Генеративный дизайн в 3D‑печати

Что такое генеративный дизайн?

В генеративном дизайне проектированием занимается программа, часто с применением искусственного интеллекта, облачных вычислений, машинного обучения. Компьютер берет на себя творческую часть работы, в том числе поиск неочевидных решений.

Задача инженера — ввести в программу точные и полные требования к будущему изделию: вес, размеры, материалы, уровень нагрузок, варианты использования, а также особенности производственного процесса, ограничения и т.д. На основе полученных данных программа генерирует сотни или даже тысячи вариантов конструкции.

Далее специалист выбирает наиболее подходящие решения. Для этой цели также можно использовать искусственный интеллект. Кроме того, можно распечатать на 3D-принтере функциональные прототипы и протестировать их.

Генеративный дизайн идеально подходит для изучения возможностей проектирования и получения оптимальных деталей. Алгоритмы могут создавать проекты под конкретные материалы и технологии производства, в первую очередь — под 3D-печать.

Инструменты генеративного дизайна есть в таких программах как Fusion 360 от Autodesk и Siemens NX, а также у специалистов по генеративному дизайну, к примеру ParaMatters. Софт для генеративного дизайна варьируется от любительского до профессионального.

Отличия от топологической оптимизации

Инструменты для генеративного дизайна включают в себя топологическую оптимизацию — возможность улучшения конструкций с помощью компьютерных алгоритмов. Например, они могут дать рекомендации по удалению лишнего материала, оптимизации формы продукта, прочности, охлаждения или веса. При этом не каждый проект, созданный с применением топологической оптимизации, является примером генеративного дизайна. Основные отличия этих двух технологий:

• топологическая оптимизация требует наличия готовой 3D-модели, а генеративный дизайн нет, т.к. программа создает прототип с нуля, анализируя условия и ограничения;

• при топологической оптимизации изменяется только внешний вид конструкции;

• топологическая оптимизация предлагает единственный вариант улучшения модели, а генеративный дизайн — множество вариантов конструкции одного изделия.

Преимущества генеративного дизайна

• главная задача генеративного дизайна — снижение веса изделий. Прочность при этом сохраняется, а иногда и увеличивается;

• генеративный дизайн позволяет тратить на 30-50% меньше материала. Это снижает стоимость изделий;

• скорость. Программа способна перебрать все комбинации заданных условий и выдать сотни подходящих решений гораздо быстрее, чем это сделал бы человек. Любой вариант можно тут же распечатать на 3D-принтере и проверить;

• неисчерпаемые возможности проектирования и свобода творчества. Изучив введенные данные, программа предлагает варианты дизайна, в том числе такие, до которых человеку сложно или невозможно додуматься;

• можно генерировать решения для объединения узлов в одну деталь, чтобы упростить сборку;

• универсальность. Генеративный дизайн применяется в искусстве, архитектуре, производстве аэрокосмической техники, автомобилей, медицине и многих других областях;

• для генеративного дизайна не нужны чертежи — только базовая информация и требования к продукту. Задача человека — следить за точностью и полнотой условий, выбирать и тестировать решения.

Почему генеративный дизайн идеально подходит для 3D-печати?

Алгоритмы генеративного дизайна часто предлагают решения, которые дорого или даже невозможно изготовить с помощью литья под давлением или станка с ЧПУ. Для воплощения в жизнь сложной геометрии идеально подходит 3D-печать. Тем более что ее экономическая эффективность возрастает вместе со сложностью дизайна.

3D-печать позволяет получить изделия с любыми толщинами, полостями, внутренними решетками, ячейками, искривлениями. К тому же послойное построение придает изделиям еще большую прочность и устойчивость к нагрузкам.

3D-печать предлагает самое быстрое дешевое тестирование прототипов. Выбирая одно лучшие решения из множества, предложенных программой, инженер может быстро распечатать конструкцию на 3D-принтере и проверить.

Стоимость 3D-печати продолжает снижаться, а разнообразие материалов увеличивается, так что она становится все более выгодным и универсальным инструментом для реализации необычных решений.

Применение

Корпус аккумулятора для инвалидной коляски

С помощью генеративного дизайна специалисты компании-производителя электромобилей WHILL спроектировали для портативной электрической инвалидной коляски ее самую тяжелую часть — корпус аккумулятора.

Разработчики продукта разделили конструкцию на четыре части, чтобы поместить ее в рабочую камеру 3D-принтера Formlabs, и напечатали детали из восковой смолы для литья по выплавляемым моделям. Затем инженеры соединили детали и сделали форму из песка для получения металлической детали.

Опора амортизатора

Компания IGESTEK специализируется на разработке решений для автомобильной промышленности с использованием пластмасс и композитных материалов. Один из последних проектов — опора амортизатора, разработанная с помощью ПО для генеративного проектирования Autodesk Fusion 360.

Прототипы были напечатаны по технологии SLA для проверки их геометрии и сборки без дорогостоящих инструментов.

Конечным результатом стала 3D-печатная конструкция, сочетающая в себе металл и композитные материалы, — на 40% легче, чем существующие на рынке решения.

Кронштейн для самолета

Специалисты ОКБ Сухого создали на суперкомпьютере цифровую модель силового кронштейна для истребителя Су-57. Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) напечатали деталь из алюминиевого сплава на 3D-принтере методом лазерного спекания. Новый кронштейн оказался на четверть легче более старых аналогов, выполненных по традиционным технологиям.

Кронштейны для миссии NASA

Целью миссии NASA EXCITE является изучение экзопланет путем отправки в атмосферу Земли большого воздушного шара, оснащенного телескопом. титановые кронштейны, изготовленные с помощью лазерной порошковой технологии Fusion, играют решающую роль в удержании жизненно важных компонентов системы телескопа на месте.

Инженеры NASA ввели в программу для генеративного проектирования различные требования к кронштейнам, такие как жесткость и минимальный вес. Из тысячи вариантов были выбраны оптимальные.

Кронштейны прошли испытания на вибрацию, растяжение и другие параметры для проверки их структурной целостности и работоспособности в различных условиях. Испытания подтвердили, что кронштейны могут выдержать экстремальные условия во время миссии

Имплантаты

Исследователи из Университета Бирмингема совместно с партнерами использовали генеративный дизайн при создании коленного имплантата для лечения остеоартрита.

Современные коленные имплантаты для лечения артрита коленного сустава производятся в ограниченном количестве форм и размеров, без учета индивидуальных особенностей пациентов. Решение проблемы — генеративный дизайн. Созданные компьютерными алгоритмами конструкции позволяют имплантатам быть биомеханически специфичными, более легким, менее заметными и минимально инвазивными.