Generatives Design, Prototyping und CNC-Fräsen

Wenn Sie die Aufgabe haben, das Prototyping ins Haus zu bringen oder Ihr eigenes Prototyping-Labor aufzubauen, stellen Sie möglicherweise fest, dass es eine überwältigende Fülle von Informationen zu evaluieren gibt.

Von den Möglichkeiten bis hin zu Kosten, Platzbedarf und Bedenken hinsichtlich Lärm, Vibrationen, Verschwendung und Energieeffizienz kann die Fähigkeit, die spezifischen Anforderungen Ihres Betriebs zu isolieren und darauf zu reagieren, kompliziert sein.

Dies gilt insbesondere, da sich die Fertigung weiterentwickelt und neue Prozesse wie generatives Design in den Mittelpunkt rücken und noch mehr Komplexität zu berücksichtigen sind.

Das hat Modern Machine Shop kürzlich berichtet,

Lassen Sie uns mehr über diese hochmodernen Entwicklungen und darüber erfahren, wie generatives Design in Ihrem Prototypenlabor perfekt mit dem CNC-Fräsen harmonieren kann.

Die Entstehung des generativen Designs

Generatives Design revolutioniert die Art und Weise, wie die Fertigung bisher durchgeführt wurde, sowohl aus praktischer als auch aus philosophischer Sicht – mit einer Perspektive, die in der Wertschätzung der natürlichen Welt und insbesondere der Evolution verwurzelt ist.

„Die Evolution hat über Milliarden von Jahren die Tier- und Pflanzenarten perfektioniert, die den Planeten bevölkern, und suboptimale Designs zugunsten überlebensfähiger und gedeihender verworfen“, schreibt Rani Richardson für Industry Week.

Im Streben nach einem ähnlich perfektionierten Prozess fragt Richardson:„Was wäre, wenn evolutionäres Design mit wissenschaftlich fundierten Methoden nachgeahmt werden könnte? Und was wäre, wenn dieser Prozess beschleunigt werden könnte und in Minuten und Sekunden statt in Jahren oder Äonen abgeschlossen wäre?“

Geben Sie generatives Design ein, „das maschinelles Lernen verwendet, um den evolutionären Ansatz zu umgehen und direkt auf die optimale Form zuzuschneiden.“

Durch die Innovation des Prozesses, Prototypen in die Produktion zu bringen:

Diese neue Philosophie gewinnt dank künstlicher Intelligenz und einem neu konzipierten Designprozess an Bedeutung. Im Kern ist der Designprozess „typischerweise eine Reihe von reduktiven Verfeinerungen, bei denen die Designvorgaben in einem größeren Umfang betrachtet und eingegrenzt werden, bis die bestmögliche Lösung gefunden ist.“

Die Integration der künstlichen Intelligenz in das generative Design hat die Art und Weise, wie Prototypen erstellt werden können, verändert – was vielfältigere Ergebnisse ermöglicht, als jemals zuvor realisiert werden konnten.

Laut Industry Week:

Wie passt generatives Design unter Berücksichtigung dieser unbestreitbaren Dynamik in Ihr Fertigungsmodell?

Was bedeutet generatives Design für Hersteller?

Die moderne Fertigung wird ständig durch die Verbrauchernachfrage nach besseren Produkten herausgefordert, die schneller als je zuvor auf den Markt gebracht werden können. Dieses Bedürfnis nach Geschwindigkeit, kombiniert mit dem unermüdlichen Streben nach immer besseren Produkten, kann sich als belastend für den Herstellungsprozess erweisen.

Geben Sie den Vorteil der künstlichen Intelligenz an, der dem generativen Design innewohnt:„Aber wie bei vielen modernen Anwendungen der künstlichen Intelligenz lautet der Grundgedanke:Wenn Sie genügend Rechenleistung bündeln, ist Ihr Netzwerk in der Lage, viele Iterationen sehr komplexer Aufgaben sehr schnell zu erledigen. ”

Um wettbewerbsfähig zu bleiben und ihr Geschäftsergebnis zu schützen, verlassen sich immer mehr Hersteller zunehmend auf generatives Design als Schlüsselstrategie, die es „Ingenieuren und Designern gleichermaßen ermöglicht, Designprobleme auf innovativere und effizientere Weise anzugehen. Letztendlich verkürzt dies den Design- und Prototyping-Prozess und beschleunigt die Zeit, die es braucht, bis innovative Produkte auf den Markt kommen.“

Was generiert generatives Design eigentlich?

Eine bessere Frage wäre vielleicht, was wird nicht generiert?

Generatives Design hat ermutigende Auswirkungen auf eine Vielzahl von Branchen, darunter Luftfahrt, Automobil und Verteidigung.

Während die Fertigungsindustrie zusätzliche Anwendungen für dieses verbesserte Designdenken prognostiziert, „gibt es zahlreiche Beispiele dafür, wo diese Werkzeuge bereits heute verwendet werden, von Haushaltsgegenständen wie Stühlen bis hin zum industriellen Design von Autochassis und Flugzeugtrennwänden.“

Für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie „hilft generatives Design Ingenieuren, Ziele wie die Minimierung des Teilegewichts, die Maximierung der Steifigkeit, die Reduzierung der Kosten und die Optimierung des Materialeinsatzes zu erreichen. Der Einsatz von generativem Design kann das Teilegewicht von bis zu 30 % bei der herkömmlichen Fertigung auf 70 % bei der additiven Fertigung reduzieren.“

Aus Konsumgütersicht sehen wir bereits eine Reihe von Produkten mit hohem Wiedererkennungswert, die durch generatives Design auf dem Markt erhältlich sind. Gute Nachrichten, wenn Ihr Prototyping-Labor Kunden bedient, die diese Produkte herstellen.

Welche Arten von Konsumgütern speziell?

„Nun, die mit generativem Design erstellten Verbraucherprodukte landen bereits in Form von Adidas-Turnschuhen und Vitamix-Mixerdüsen in unseren Regalen, und wir sollten damit rechnen, dass weitere Produkte in Form von Sportartikeln, Handyhüllen und Haushaltsgeräten folgen werden.“

Aber das ist eigentlich nur die Spitze des Eisbergs:„Dem generativen Design sind praktisch keine Grenzen gesetzt. Mit seiner Grundlage in den Designs der Natur ist generatives Design fast eine Repräsentation von Design, das den Kreis schließt.“

Was verspricht generatives Design für das interne Prototyping?

Generatives Design bietet mehr Möglichkeiten für das Prototyping, als traditionelle Verfahren jemals bieten konnten. Zunächst einmal gibt Ihnen generatives Design die Möglichkeit, sowohl die Quantität als auch die Qualität der von Ihnen produzierten Prototypen zu erhöhen, basierend auf Designspezifikationen und Produktanforderungen.

Das Potential für bessere Prototypen

Anstatt sich auf eine einzelne Lösung oder einen Prototypen zu verlassen, können Hersteller jetzt die Vorteile größerer Designpräzision für stärkere Kundenlösungen nutzen:

Generatives Design schafft Tausende von möglichen Lösungen für ein Produkt – basierend auf Kriterien und Zielen, die vom Designer festgelegt wurden – und erzeugt Geometrien und Formen, für deren manuelle Entwicklung ein Mensch normalerweise Tage, wenn nicht Monate benötigen würde … Dieser Prozess stellt sicher, dass der Designer oder Ingenieur es ist das eine Design auszuwählen, das die wichtigsten Ziele ihres spezifischen Designs erfüllt.

Wenn es um strategische, wissenschaftlich fundierte Lösungen geht, bietet generatives Design überzeugendere Optionen und:„Diese Optionen umfassen oft unkonventionelle Geometrien, auf die ein menschlicher Designer wahrscheinlich nie kommen würde – Geometrien, die eine bessere Leistung erbringen als ihre konventionelleren Gegenstücke.“

Aus betrieblicher Sicht bedeuten bessere Prototypen plus bessere Leistung bessere Produkte. Für einen Designer ist generatives Design die Integration künstlicher Intelligenz in sein Werkzeugset; Dadurch werden neue Methoden ermöglicht, um die schwierigsten Designprobleme zu lösen und, was noch wichtiger ist, die Markteinführung eines Produkts zu beschleunigen.

Der menschliche Faktor trifft auf generatives Design

Natürlich wird praktisch jede Erwähnung von künstlicher Intelligenz in der Fertigung oder anderen Branchen automatisch mit der Sorge beantwortet, dass Roboter Menschen ersetzen und Prozesse wie generatives Design bald den Bedarf an menschlichen Arbeitskräften eliminieren werden.

Zugegeben, generatives Design wird die Fertigungslandschaft im Laufe der nächsten zehn Jahre voraussichtlich verändern.

Laut Bryce Heventhal, Technical Marketing Manager bei Autodesk, Inc,

Beachten Sie die entscheidende Komponente dieses Satzes:menschliche Ingenieure.

Tatsächlich „gibt es eine Sache, die Heventhal über generatives Design betonen möchte – es ist nicht dazu gedacht, menschliche Arbeiter zu ersetzen. Vielmehr sagt er, dass künstliche Intelligenz ein wertvoller Mechanismus ist, um die Fähigkeiten von Ingenieuren und Designern um Größenordnungen zu erweitern, neue Designs zu testen und sie in die von ihnen gebauten Produkte zu integrieren.“

Einfach ausgedrückt:„Sie treffen immer noch die Entscheidungen“, sagt Heventhal. „Wir geben ihnen nur bessere Werkzeuge, um diese Entscheidungen zu treffen. Es wird keine Arbeitsplätze ersetzen, es wird Arbeitsplätze schaffen.“

Aus Sicht der menschlichen Evolution ist dies so, als würde man die Entwicklung vom frühen bis zum modernen Menschen und die Verwendung rudimentärer Werkzeuge und eventuell fortschrittlicher Anwendungen verfolgen. Generatives Design ist nur das neueste Kapitel der Menschheit, die Technologie nutzt:

„Design Thinking verschwindet nicht, es entwickelt sich weiter, um die Vorteile moderner Tools zu nutzen. So wie ein Zimmermann eine Bohrmaschine statt einer Handbohrmaschine verwendet, werden die Produktdesigner und Ingenieure von morgen manuelle Prozesse langsam aufgeben.“

Balance zwischen Komplexität und Herstellbarkeit

Eines der Bedenken, das sich aus generativ gestalteten Teilen ergibt, ist ihre Komplexität in der Herstellung. Es ist nicht ungewöhnlich, Teile des generativen Designs als „außerirdisch“, „organisch“ oder „bizarr“ zu hören.

Glücklicherweise kommt die Ästhetik weit hinter der Funktionalität zurück; Dies führt jedoch zu Komplikationen im Herstellungsprozess – bei einer Vielzahl geformter Oberflächen kann der Prozess zur Erstellung eines generativen Designteils langwierig und ineffizient sein.

Glücklicherweise fiel die Geburt des generativen Designs gut mit den Fortschritten bei den Fertigungsprozessen zusammen. Vor allem die Fortschritte in der additiven Fertigung in den letzten zehn Jahren haben die Fähigkeiten von 3D-Druckern beschleunigt und gleichzeitig ihre Kosten gesenkt. Es gibt jedoch Einschränkungen – vor allem, wenn eine hohe Präzision erforderlich ist. Während sich dies im Bereich der additiven Fertigung weiter verbessert, ist es derzeit für viele Prototypenlabore aufgrund hoher Vorab- und Wartungskosten unerreichbar.

In der Welt der subtraktiven Fertigung hat sich die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung immer weiter verbreitet, wobei eine größere Anzahl von Marken leistungsfähige Geräte und mehr Software als je zuvor anbietet, um die komplexen Werkzeugwege zu erstellen, die für die Erstellung eines generativen Designteils erforderlich sind.

Doch wie bei allem gibt es Nachteile.

5-Achs-Maschinen erfordern aufgrund ihrer anspruchsvollen Steuerung ein höheres Maß an Geschick vom Bediener und Programmierer. Darüber hinaus wird zum Schutz der Investition in eine 5-Achsen-Fräsmaschine häufig ein zweiter Softwaresatz empfohlen, um den Werkzeugweg zu simulieren und auf Kollisionen zu prüfen.

Außerdem können 5-Achs-Maschinen recht teuer werden. Dies liegt in ihrer Konstruktion begründet – immer wenn eine Achse in eine Fräsmaschine eingeführt wird, wird mehr Arbeitsfläche geopfert – folglich können sogar 5-Achs-Maschinen mit kleinem Arbeitsraum ziemlich groß sein. Die Situation ist dann nicht ideal, wenn ein großes generatives Designteil gefräst werden muss – es ist keine Übertreibung zu behaupten, dass die erforderliche Maschine vor Werkzeugkosten einen 7-stelligen Betrag aufwärts kosten kann. Sogar das Werkzeug ist in diesem Fall spezialisiert, um die tiefen, aufwändigen Merkmale im generativen Designteil erreichen zu können.

Obwohl genug Geld diese Probleme lösen kann, würden die meisten Prototypenlabore lieber Teile mit den Werkzeugen herstellen, die sie haben, und die meisten von ihnen haben 3-Achsen-Fräser, nicht 5. Glücklicherweise hat das Team von Autodesk, Hersteller von Fusion 360, darauf geachtet dieses Rätsel.

Mit Fertigungsbeschränkungen können Benutzer genau definieren, wie sie ihr Endprodukt herstellen werden – sei es mit 3D-Druck oder der genauen Methode der CNC-Bearbeitung, die ihnen zur Verfügung steht (2,5-, 3-, 4- oder 5-Achsen-CNC-Fräsen). Durch die Einführung dieser Daten zu Beginn können die Programmalgorithmen Formen erstellen, die mit ihrer Maschinenkonfiguration einwandfrei funktionieren. Mit der Hinzufügung dieser Funktion hat Autodesk einen Weg gefunden, generatives Design für ein möglichst breites Publikum zugänglich und praktikabel zu machen.

Sei ein Teil der Evolution

Letztendlich ist generatives Design eine aufregende Entwicklung für Hersteller, ganz zu schweigen von einer Vielzahl von Branchen und Verbrauchern, denn:„Die Fähigkeit von KI und generativen Design-Tools, Innovation und Effizienz voranzutreiben, wird ihre Einführung in allen Branchen katapultieren. Sie werden die neuen Mitarbeiter im Designprozess, stärken die Rolle des Designers und Ingenieurs und schaffen Produkte, wie wir sie noch nie zuvor gesehen haben.“