Колонки

Будущее инженерии: что такое генеративный дизайн и как его использовать

Колонки
Давид Айвазян
Давид Айвазян

Инженер-механик в Alpha Tek Automation

Илья Голубев

В современной механике без генеративного дизайна никуда: он помогает находить решения, которые очень сложно или даже невозможно придумать, упрощает оптимизацию существующих конструкций и значительно экономит ваше время.

Что такое генеративный дизайн, где его применяют, и как он связан с 3D-печатью — рассказывает инженер-механик Alpha Tek Automation Давид Айвазян.

Будущее инженерии: что такое генеративный дизайн и как его использовать

Что такое генеративный дизайн?


Генеративный дизайн (Generative design)  — это командная работа человека и компьютера. Обычно программы используются только как инструменты, но в генеративном дизайне они — полноценные участники творческого процесса.

Это не значит, что программа может обойтись без участия человека — над проектом все равно должен работать опытный инженер.

Создание решения с помощью генеративного дизайна происходит так: 

  1. Проектировщик дает программе техническое задание: перечисляет ограничения, обозначает препятствия и крепежные элементы. 
  2. На базе этих ограничений программа генерирует варианты решения (отсюда и произошло название «генеративный дизайн»). 
  3. Человек выбирает из предложенных программой вариантов оптимальный и при необходимости дорабатывает его. 

Генеративный дизайн — пример синергии человека и компьютерной программы. Тем, кто боится развития технологий из-за возможного восстания машин с искусственным интеллектом, рекомендую присмотреться к этому методу. 

Здесь программы не соревнуются с людьми за работу, а помогают формулировать промежуточные решения. Формулировать техническое задание, придумывать изначальную идею проекта и доводить его до идеала — привилегия человека. 

Решения, сделанные при помощи генеративного дизайна, напоминают природные формы, но доработанные и завершенные.

Пользователям результат такого подхода, часто кажется причудливым на вид. Несмотря на это, генеративный дизайн дает преимущества исполнителю проекта и создает новую эстетику.

Чем так хорош генеративный дизайн


С помощью генеративного дизайна проектируют оптимизированные объекты. Он позволяет без временных потерь учитывать свойства материалов, нагрузки на изделие и другие параметры.

При помощи генеративного дизайна получаются такие решения, до которых человек вряд ли бы додумался самостоятельно.

Генеративный дизайн дает инженеру гарантию, что на основе виртуального прототипа детали можно сразу отправлять в производство.

В других подходах, чтобы быть уверенным в валидности прототипа, его нужно отдельно протестировать (Stress–strain analysis). Так генеративный дизайн сохраняет время проектировщика и деньги компании.

С помощью генеративного дизайна можно создать новый проект или оптимизировать уже существующий.

Благодаря генеративному дизайну, свойства материалов учитываются уже на этапе создания проекта. Подходящий прототип создается безошибочно, с первого раза, также программа подсказывает, как уменьшить вес или объемы изделия, без потери его свойств.

Если полученный результат требует изменений, проектировщик просто вносит в программу новые ограничения. Каждый представленный программой вариант в любом случае будет на 100% соответствовать заданию, которое внесли изначально.

С помощью генеративного дизайна, инженер выходит за рамки привычного восприятия и работает с решениями, которые ранее не создавались.

Каждый проект, который создали с помощью такого подхода, уникален. У программы нет шаблонов, стереотипов или готовых решений — только ограничения, которые проектировщик задает на первом этапе работы.

Топологическая оптимизация и генеративный дизайн: в чем разница?


Генеративный дизайн использует топологическую оптимизацию (проще говоря, совершенствование конструкции с помощью специального алгоритма), но не каждый проект, созданный с учетом оптимизации топологии, пример генеративного дизайна.

До промышленного использования generative design принципы  топологической оптимизации применялись для создания теоретически максимально удачного проекта.

Вот только на практике реализовать такой вариант в некоторых случаях было невозможно. 

Каждый проект, который создали с помощью генеративного дизайна, оптимизирован на 100% и идеален с точки зрения соответствия ограничениям.

Это технологический прорыв. Теперь инженерия не должна  выбирать между функциональностью и экономичностью.

Кроме того, топологическая оптимизация требует наличия готовой 3D-модели.

Чтобы оптимизировать прототип, проектировщик вводит в программу необходимые условия, и она просчитывает варианты оптимизации изделия внутри этих ограничений.

Затем инженер возвращается к проекту, вносит изменения, которые рекомендовала программа, и проверяет, чтобы в результате этих изменений физические свойства объекта не отклонились от нужных значений.

При топологической оптимизации изменяется только внешний вид конструкции, а материалы и «идея» остаются такими же.

Генеративный дизайн не требует готовой 3D-модели. Программа создает прототип с нуля по ограничениям, заданным проектировщиком.

Генеративный дизайн позволяет заменить узел из нескольких деталей, на узел из одной детали, который будет работать как минимум не хуже, а то и лучше. 

Топологическая оптимизация предлагает единственный вариант оптимизации одной модели, а генеративный дизайн предлагает до десяти вариантов изделия — на выбор.

Какие программы использовать?

Fusion 360

Программа работает просто:

  1. Инженер задает ограничения, внутри которых система будет искать решения;
  2. Проектировщик указывает зоны, которые надо оставить в первоначальном виде, рабочие и крепежные участки детали, препятствия, которые нужно огибать, действующие на деталь нагрузки и закрепления;
  3. Задача отправляется в облако, программа ищет решения и передает их проектировщику, когда находит.
  4. Эти решения будут отличаться друг от друга, а пользователь выбирает из них нужный вариант или варианты (и дорабатывает в САПР если необходимо).

Creo Generative Design


Программа работает по тому же принципу, что и Fusion 360.

Ее особенность — облачный модуль GDX, с помощью которого можно параллельно создавать несколько конструкций из разных материалов и с использованием разных сценариев производства.

Также Creo предлагает специальный модуль для топологической оптимизации — Creo Topology Optimization.

nTop Platform


Эта платформа была разработана компанией nTopology в 2017 году. Она подходит для коллаборации команды инженеров в одной среде.

Ее можно использовать не только для генеративного дизайна, но и для топологической оптимизации. Программа постоянно получает обновления и дополняется новыми функциями.

Siemens NX


В NX можно работать как с 2D, так и с 3D моделями, она позволяет без потерь переносить информацию из других CAD-систем.

Генеративный дизайн и 3D печать

3D-печать открывает новые возможности для генеративного дизайна, она воплощает в жизнь решения, которые до этого невозможно было реализовать из-за особенностей оборудования.

3D-печать совершила прорыв в изготовлении изделий из металла или полимеров.

Прежние технологии литья и механической обработки не справлялись с созданием геометрических форм, созданных с помощью генеративного дизайна.

Теперь эти формы делают из пластика, сплава или металла на 3D-принтерах. У полимерных принтеров даже есть возможность менять материалы в процессе печати, чтобы деталь функционировала еще лучше.

Еще 10 лет назад многие современные решения в разных сферах, от строительства до медицины, казались невозможными.

Модели, которые создают с помощью генеративного дизайна и 3D-печати эффективны,  а в некоторых случаях и сравнительно дешевы по сравнению с традиционными методами производства.


Пример синергии 3D печати и генеративного дизайна в японском электромобиле WHILL: был уменьшен вес емкости для батареи — самого тяжелого участка в портативной автономной коляске для инвалидов. 


​​

В 2015 году New Balance и студия дизайна Nervous System разработали новый материал, максимально оптимизированный для бегунов. Из него сделали кроссовки, а подошвы для них напечатали на 3D-принтере.

Кому нужен генеративный дизайн?

  • Автомобильной промышленности.
С помощью генеративного дизайна создаются сложные узлы и детали, а также легковесные и аэродинамические компоненты автомобиля.
  • Аэрокосмической промышленности.
Здесь генеративный дизайн подходит для уменьшения веса запускаемых аппаратов, что ведет к меньшему расходу топлива, удешевлению полетов и улучшению их экологичности.
  • Медицине.

В стоматологии и в протезировании генеративный дизайн позволяет создавать легкие, почти неощутимые, но функциональные конструкции.

В перспективе он поможет в разработке искусственных внутренних органов и точного воссоздания тканей. Возможно, эта технология поможет и протезированию сосудов.

  • Розничной торговле.

Решения генеративного дизайна для конечных потребителей очень функциональны, и привлекают внимание за счет необычного внешнего вида.

Им почти не нужен маркетинг, а их срок эксплуатации выше в сравнении со стандартно изготовленными изделиями.

  • Строительству и архитектуре.

Генеративное проектирование позволяет создать идеальную планировку помещений, сократить количество сотрудников, занятых проектом и оптимизировать затраты.

Генеративный дизайн позволяет воплощать оптимальные целевые решения: например, построить оперный театр с лучшей акустикой в мире.

  • Веб-дизайну (Uizard Technologies, uKit AI, Rene), искусству (выставка «Жидкие Пиксели» Мигеля Шевалье) и индустрии развлечений (игра No Mans Sky).


Я считаю, за генеративным дизайном будущее. Он позволяет выйти за рамки стандартных подходов и при этом получить оптимизированный результат благодаря взаимодействию человека и программы.

Человечеству пора привыкнуть к необычным формам результатов генеративного дизайна. В них есть своя эстетика, хотя ее пока нельзя считать базовой для потребителя.

Но если генеративный дизайн продолжит показывать отличные результаты, применять его станут еще чаще, так что образ продукта генеративного дизайна рано или поздно прочно войдет в массовое сознание.

Фото на обложке: Unsplash

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Материалы по теме

  1. 1 Илон Маск: дефицит полупроводников завершится в следующем году
  2. 2 Как начать карьеру в промышленной сфере? Рекомендации от международной компании
  3. 3 Производителям сложно продавать онлайн. Делимся инструкцией, как сделать удобный для b2b-клиентов сайт
  4. 4 Одна ошибка приводит к многомиллионным потерям на большинстве «умных» производств. Как ее избежать?
  5. 5 Как маркировать упаковки: пошаговое руководство от эксперта
AgroCode Hub
Последние новости, актуальные события и нетворкинг в AgroTech-комьюнити — AgroCode Hub
Присоединяйся!