Generatives Design und 3D-Druck:Die Fertigung von morgen

Generatives Design ist ein Softwaretool, mit dem Ingenieure und Designer Designprobleme auf innovativere und effizientere Weise angehen können. Generative Designalgorithmen untersuchen alle möglichen Designlösungen, indem sie Ziele und Einschränkungen definieren und Ingenieuren zahlreiche Optionen zur Erkundung bieten .

Generatives Design steckt zwar noch in den Kinderschuhen, hat aber ein beachtliches Potenzial für industrielle Anwendungen gezeigt, insbesondere in Verbindung mit dem 3D-Druck. Zusammen können generatives Design und 3D-Druck mehr Designflexibilität erreichen und gleichzeitig leichtere und stärkere Teile erzeugen.

Heute befassen wir uns mit den Vorteilen und aktuellen Herausforderungen des Einsatzes von generativem Design, insbesondere in Verbindung mit 3D-Druck. Wir werden auch einige der beliebtesten generativen Designsoftwares für den 3D-Druck untersuchen und einen Blick auf die Unternehmen werfen, die generative Designtechnologie nutzen, um Innovationen voranzutreiben.

Was ist generatives Design?

Generatives Design ist eine relativ neue Technologie. Wie bei jeder neuen Technologie mangelt es in der Branche an einem Konsens über ihre Definition. Trotzdem scheint es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten zu geben, generatives Design zu betrachten:entweder als einen weit gefassten Begriff, der die Topologieoptimierung umfasst, oder als eine völlig eigenständige Technologie.

Generatives Design wird allgemein als eine Technologie beschrieben, die leistungsstarke Berechnungen verwendet, um den Designprozess zu unterstützen.

Hier sehen Sie Schritt für Schritt, wie generatives Design funktioniert:

1. Parameter einstellen

Der Konstrukteur spezifiziert und legt die Parameter für die Teilekonstruktion fest, basierend auf Parametern wie Gewicht, Material, Größe, Kosten, Festigkeit und Herstellungsverfahren.

2. Designs generieren

Die generative Designsoftware verwendet Algorithmen, um Tausende von Designoptionen zu untersuchen und zu generieren. In dieser Phase kann die Software auch KI-gestützte Algorithmen verwenden, um jedes Design zu analysieren und die effizientesten Designs zu ermitteln.

3. Wählen Sie die besten Optionen aus
Der Designer kann diese Designs dann untersuchen und die Ergebnisse auswählen, die das Designziel am besten erfüllen.

Um die Geometrie des Designs zu bestimmen, können generative Designalgorithmen eine Reihe verschiedener Ansätze verwenden, wie z B. Topologieoptimierung, Biomimikry und Morphogenese.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Ansätzen besteht darin, dass Algorithmen zur Topologieoptimierung typischerweise mit einem bereits bestehenden Design beginnen und das Material daraus entfernen, um das Gewicht des Teils zu reduzieren.

Biomimicry und Morphogenese hingegen ahmen den evolutionären Ansatz der Natur beim Design nach, wie das Wachstum von Wurzeln und Ästen bei Bäumen oder die Evolution von Knochenstrukturen, um daraus Designoptionen zu generieren.

Die Vorteile des generativen Designs

Bei Verwendung mit 3D-Druck können die Vorteile noch erweitert werden, um geringere Herstellungskosten und eine höhere Produktivität einzuschließen. Wir haben 3 Hauptvorteile identifiziert:

1. Innovative Gestaltungsmöglichkeiten

Generative Design-Software kann Geometrien erzeugen, die über das menschliche Vorstellungsvermögen hinausgehen, wodurch die menschlichen Fähigkeiten im Produktdesign verbessert werden.

2. Leichtbau

Generative Konstruktionswerkzeuge geben Ingenieuren die Ressourcen, um leichte Teile mit minimalem Materialeinsatz zu erstellen und gleichzeitig die technischen Anforderungen einzuhalten.

3. Teilkonsolidierung

Generatives Design kann Lösungen bieten, um Unterbaugruppen zu einem einzigen Teil zu konsolidieren. Die Konsolidierung von Teilen vereinfacht den Montageprozess, die Wartung und kann die Gesamtherstellungskosten senken.

Warum eignet sich generatives Design perfekt für den 3D-Druck?

Generative Designsoftware hilft bei der Konzeption von Teilen mit komplexen, organischen Formen. Der 3D-Druck hingegen ist vielleicht die ideale Technologie, um diese Formen zum Leben zu erwecken, da er nicht nur in der Lage ist, komplexe Geometrien zu erzeugen, sondern auch kostengünstig. Bei der traditionellen Herstellung kann die Herstellung dieser Formen aufgrund der hohen Kosten oder der Einschränkungen der Technologie oft unpraktisch, wenn nicht sogar unmöglich sein.

Es wäre jedoch irreführend zu behaupten, dass generatives Design beschränkt ist auf nur die additive Fertigung, obwohl die Technologie in vielen Fällen die optimale Produktionsmethode sein wird. Mit einigen Softwarepaketen für generatives Design können Sie zusätzlich zu AM auch Fertigungsmethoden wie CNC-Bearbeitung, Gießen oder Spritzgießen festlegen.

Die Herausforderungen des generativen Designs

Generatives Design befindet sich derzeit in einem frühen Entwicklungsstadium, was bedeutet, dass frühe Benutzer auf bestimmte Herausforderungen stoßen können.

#1:Lernkurve

Beispielsweise erfordert die genaue Definition eines Entwurfsproblems in berechenbarer Form, das eine generative Entwurfssoftware lösen muss, eine steile Lernkurve. Ingenieure, die keine Erfahrung darin haben, das Konstruktionsproblem als Parametersatz auszudrücken, können am Ende mit lose definierten strukturellen Beschränkungen oder Lasten enden, was letztendlich zu einem fehlgeschlagenen Entwurf führt.

#2:Lücke zwischen Design und Herstellung

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt beim generativen Design ist, dass effiziente Designs nicht immer effizient hergestellt werden können. In einer Fallstudie von Renishaw haben Ingenieure beispielsweise einen Aufhängungs-Umlenkhebel topologisch optimiert. Sie berücksichtigten jedoch nicht die Herstellbarkeit des optimierten Teils. Dies führte zu einem Design, bei dem viele Stützen gedruckt werden mussten, während es eine gute Praxis ist, Teile mit so wenig Stützen wie möglich zu entwerfen.

#3:Herausfordernde Geometrien

Darüber hinaus können mit Hilfe von generativen Designtools erstellte Designs Geometrien erzeugen, die selbst für den 3D-Druck eine Herausforderung darstellen. Überhängende Elemente und dünne Wände sind nur einige Beispiele dafür. Neue generative Konstruktionswerkzeuge bieten jedoch Optionen, die es dem Benutzer ermöglichen, zusätzliche Fertigungsdaten wie Überhangwinkel und Mindestwandstärke anzugeben.

#4:Benötigte Ressourcen

Schließlich können generative Designansätze rechenintensiv sein und leistungsstarke Rechenkapazitäten der Hardware erfordern. Immer mehr Unternehmen bieten jedoch generative Design-Software an, die Cloud Computing nutzt, sodass keine Investitionen in teure Hardware erforderlich sind.

Generative Design-Softwarelösungen für den 3D-Druck

Obwohl der Markt für generative Konstruktionssoftware neu ist, gibt es bereits eine Reihe von Softwarepaketen sowohl für die additive als auch für die subtraktive Fertigung. In diesem Abschnitt werfen wir einen Blick auf einige der vielversprechendsten Angebote im Bereich generatives Design für den 3D-Druck.

Generatives Design von Autodesk

Autodesk war an der Spitze der generativen Designentwicklung. Im April brachte das Unternehmen seine Autodesk Generative Design-Plattform auf den Markt, die in seine cloudbasierte Produktentwicklungssoftware Fusion 360 Ultimate integriert ist.

So funktioniert es

Die Plattform ermöglicht es Ingenieuren, Konstruktionsparameter wie Material, Größe, Gewicht, Festigkeit, Herstellungsverfahren und Kostenbeschränkungen zu definieren. Insbesondere verwendet die Software KI-basierte Algorithmen, die dabei helfen, gültige Designs aus einer Reihe von Designoptionen herauszufiltern. Die Software berücksichtigt auch die Herstellbarkeit, sodass Designer bis zu zehn verschiedene Materialien für die additive Fertigung auswählen können, um das Design zu studieren.

Frustum GENERATE

Frustum, ein junges Unternehmen, das 2014 gegründet wurde, möchte ein bedeutender Akteur im Bereich des generativen Designs werden. Das Angebot des Unternehmens ist die Software GENERATE – ein intuitives Programm zur Erstellung topologieoptimierter Bauteile für die additive Fertigung, Fräsen und Gießen. GENERATE ist eine Cloud-basierte Plattform, die in drei Stufen verfügbar ist:Free, Professional und Enterprise.

So funktioniert es

In GENERATE weist der Benutzer den Flächen eines Teils bestimmte Last- und Abhängigkeitswerte zu. Das Programm, das von Frustums generativer Design-Engine TrueSOLIDⓇ angetrieben wird, generiert dann eine Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Karte der Spannungskonzentrationen. Mit dieser Karte können die Benutzer Änderungen an der Geometrie des Teils vornehmen, insbesondere um die Menge an unnötigem Material in seiner Struktur zu reduzieren. Das Modell kann im STL-Format gespeichert werden und ist bereit für den 3D-Druck.

Letztes Jahr gab Frustum eine Partnerschaft mit Siemens bekannt. Derzeit ist die Technologie kommerziell an Siemens PLM Software lizenziert und in Siemens NX und Siemens SolidEdge integriert.

Desktop Metal's Live Parts™

Die Forschungsgruppe DM Lab von Desktop Metal, einem US-amerikanischen Hersteller von Metall-AM-Systemen, hat kürzlich ihre experimentelle Technologie namens Live Parts™ angekündigt.

So funktioniert es

Die generative Designplattform Live Parts™ verwendet von der Natur inspirierte Algorithmen, die Teile basierend auf einer Reihe von vorgegebenen Parametern wie Größe, Zweck und Gewicht „wachsen“ lassen. Das Programm erstellt ein Design, indem es von einer Saatzelle zu einer optimierten Struktur entwickelt wird, die stark, leicht und ermüdungsbeständig ist. Der Prozess des „Anwachsens“ eines Teils dauert in der Regel zwischen 5 und 5 Minuten, abhängig von der Größe des Modells.

Generatives Design in der Praxis

Generativ gestaltete Produkte sind zwar weit davon entfernt, Mainstream zu werden, aber sie sind vielversprechend für hochwertige Industrien wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Medizin. Um als erster von den Vorteilen generativ entworfener und additiv gefertigter Produkte zu profitieren, haben einige Unternehmen dieser Branchen bereits begonnen, die Kombination von beidem zu untersuchen.

Automobil

So hat Bugatti Automobiles beispielsweise mit 3D-Druck und generativem Design in einem Testprojekt der generativen Design-Software von Siemens das reale Flügelsteuerungssystem für den 1.500 PS starken Supersportwagen Chiron innoviert.

Mithilfe der Siemens NX-Plattform konnte der Autohersteller das Gewicht der Baugruppe optimieren, die dann in 3D aus Titan und Kohlefaser gedruckt wurde. Dieser Ansatz führte zu einer Gewichtsreduktion von mehr als 50 %.

General Motors ist ein weiterer Automobilhersteller, der die Möglichkeiten des generativen Designs und des 3D-Drucks für seine zukünftigen Produkte mithilfe der generativen Design-Software von Autodesk erforscht.

„Bei GM sehen wir großes Potenzial für generatives Design in Kombination mit additiven Fertigungsverfahren, um leichte Teilekonstruktionen mit den von uns erwarteten Leistungskriterien zu ermöglichen.“ sagt Kevin Quinn, Direktor für additive Fertigung bei General Motors.

Derzeit druckt GM keine generativ entworfenen Teile für die Produktion in 3D, sondern konzentriert sich stattdessen auf den Proof of Concept. In einem ersten Projekt nutzte GM beispielsweise die Software von Autodesk, um mehr als 150 Designoptionen einer Sitzhalterung zu produzieren. Diese waren 40 % leichter und 20 % stärker als die derzeit verwendeten Halterungen. Das Unternehmen konnte auch die acht verschiedenen Komponenten der Halterung zu einem 3D-gedruckten Teil zusammenführen.

Doch ein Automobilunternehmen hat mit einem generativ konstruierten und in Serie gefertigten 3D-gedruckten Teil einen Meilenstein erreicht. BMW hat kürzlich seinen preisgekrönten Dachträger für den BMW i8 Roadster vorgestellt. Ingenieure bei BMW nutzten die Topologieoptimierung, um die für das Teil erforderliche Materialmenge zu minimieren, und druckten das Teil dann in 3D aus Titan. Die Topologieoptimierung führte nicht nur zu einer Gewichtsreduzierung von 44%, sondern schaffte auch ein Design, das während des 3D-Druckprozesses keine Stützstrukturen benötigte.

Medizin

Im medizinischen Bereich können durch generatives Design Implantate hergestellt werden, die die poröse Beschaffenheit des menschlichen Knochens nachbilden. NuVasive, ein in den USA ansässiges Medizinunternehmen, verwendet seine proprietäre Designoptimierungssoftware, um Titanimplantate herzustellen. Die Software ermöglicht gitterförmige, asymmetrische Leichtbaukonstruktionen, die nur mit additiver Fertigung möglich sind.

Vorausschau:die Zukunft des generativen Designs

Beispiele für generatives Design, die branchenübergreifend verwendet werden, werden immer häufiger, da die Technologie zunehmend in Produktdesign-Workflows integriert wird. Obwohl es sich noch um eine relativ neue Technologie handelt, bietet sie Ingenieuren bereits eine völlig neue Sichtweise auf das Produktdesign.

Während KI und maschinelles Lernen für einen Großteil der jüngsten Fortschritte in der generativen Konstruktionstechnologie verantwortlich waren, hat die additive Fertigung auch eine Schlüsselrolle bei der Einführung von generativer Konstruktionssoftware gespielt. Mit weiteren Fortschritten bei maschinellem Lernen, Cloud-Computing-Funktionen und AM ist davon auszugehen, dass die generative Designtechnologie folgen wird und zu einem Schlüsselfaktor für die Zukunft der Fertigung wird.