Как технологии генеративного дизайна меняют характер производства

Автор обзора – Субхэм Сетт (Subham SETT), директор по аддитивному производству и материалам в SIMULIA, Dassault Systèmes

Технологии генеративного дизайна (GD) позволяют создавать проекты с учетом тех физических свойств и явлений, которые связаны с функциональностью продукта. Этот процесс поиска форм зачастую повторяет решения, созданные природой, при этом появляются органичные очертания, которые вряд ли бы были возможными без использования автоматизированных алгоритмов, помогающих в работе с проектом. Эти формы появляются в результате многочисленных итераций, на выходе которых создается дизайн, оптимизированный для выполнения поставленных задач. Интуиция и эстетика, которые на протяжении тысячелетий оставались ключевыми факторами при работе над дизайном, уже не играют своей первоначальной роли, поскольку дизайн создается в цифровом виде и фактически уже находится за пределами возможностей одного лишь дизайнера, не располагающего инструментами ( human designer ).

Одним из базовых принципов в генеративном дизайне является топологическая оптимизация (Topology Optimisation, TO). Она служит для оптимизации дизайнов в условиях ограниченного пространства (space envelope) и для выполнения ряда граничных условий, в том числе в отношении нагрузок. Эти факторы рассчитываются посредством исследований, проводимых методом конечных элементов (FEA), в том числе с помощью приложения Dassault Systèmes SIMULIA для моделирования физических процессов (multi-physics simulation).

Идея топологической оптимизации отнюдь не нова, но с учетом развития 3D моделирования процессов и новейших достижений в области технологий и оборудования для 3D-печати, она позволила применять принципы генеративного дизайна на практике в самых различных вариантах производства. В прошлом оптимизации топологии позволяла получать оптимизированные формы и очертания компонентов и сборок, но зачастую на их основе нельзя было получить геометрию для деталей реального мира. Другими словами, хотя цифровой проект теоретически мог быть идеальным, создание физического продукта по этому проекту зачастую было невозможным.

Генеративный дизайн изменил эту ситуацию к лучшему, так как позволяет автоматически создавать 3D геометрию на основе данных, получаемых после оптимизации топологии. Это настоящий технологический прорыв, поскольку теперь проектировщик может быть уверен, что на основе оптимизированных проектных данных, полученных на выходе генеративного дизайна, можно производить детали. Это позволяет дизайнерам не только в цифровом виде вносить изменения в дизайн с помощью CAD-приложений, но также проверять, чтобы все модификации по-прежнему соответствовали требуемым граничным условиям.

Доступность промышленных 3D-принтеров, которые можно использовать для аддитивного производства, и которые способны работать с самыми различными полимерам и металлами, еще больше расширила возможности применения технологий генеративного дизайна. Зачастую задумку не получалось реализовать с помощью традиционных технологий обработки или литья. Но 3D-принтеры позволяют с абсолютной точностью создавать физические копии своих цифровых представлений. Это означает, что формы, которые ранее не были нам доступны, теперь можно производить из любого металла или сплава, или из самых различных пластиков. В случае с полимерными принтерами, материалы можно менять непосредственно во время процесса печати, чтобы улучшить функциональность детали в тех точках концентрации значительных напряжений или избыточных нагрузок. Однако технологии генеративного дизайна отнюдь не ограничиваются только лишь выводом моделей на 3D-принтер, поскольку технология, поддерживающая работу с 3D-принтерами, также способна учитывать и специфику традиционных методов производства, благодаря чему она позволяет создавать дизайны, которые можно гарантированно осуществить – средствами механической обработки или литья.

Создание новых материалов

Материалы играют ключевую роль в развитии технологий генеративного дизайна и аддитивного производства. Сегодня материаловедение в основном сосредоточено на исследовании и изучении того, как ведут себя материалы во время их обработки, и того, как эти свойства влияют на конечные продукты. Сюда относится термофизическое поведение материалов на уровне частиц или даже на молекулярном уровне, изменения фазового состояния металла – от порошкообразного металла к жидкому и твердому, а также влияние всех этих процессов на поведение и характеристики конечного продукта.

И здесь, на стыке материалов и технологий производства, решающую роль играет моделирование процессов. Сегодня создаются целые библиотеки материалов, чтобы дизайнеры и инженеры лучше понимали их особенности и характеристики на всех этапах жизненного цикла продукции, и с помощью этого могли эффективнее работать с материалами. Если учитывать эти факторы на этапе проектирования, становится возможным переосмысление всего проекта, что обеспечивает как технические преимущества, так и преимущества с точки зрения бизнеса. И все это – благодаря тому, что процессы могут быть определены заранее, а свойства и характеристики новых материалов и производственных операций становится возможным учитывать уже на этапе проектирования.

Таким образом, эта технология меняет традиционный производственный процесс и способ мышления инженеров. Вместо наложения ограничений (“проектных”, “инженерных”, “производственных”) технологии генеративного дизайна позволяют инженерам перестать вариться в собственном соку, выйти за рамки привычного. В наиболее инновационных компаниях люди используют и делятся этими знаниями для создания инноваций – начиная с мельчайших неделимых элементов до масштабных сборок. Чтобы полностью реализовать потенциал технологий генеративного дизайна, все департаменты и заинтересованные стороны должны работать с единой корпоративной платформой, каковой, к примеру, является платформа Dassault Systèmes 3DEXPERIENCE. Люди по-прежнему используют различные программные приложения, созданные для отдельных сотрудников или должностей, но только внедрив унифицированную и повсеместно доступную платформу можно обеспечить настоящую непрерывность и возможность обмена “живыми”, постоянно обновляющимися данными, которые со временем образуют “единый источник данных”.

Когда вы обмениваетесь и осуществляете совместную работу над данными 3D моделей, получаемыми из таких приложений для проектирования и моделирования процессов как CATIA или SOLIDWORKS, подразумевается, что обновления в этих данных осуществляются моментально, при этом все участники процесса проектирования одновременно получают обновленную версию. Это обеспечивает значительный прирост продуктивности за счет повышения эффективности, снижения потерь и ошибок, что позволяет людям больше времени уделять на развитие своих личных навыков и способностей и наращивание групповой экспертизы. Преимущества подобного подхода к работе очевидны и просматриваются во всех отраслях, в которых используется генеративный дизайн. Например, поскольку в аэрокосмической отрасли существует потребность в легковесных компонентах, здесь существует значительный спрос на методы генеративного дизайна, и благодаря этому в данном секторе активно совершенствуются и развиваются новые технологии. В частности, предприятиям удается снизить вес примерно на 30%-60%, при этом благодаря методам аддитивного производства добиться экономии на материалах за счет уменьшения потребляемых объемов. Это все становится возможным потому, что в отличие от методов субтрактивного производства при использовании аддитивных технологий материл не уходит в стружку.

За и против при выборе дизайна

Технологии генеративного дизайна обеспечивают производителям больше выбора и возможностей, но в то же время, при использовании генеративного дизайна производителям следует внимательно просчитывать предполагаемые варианты решения задачи. Вот те вопросы, которые им следует задать себе при работе над проектом: стоит ли предполагаемая экономия материала того увеличения времени в сроках реализации проекта, которое необходимо для 3D-печати? Окупится ли это время? Повлияет ли постобработка – например, удаление поддержек, необходимых для 3D-печати – на конечный продукт с точки зрения его прочности или концентрации напряжений? Можно ли будет переделать и/или доработать продукт? Все эти доводы за и против необходимо тщательно взвешивать и учитывать в каждом сценарии производства, наряду с выбором наиболее оптимального способа использования и обработки материалов.

Технологии генеративного дизайна набирают все большую популярность среди заказчиков Dassault Systèmes в строительстве и в автомобильной промышленности, поскольку они облегчают процесс создания и изготовления облегченных, но в то же время сложных конструкций. Уменьшение числа деталей – еще одно преимущество 3D-печати, которое позволяет сократить перечень компонентов или материалов (Bill Of Materials, BOM) многих продуктов, зданий и сооружений. При проектировании мостов и строений инженеры работают над их формой с учетом ветровой нагрузки, а производители медицинского оборудования могут создавать новые инструменты, позволяющие повысить эффективность медицинских процедур и улучшить результаты лечения. Компании по производству промышленного оборудования, с которым работает Dassault Systèmes, тоже используют генеративный дизайн, не отстают от них и производители спортивных товаров и обуви. Наиболее инновационные из этих производителей строят свои рабочие потоки с применением технологий генеративного дизайна на основе цифровых потоков, которые охватывают все аспекты – от работы с материалами до дизайна, проектирования и производства, и все это – на платформе 3DEXPERIENCE, которая способствует развитию совместных и устойчивых инноваций.

Один из минусов подобного подхода заключается в сложностях сертификации. Все это обусловлено тем, что стандарты, порой, используемые на протяжении десятилетий, зачастую не подходят для работы с генеративным дизайном и аддитивным производством. Однако в настоящее время производственные предприятия и регулирующие инстанции работают над тем, чтобы привести процесс сертификации в соответствие нынешним и будущим методам производства. Значительный прогресс в этом отношении наблюдается в аэрокосмической промышленности и в области медико-биологических разработок, где новые методики приводят к обновлению стандартов и правил регистрации (approval regimes) продукции.

Развитие генеративного дизайна уже не остановить, поскольку технологии моделирования процессов облегчают производство, позволяют сделать его более эффективным и продуктивным. При условии, что все комплексные процессы определены уже на ранних этапах разработки, и при наличии цифровых процессов технологии генеративного дизайна позволяют создавать действительно инновационные дизайны и обеспечивают высокую продуктивность, а также преимущества с точки зрения процессов и иные выгоды. Частично это обусловлено тем, что генеративный дизайн позволяет спрогнозировать процессы и за счет этого создавать более оптимизированные решения.

12 практических рекомендаций относительно того, как получить максимальную отдачу от генеративного дизайна:

1. Избавляйтесь от стереотипов, устраняйте барьеры между процессами работы над дизайном и созданием конечного изделия.

2. Придумывайте дизайн, конструируйте и создавайте, используя единую унифицированную цифровую платформу.

3. Избегайте ошибок и повышайте качество планирования за счет предварительного моделирования процессов.

4. Применяйте технологии печати для достижения максимальных результатов (‘Print to perform’), помните, что функциональность продукта является наиболее важным приоритетом.

5. Пользуйтесь научными достижениями, работайте с библиотеками материалов.

6. Выстраивайте цифровой процесс таким образом, чтобы сотрудники могли сосредоточиться на своей работе, а не на освоении программных инструментов.

7. Используйте моделирование процессов не только для оптимизации продуктов, но и для их производства и печати.

8. Координируйте работу подразделений и отдельных сотрудников, чтобы создавать условия для совместной работы и совместного развития инноваций.

9. Ключ к эффективности заключается в объединении процессов проектирования и производства.

10. Создавайте производство, которое будет актуальным и в будущем, используйте расширенную корпоративную платформу, которая связывает и объединяет все процессы и всех участников, работающих над проектом.

11. Стремитесь к целостному подходу, используйте единое комплексное решение, а не 20 различных программных инструментов.

12. Прогнозируйте результаты средствами 3D моделирования процессов.