, помимо релевантных.
Шаг 3: Генерация модели
После ввода данных мы переходим к этапу создания модели. При выполнении программа будет генерировать возможные решения, которые соответствуют нашим определенным требованиям и ограничениям.
Сгенерированные модели разделены на разные группы, называемые итерациями. Каждая итерация может содержать сотни вариантов дизайна.
Шаг 4: Оценка модели
Когда у нас есть готовая модель, созданные итерации проверяются на соответствие изначально определенным параметрам оценки. Сгенерированные проекты также ранжируются в зависимости от того, насколько они соответствуют нашим требованиям.
Например, если мы определили продукт как таблицу, которая имеет максимальную площадь поверхности с наименьшим количеством материала, решение с максимальной площадью поверхности будет иметь более высокий рейтинг по сравнению с решениями с меньшей площадью поверхности. Этот рейтинг помогает нам фильтровать сотни сгенерированных дизайнов на основе того, что для нас важнее из определенных параметров.
Мы могли бы, например, выбрать стоимость в качестве нашего основного фильтра, и программа упорядочила бы итерации в зависимости от того, сколько созданный продукт будет стоить, в порядке возрастания/убывания.
Поэтому рекомендуется вначале добавить как можно больше параметров оценки. Это может показаться нелогичным, поскольку это может ограничить количество сгенерированных решений, но сгенерированные проекты будут намного ближе к нашим реальным ожиданиям, и из них будет легче выбрать оптимальный.
Шаг 5: Эволюция модели
На этапе эволюции модели мы сужаем наши сгенерированные варианты дизайна, чтобы отфильтровать неидеальные решения.
Программное обеспечение сортирует итерации, чтобы выбрать наиболее подходящие и основывать на них новые проекты. Показатели поиска, возможно, придется настроить, чтобы найти лучший дизайн для наших нужд.
Шаг 6: Выбор модели и дальнейшее уточнение
После того, как мы выбрали несколько дизайнов, наиболее подходящих для нас, из вариантов дизайна, представленных программным обеспечением, пришло время их дальнейшей доработки.
Используя то же программное обеспечение, дизайнер вручную улучшает лучшие варианты. Окончательный дизайн должен соответствовать всем заранее определенным критериям, после чего мы можем получить одобрение клиента для завершения процесса проектирования.
Подходящие методы производства
Хотя генеративное проектирование все еще не так распространено, многие популярные программы САПР уже добавили эту замечательную функцию.
Итеративные проекты обычно довольно сложны. Тем не менее, на этапе проектирования можно выбрать предпочтительный метод производства, поэтому программное обеспечение учтет это при создании возможностей.
Итак, давайте рассмотрим различные методы, доступные для создания деталей, которые часто имеют множество вырезов для оптимизации веса.
Литье
Литье — это один из способов создания довольно сложных форм как единой детали без какой-либо сварки. Так что здесь это вполне подходит.
Сам слепок можно, например, распечатать на 3D-принтере в зависимости от печати и материала детали. Отлитая деталь может нуждаться в некоторой последующей обработке, если требования к качеству поверхности высоки.
Кроме того, этот метод можно сочетать с механической обработкой для получения желаемого окончательного дизайна.
3D печать
Аддитивное производство обычно относится к процессам 3D-печати. Эти методы создают деталь слой за слоем, обеспечивая исключительную гибкость при проектировании детали. Это делает процесс выбора для производства деталей, созданных с помощью генеративного проектирования, наиболее подходящим.
Большинство принтеров способны обрабатывать пластик, но новые 3D-принтеры используют металл и другие материалы.
Некоторыми распространенными методами аддитивного производства являются фотополимеризация, экструзия материала, распыление связующего, ламинирование листов, сплавление порошка, направленное осаждение энергии и распыление материала.
Литье под давлением
Литье под давлением — отличный способ для крупносерийного производства пластиковых деталей. Производство выполняется быстро и достигается высокая степень унификации деталей.
На выбор доступно большое разнообразие пластиковых и полимерных материалов, а для дальнейшего повышения прочности можно использовать наполнители.
Финишная обработка имеет высокий уровень точности, что означает отсутствие необходимости в постобработке.
ЧПУ обработка
Прецизионная обработка с ЧПУ позволяет создавать очень сложные детали. Возможности 5-осевой обработки являются гибкими в соответствии с инструкциями кода.
Как фрезерование, так и токарная обработка позволяют создавать высокоточные детали с точным соблюдением требований к чистоте поверхности. Допуски для станков с ЧПУ очень жесткие, даже если смотреть на общие допуски, изложенные в стандарте ISO 2768 .
Программное обеспечение для генеративного дизайна
Генеративный дизайн — это не специальная программа САПР, а дополнение к нему. Популярное программное обеспечение САПР может включать эту функцию, чтобы удовлетворить потребности конструкторов.
Вот некоторые из наиболее распространенных программ генеративного дизайна:
Fusion 360 (Автодеск)
Эта программа является отличным вариантом для проектов технического дизайна. Её отличительными качествами являются отличные сборочные характеристики и параметрический дизайн.
Функцию генеративного проектирования Autodesk можно сочетать со всеми вышеупомянутыми методами производства.
Siemens NX
Программное обеспечение Siemens NX — это инструмент мирового класса, который включает в себя функции генеративного проектирования. Несмотря на большое количество функций, программу можно освоить за короткое время.
Это хорошо интегрированное программное обеспечение для управления жизненным циклом продукта, способное управлять проектированием и создавать стандартные рабочие процессы. Стоимость программы довольно высока, что ограничивает использование этого программного обеспечения только на уровне предприятия.
Creo PTC
Архитектура генеративного проектирования Creo от PTC предлагает инновационные решения с использованием как традиционных, так и аддитивных методов производства. Генеративный дизайн полностью интегрирован в Creo, поэтому нет разрозненных процессов и необходимости воссоздавать данные.
Creo — это простая в использовании интерактивная программа с параметрическим управлением. Creo также использует возможности облака для одновременного изучения десятков или даже сотен сценариев материалов и производства с выделенными для пользователя основными вариантами.
Преимущества генеративного проектирования
Экономия времени
Одним из наиболее важных преимуществ, к которым стремится компания, рассматривая внедрение новой технологии, является экономия времени. Количество сэкономленного времени напрямую приводит к увеличению прибыли, поскольку конструкторы/инженеры могут быть освобождены для выполнения других задач.
Использование генеративного дизайна экономит как минимум 20%, когда речь идет о продолжительности проекта. Это сокращает время выхода новых продуктов на рынок.
Дополнительные творческие возможности
Известно, что у дизайнеров отличное воображение, но они склонны к предубеждениям. То, как они работали в прошлом, влияет на их будущие решения, когда дело доходит до моделирования.
Генеративный дизайн знакомит их с новыми формами и размерами, которые они не смогли бы придумать сами. Эти формы и размеры, как правило, более эффективны для выполнения предполагаемой задачи продукта, поскольку принятие решений основано исключительно на входных данных.
Консолидация деталей
Важным преимуществом этой технологии является возможность консолидации деталей. Программа генеративного проектирования может создавать сложные детали, которые могут легко заменить несколько отдельных деталей.
Благодаря аддитивным производственным процессам эти детали со сложной геометрией могут быть легко изготовлены. Это в конечном итоге уменьшает количество деталей в сборке.
Это также упрощает цепочку поставок и техническое обслуживание при одновременном снижении себестоимости продукции.
Уменьшения веса
Вес деталей может быть особенно важен в автомобильной и аэрокосмической промышленности, поскольку общая масса конструкции оказывает значительное влияние, например, на управляемость транспортного средства и расход топлива.
Генеративный дизайн может быть использован для уменьшения веса в местах, которыми раньше пренебрегали, для достижения инновационного облегчения . Это важная причина, по которой генеративный дизайн активно применяется в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Сокращает перерасход средств и потери
Хотя традиционные методы, такие как оптимизация топологии , также могут сократить расход ресурсов и уменьшить потери, они дают нам только одно решение.
Генеративный дизайн, с другой стороны, предоставляет нам длинный список возможных моделей, каждая из которых будет соответствовать указанному бюджета с минимальными потерями.
Устранение слабых мест конструкции
По сравнению с традиционными методами, в модели с генеративным проектирвоанием легче обнаружить сильно нагруженные или сравнительно слабые участки.
Функции машинного обучения позволяют программному обеспечению учиться на собственном опыте, при этом качество проектирования со временем улучшается.
Недостатки генеративного дизайна
Раннее развитие
В то время как концепция автоматизированного проектирования превосходна, технология, доступная сегодня, все еще примитивна. Необходимо написать лучшие алгоритмы, которые можно использовать без особого ручного вмешательства.
Одгнако, технология со временем постоянно совершенствуется, а новые обновления постоянно добавляют новые функции и возможности.
Высококвалифицированный труд
Эта технология проектирования позволяет создавать отличные модели для простых объектов, но по мере того, как мы переходим к более сложным деталям, для экономии времени и усилий от конструторов требуются обширные знания программного обеспечения.
Инженер должен уметь использовать машинное обучение и искусственный интеллект, иначе созданные модели могут оказаться не такими хорошими, как могли бы быть. Это означает, что для проектирования и выпуска продуктов за короткий промежуток времени необходимо больше знаний и опыта.
Слишком много вариантов
Хотя это может показаться нелогичным, иметь широкий выбор вариантов не всегда желательно. Необоснованно большое количество вариантов может легко перегрузить конструктора , и в некоторых случаях в реальности потребуется больше времени, чем создание проекта вручную с нуля.
Эта проблема, однако, со временем становится менее актуальной , поскольку программа учится сортировать варианты, используя ранее полученные данные об окончательном выборе решения.
Страх за работу человека
Сообщество конструкторов и архитекторов обеспокоено тем, что эта технология сократит количество работы для архитекторов и дизайнеров.
Хотя это опасение не совсем беспочвенно, сторонники этой технологии считают, что дизайнерам нужно только расширить свой набор навыков, чтобы внедрить эту технологию. Они также твердо убеждены, что технология будет лишь инструментом в наборе инструментов дизайнера и не повлияет на рынок труда.
Высокие первоначальные затраты
Возможности генеративного проектирования могут быть добавлены к существующим программам САПР, которые в настоящее время использует компания. Несмотря на это очевидное преимущество, технология по-прежнему является дорогостоящей при использовании в коммерческих целях.
Эти программы зависят от того, сколько проектировщиков будет работать над системой одновременно, и, таким образом, для крупных организаций первоначальные инвестиции могут быть довольно большими и серьезным сдерживающим фактором для ее внедрения.
Заключение
Технология генеративного проектирования— это соединение невероятной силы искусственного интеллекта, машинного обучения и конструкторского таланта. С появлением высокой вычислительной мощности и расширенных возможностей сценариев эта технология превосходит свои первоначальные ограничения, чтобы предоставить нам удивительные проекты.
Сгенерированные продукты способны следовать всем заданным требованиям и ограничениям, чтобы предоставить нам действительно инновационные модели САПР, идеально подходящие для наших нужд.
Развитие и распространение генеративного дизайна должно идти рука об руку с доступностью аддитивного производства. Хотя реальный потенциал будет раскрыт в будущем, мы уже видим первые шаги в правильном направлении.