Inhouse-Prototyping: Generatives Design, CNC-Fräsen und Labor-Setup meistern

Wenn Sie damit beauftragt sind, Prototyping ins Haus zu holen oder Ihr eigenes Prototyping-Labor aufzubauen, finden Sie möglicherweise eine überwältigende Fülle an Informationen vor.

Von Fähigkeiten über Kosten, Platzbedarf bis hin zu Bedenken bezüglich Lärm, Vibration, Abfall und Energieeffizienz – die Fähigkeit, die spezifischen Bedürfnisse Ihres Betriebs zu isolieren und darauf zu reagieren, kann kompliziert sein.

Dies gilt besonders, da sich die Fertigung weiterentwickelt und neue Prozesse wie generatives Design in den Mittelpunkt rücken, die noch mehr Komplexität mit sich bringen.

Modern Machine Shop berichtete kürzlich, dass…

Lassen Sie uns mehr über diese hochmodernen Entwicklungen erfahren und wie generatives Design in perfekter Harmonie mit CNC-Fräsen in Ihrem Prototyping-Labor funktionieren kann.

Die Genesis des generativen Designs

Generatives Design revolutioniert die Fertigung sowohl praktisch als auch philosophisch – mit einer Perspektive, die in der Wertschätzung der natürlichen Welt und der Evolution wurzelt.

„Evolution hat über Milliarden von Jahren die Tier- und Pflanzenarten perfektioniert, die den Planeten bevölkern, und weniger optimale Designs verworfen zugunsten jener, die überleben und gedeihen können“, schreibt Rani Richardson für Industry Week.

Auf der Suche nach einem ähnlich perfektionierten Prozess fragt Richardson: „Was wäre, wenn evolutionäres Design mit wissenschaftsbasierten Methoden nachgeahmt werden könnte? Und was, wenn dieser Prozess auf Minuten und Sekunden beschleunigt werden könnte statt Jahre oder Äonen?“

Hier kommt generatives Design ins Spiel, „das maschinelles Lernen nutzt, um den evolutionären Ansatz zu umgehen und direkt zur optimalen Form zu gelangen.“

Durch Innovation des Prozesses vom Prototyp zur Produktion:

Diese neue Philosophie gewinnt an Zugkraft dank Künstlicher Intelligenz und eines neu gedachten Designprozesses. Im Kern ist der Designprozess „typischerweise eine Serie reduktiver Verfeinerungen, die das Design-Briefing im weiteren Umfang betrachten und es eingrenzen, bis die bestmögliche Lösung gefunden ist.“

Die Integration von KI in generatives Design hat verändert, wie Prototyping erreicht werden kann – und ermöglicht vielfältigere Ergebnisse als je zuvor.

Laut Industry Week:

Angesichts dieses unbestreitbaren Schwungs: Wo passt generatives Design in Ihr Fertigungsmodell?

Was bedeutet generatives Design für Hersteller?

Die moderne Fertigung wird ständig durch Konsumentennachfrage nach besseren Produkten herausgefordert, die schneller denn je auf den Markt kommen müssen. Dieser Bedarf an Geschwindigkeit, kombiniert mit dem unermüdlichen Streben nach immer besseren Produkten, kann den Fertigungsprozess belasten.

Hier kommt der KI-Vorteil im generativen Design ins Spiel: „Aber wie bei vielen modernen Anwendungen künstlicher Intelligenz ist die Grundidee diese: Wenn Sie genügend Rechenleistung bündeln, ist Ihr Netzwerk in der Lage, viele Iterationen sehr komplexer Aufgaben sehr schnell abzuschließen.“

Um wettbewerbsfähig zu bleiben und die Bilanz zu schützen, setzen immer mehr Hersteller zunehmend auf generatives Design als Schlüsselstrategie, die „Ingenieuren und Designern gleichermaßen erlaubt, Designprobleme innovativer und effizienter anzugehen. Letztlich verkürzt dies den Design- und Prototyping-Prozess und beschleunigt die Markteinführung innovativer Produkte.“

Was generiert generatives Design tatsächlich?

Eine bessere Frage könnte lauten: Was generiert es nicht?

Generatives Design hat vielversprechende Implikationen für diverse Branchen wie Luftfahrt, Automobil und Verteidigung.

Während die Fertigungsindustrie weitere Anwendungen für diesen erweiterten Designansatz projiziert, „gibt es zahlreiche Beispiele, wo diese Tools bereits heute eingesetzt werden – von Haushaltsgegenständen wie Stühlen bis zum Industriedesign von Fahrzeugchassis und Flugzeugtrennwänden.“

Für Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie „hilft generatives Design Ingenieuren, Ziele wie Minimierung des Teilegewichts, Maximierung der Steifigkeit, Kostensenkung und Optimierung der Materialnutzung zu erreichen. Der Einsatz kann das Teilegewicht von bis zu 30 % bei traditioneller Fertigung auf 70 % bei additiver Fertigung reduzieren.“

Aus Sicht der Konsumgüter sehen wir bereits eine Reihe bekannter Produkte, die durch generatives Design auf den Markt gekommen sind. Gute Nachrichten, wenn Ihr Prototyping-Labor Kunden bedient, die solche Produkte herstellen.

Welche Konsumprodukte konkret?

„Nun, die mit generativem Design erstellten Konsumprodukte erreichen bereits unsere Regale in Form von Adidas-Sneakern und Vitamix-Mixer-Düsen, und wir sollten weitere Produkte in Form von Sportartikeln, Handyhüllen und Haushaltsgeräten erwarten.“

Doch das ist wirklich nur die Spitze des Eisbergs: „Es gibt praktisch keine Grenzen für das, was generatives Design erschaffen kann. Mit seiner Basis in den Designs der Natur ist generatives Design fast eine Darstellung des Designs, das sich im Kreis schließt.“

Was verspricht generatives Design für Inhouse-Prototyping?

Generatives Design bietet mehr Möglichkeiten für Prototyping als traditionelle Prozesse je konnten. Zunächst gibt es Ihnen die Macht, sowohl Quantität als auch Qualität der Prototypen zu erhöhen – basierend auf Designspezifikationen und Produktanforderungen.

Das Potenzial für bessere Prototypen

Statt auf eine einzelne Lösung oder einen Prototyp zu setzen, können Hersteller nun von größerer Designpräzision für stärkere Kundenlösungen profitieren:

Generatives Design erstellt Tausende möglicher Lösungen für ein Produkt – basierend auf Kriterien und Zielen, die der Designer setzt – und produziert Geometrien und Formen, die einen Menschen normalerweise Tage, wenn nicht Monate, manuell entwickeln würde… Dieser Prozess stellt sicher, dass der Designer oder Ingenieur das eine Design wählt, das die wichtigsten Ziele seines spezifischen Designs erfüllt.

Bei strategischen, wissenschaftlich fundierten Lösungen bietet generatives Design überzeugendere Optionen, und „diese Optionen beinhalten oft unkonventionelle Geometrien, die ein menschlicher Designer wahrscheinlich nie entwickeln würde – Geometrien, die besser performen als ihre konventionellen Pendants.“

Aus operativer Sicht: bessere Prototypen plus bessere Performance gleich bessere Produkte. Für einen Designer ist generatives Design die Integration von KI in ihren Werkzeugkasten – ermöglicht neue Methoden, die kniffligsten Design-Dilemmata zu lösen, und vor allem, ein Produkt schneller auf den Markt zu bringen.

Der menschliche Faktor trifft auf generatives Design

Natürlich wird praktisch jede Erwähnung von KI in Fertigung oder anderen Branchen automatisch mit der Sorge konfrontiert, Roboter würden Menschen ersetzen und Prozesse wie generatives Design würden bald die Notwendigkeit menschlicher Arbeitskräfte eliminieren.

Zugegeben, generatives Design wird die Fertigungslandschaft in den nächsten zehn Jahren transformieren.

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

Beachten Sie den kritischen Bestandteil dieses Satzes: menschliche Ingenieure.

Tatsächlich: „Eines möchte Heventhal über generatives Design betonen – es ist nicht dazu gedacht, menschliche Arbeiter zu ersetzen. Vielmehr sagt er, KI sei ein wertvoller Mechanismus, um die Fähigkeiten von Ingenieuren und Designern um Größenordnungen zu erweitern, neue Designs zu testen und 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 Jobs nicht ersetzen, es wird Jobs erweitern.“

Aus Sicht der menschlichen Evolution ist dies wie die Entwicklung vom frühen zum modernen Menschen und der Nutzung rudimentärer bis fortgeschrittener Werkzeuge. Generatives Design ist nur das neueste Kapitel der Menschheit, die Technologie nutzt:

„Design Thinking verschwindet nicht, es entwickelt sich weiter, um moderne Werkzeuge zu nutzen. So wie ein Schreiner einen Akkuschrauber statt eines Handbohrers nutzt, werden die Produktdesigner und Ingenieure von morgen nach und nach manuelle Prozesse aufgeben.“

Komplexität mit Fertigbarkeit in Einklang bringen

Eine Sorge bei generativ designten Teilen ist ihre Fertigungskomplexität. Es ist nicht ungewöhnlich, sie als „außerirdisch“, „organisch“ oder „bizarr“ zu beschreiben.

Glücklicherweise steht die Ästhetik weit hinter der Funktionalität zurück; dennoch führt sie zu Komplikationen im Fertigungsprozess – mit vielfachen skulpturalen Oberflächen kann die Erstellung eines generativ designten Teils langwierig und ineffizient sein.

Erfreulicherweise fiel die Geburt des generativen Designs gut mit Fortschritten in Fertigungsprozessen zusammen. Besonders Fortschritte in der additiven Fertigung im letzten Jahrzehnt haben die Fähigkeiten von 3D-Druckern beschleunigt und gleichzeitig deren Kosten gesenkt. Doch es gibt Limits – besonders wenn hohe Präzision gefordert ist. Während dies im additiven Bereich weiter verbessert wird, ist es für viele Prototyping-Labore aufgrund hoher Anschaffungs- und Wartungskosten derzeit unerreichbar.

In der subtraktiven Fertigung ist 5-Achs-CNC-Bearbeitung weiter verbreitet, mit mehr Marken, die fähige Geräte anbieten, und mehr Software als je zuvor, um die komplexen Werkzeugbahnen für generativ designte Teile zu erstellen.

Doch wie bei allem gibt es Nachteile.

Aufgrund ihrer anspruchsvollen Steuerungen erfordern 5-Achs-Maschinen ein höheres Qualifikationsniveau vom Bediener und Programmierer. Zum Schutz der Investition in eine 5-Achs-Fräse wird oft eine zweite Software zur Simulation der Werkzeugbahn und Kollisionsprüfung empfohlen.

Hinzu kommt: 5-Achs-Maschinen können sehr teuer werden. Das liegt an ihrem Design – wann immer eine Achse hinzukommt, wird Arbeitsraum geopfert – folglich können sogar 5-Achs-Maschinen mit kleinen Arbeitsräumen sehr groß sein. Die Situation ist nicht ideal, wenn ein großes generativ designetes Teil gefräst werden soll – es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die nötige Maschine vor Werkzeugkosten in den 7-stelligen Bereich gehen kann. Selbst die Werkzeuge sind spezialisiert, um tiefe, elaborate Merkmale zu erreichen.

Zwar kann genug Geld diese Probleme lösen, aber die meisten Prototyping-Labore möchten Teile mit den Werkzeugen fertigen, die sie haben – und die meisten haben 3-Achs-Fräsen, keine 5-Achser. Glücklicherweise hat das Team von Autodesk, Hersteller von Fusion 360, dieses Dilemma erkannt.

Mit Fertigungsrestriktionen können Nutzer genau definieren, wie sie ihr Endprodukt fertigen – sei es 3D-Druck oder die exakte CNC-Bearbeitungsmethode, die sie vor Ort haben (2,5-, 3-, 4- oder 5-Achs-CNC-Fräsen). Indem man diese Daten zu Beginn einführt, können die Algorithmen Formen erzeugen, die fehlerfrei mit der Maschinenkonfiguration funktionieren. Mit dieser Fähigkeit hat Autodesk einen Weg gefunden, generatives Design für die breitestmögliche Zielgruppe zugänglich und praktisch zu machen.

Seien Sie Teil der Evolution

Letztlich ist generatives Design eine spannende Entwicklung für Hersteller, diverse Branchen und Konsumenten, da: „KI- und generative Design-Tools mit ihrer Kapazität, Innovation und Effizienz voranzutreiben, werden ihre Adoption katapultartig über Branchen hinweg sehen. Sie werden die neuen Kollaborateure im Designprozess, die die Rollen von Designer und Ingenieur erweitern und Produkte schaffen, wie wir sie noch nie gesehen haben.“