Генеративный дизайн — новый творческий инструментом в руках дизайнеров

Приблизительное время чтения: 13 минут

Генеративное проектирование — это следующий рубеж в проектировании САПР для инженеров, работающих практически во всех производственных отраслях. Он использует возможности искусственного интеллекта (ИИ) для разработки новых высокопроизводительных итераций проектирования, которые помогают решать сложные задачи, снижать вес компонентов и производственные затраты, настраивать масштабирование и оптимизировать производительность.

В то время как сильно решетчатые конструкции с необычайно замысловатыми элементами могут показаться экзотикой, генеративный дизайн сегодня находит все большее количество практических применений.

В этом подробном руководстве вы узнаете, как работает генеративный дизайн, узнайте о его преимуществах, приложениях и той важной роли, которую 3D-печать играет в воплощении в жизнь своего невероятного дизайна. Посмотрите, как можно начать работу прямо сейчас, из реальных примеров и практических советов.

Определение генеративного дизайна

Приложения генеративного дизайна

Приложения для генеративного проектирования существуют во многих отраслях — от авиакосмической и архитектурной до производства и потребительских товаров. Инженеры, использующие генеративный дизайн, часто пытаются решать сложные инженерные задачи. К таким задачам относятся снижение веса компонентов и производственных затрат, масштабирование настройки компонентов и оптимизация производительности.

Например, в автомобильной промышленности инженеры используют генеративное проектирование для уменьшения веса компонентов, улучшения слабых мест в конструкции, снижения производственных затрат за счет консолидации компонентов и сокращения времени вывода новых продуктов на рынок.

Точно так же в индустрии спортивного инвентаря дизайнеры используют генеративный дизайн для достижения нового уровня производительности продукта при минимизации производственных затрат. В аэрокосмической отрасли генеративная конструкция позволяет производителям авиакомпаний снизить вес и повысить прочность компонентов самолетов, помогая авиакомпаниям снизить расход топлива и, как следствие, снизить затраты и выбросы.

Преимущества генеративного дизайна

• Одновременное исследование: заметным преимуществом генеративного дизайна является то, что он позволяет одновременно исследовать, проверять и сравнивать сотни или тысячи вариантов дизайна. Программное обеспечение может отображать и сравнивать варианты дизайна таким образом, чтобы инженеры могли быстро и эффективно находить те, которые лучше всего соответствуют параметрам и потребностям проекта.
• Ускоренный график проектирования: когда инженеры используют искусственный интеллект для быстрого, эффективного и масштабного обнаружения и тестирования новых сложных итераций проектирования, они могут значительно сократить сроки исследований и разработки новых продуктов. В результате компании, использующие генеративный дизайн, могут получить конкурентное преимущество в ускорении вывода продуктов на рынок.
• Использование передовых производственных процессов. Генеративное проектирование позволяет создавать сложные конструкции, такие как органические элементы и внутренние решетки, чтобы использовать уникальную свободу проектирования, обеспечиваемую технологиями аддитивного производства. Он также предлагает возможность объединять детали, поэтому одна сложная геометрия, созданная генеративным алгоритмом и напечатанная на 3D-принтере, часто может заменять сборки из десятков отдельных деталей. 

Программы для генеративного дизайна

Люди, имеющие опыт работы с САПР, могут легко перейти к программному обеспечению генеративного дизайна. В дополнение к программному обеспечению для генеративного дизайна многие программы САПР теперь предлагают интегрированные инструменты или плагины для генеративного дизайна.

Однако программное обеспечение для генеративного проектирования предлагает пользователям больше, чем традиционные функции программного обеспечения САПР. Эти инструменты позволяют пользователям вводить информацию о силах, материалах, затратах и ​​т. Д. В профили проектирования, а также определять приоритеты и уточнять параметры на основе графических представлений проектных решений. 

Это далеко не исчерпывающий список, это популярные программы, предлагающие возможности генеративного проектирования: 

1. Fusion 360 от Autodesk:  Fusion 360 предлагает пользователям мощный набор инструментов моделирования, включая создание эскизов, прямое моделирование, моделирование поверхностей, параметрическое моделирование, моделирование сетки, рендеринг и многое другое. Его возможности генеративного проектирования позволяют пользователям определять требования к дизайну, ограничения, материалы и варианты производства для создания готовых к производству проектов, в то же время позволяя пользователям использовать возможности машинного обучения и искусственного интеллекта для просмотра результатов проектирования, созданных в облаке, на основе визуального сходства. , графики и фильтры. Узнайте больше здесь .
2. Creo Generative Design от PTC:  используя облако, это программное обеспечение позволяет пользователям создавать оптимизированные концепции дизайна и одновременно быстро исследовать и тестировать многочисленные итерации дизайна. В нем выделяются итерации, которые наилучшим образом соответствуют целям пользователя, на основе параметров дизайна, заданных пользователем. В среде проектирования Creo это программное обеспечение обещает создавать высококачественные, недорогие и технологичные проекты в более короткие сроки, чем у ведущих конкурентов. Узнайте больше здесь.
3. Платформа nTop от nTopology:  программное обеспечение nTop Platform обещает пользователям полный контроль над всеми аспектами процесса оптимизации и его результатов. Используя передовые инструменты генерации, пользователи могут создавать настраиваемые многоразовые рабочие процессы, адаптированные к уникальным требованиям приложения. Основные возможности этой программы включают неразрывное моделирование и операции решетчатых конструкций, оптимизацию топологии, многоразовые рабочие процессы проектирования, полевое проектирование и моделирование механико-термического анализа методом конечных элементов. Подробнее читайте здесь .
4. NX от Siemens:  Помимо генеративного проектирования, главной особенностью, которую предлагает NX, является технология цифрового двойника, которая обещает пользователям гибкое, мощное и интегрированное решение, которое поможет им оптимизировать разработку и выпуск более качественных продуктов. NX сочетает в себе совместимость дизайна, проверку, определение на основе модели и многое другое, чтобы помочь пользователям продвигать продукты через исследования и разработки быстрее и с меньшими затратами, одновременно улучшая качество продукта. Получите дополнительную информацию здесь .
5. Генеративный дизайн MSC Apex от MSC Software:  эта программа обещает пользователям комплексное решение для более быстрого и меньшего человеческого вмешательства, чем у конкурентов, для изготовления высокоточных металлических компонентов. MSC Software сообщает, что пользователи сокращают время первоначального проектирования и настройки на 80%. На первый взгляд, программное обеспечение сочетает в себе простоту, автоматизированное проектирование, импорт и проверку, а также прямой вывод в одном процессе. Ознакомьтесь с программой здесь .

Генеративный дизайн и 3D-печать

Алгоритмы генеративного проектирования часто создают высокоэффективные органические формы с поддерживающими решетками, которые являются дорогостоящими или даже невозможными для изготовления с помощью традиционных производственных технологий, таких как литье под давлением или субтрактивных производственных инструментов, таких как обработка с ЧПУ. Усовершенствованные производственные инструменты, такие как 3D-печать, также известная как аддитивное производство, необходимы для тех типов чувствительных к производительности приложений, в которых такая оптимизация является убедительной.

3D-печать хорошо сочетается с генеративным дизайном, поскольку она обеспечивает гибкие и быстрые средства создания трехмерной модели с высоким разрешением одной или нескольких итераций дизайна для экономичного конечного продукта. Как правило, с экономической точки зрения рентабельность 3D-печати увеличивается вместе со сложностью итерации дизайна.

3D-печать более конкурентоспособна с точки зрения затрат при меньших объемах производства, потому что вам не нужно экономить на масштабе, чтобы компенсировать затраты на установку. Следовательно, это облегчает массовую настройку, которую делает возможной генеративный дизайн. Поскольку стоимость 3D-печати продолжает снижаться, а разнообразие материалов увеличивается, 3D-печать становится практичной для небольших и средних деталей для все большего и большего числа приложений.

Примеры из практики: генеративный дизайн и 3D-печать в действии

WHILL , японский производитель электромобилей, поставил перед собой задачу создать более портативное моторизованное кресло-каталку, уменьшив вес его самой тяжелой части — батарейного отсека. Используя программное обеспечение для генеративного проектирования Autodesk Fusion 360, инженеры WHILL смогли создать новую конструкцию, которая уменьшила вес аккумуляторного отсека на 40%.

Затем группа разработчиков продукта использовала новый производственный процесс, чтобы воплотить дизайн в жизнь. Команда разделила дизайн на четыре части, чтобы уместить его в объем сборки настольного стереолитографического 3D-принтера Formlabs, а затем напечатала детали из Castable Wax Resin для литья по выплавляемым моделям. Затем инженеры соединили детали и отлили конструкцию окончательной металлической литой детали. В конечном итоге команда достигла крупного прорыва в результате собственной 3D-печати и генеративного дизайна, снизив конечную стоимость производства инвалидной коляски WHILL за счет уменьшения общего количества деталей в продукте.

Как и WHILL, компания по производству обуви New Balance добилась важных достижений благодаря генеративному дизайну и 3D-печати. Обладая долгосрочным видением инноваций в своей индивидуализированной линии обуви, New Balance в 2015 году в партнерстве со студией цифрового дизайна Nervous System участвовала в процессе генеративного дизайна для разработки межподошвы, которая лучше адаптировалась бы к данным о производительности бегуна.

Затем, в 2017 году, New Balance в партнерстве с Formlabs разработала Rebound Resin , запатентованную готовую к производству фотополимерную смолу с пятикратной прочностью на разрыв, трехкратной прочностью на разрыв и в два раза превышающей удлинение по сравнению с другими эластомерными материалами для 3D-печати промышленного уровня. магазин. Вместе New Balance и Formlabs добились заметных успехов в производстве обуви и помогли предоставлять более качественные продукты конечным пользователям. 

Обе компании продолжают работать вместе с конечной целью массового производства нестандартных кроссовок, адаптированных для каждого клиента, с помощью генеративного дизайна и новых материалов для 3D-печати.

Начало работы с генеративным дизайном

Хотите знать, с чего начать? Вот несколько ключевых моментов, которые помогут вам найти правильный путь:

• Начать легко. Если вы знакомы с САПР, вам не придется много учиться, чтобы попробовать генеративный дизайн. Генеративным дизайном легко поиграть для четко определенных, закрытых проблем. Теперь он интегрирован во многие пакеты САПР, которые предлагают 30-дневные пробные версии.
• Облегчение существующей детали — отличный стартовый проект. Облегчение — хорошая отправная точка для оптимизации для снижения веса при сохранении производительности при условии, что нагрузки хорошо изучены.
• Разбейте долгосрочное видение на более мелкие проекты НИОКР. Генеративное проектирование и аддитивное производство требуют разного мышления и различных рабочих процессов. Вы не получите заказной 3D-печатный продукт с оптимизированной производительностью, доступный по всему миру и в больших масштабах, в одночасье. Большинство успешных проектов выглядят как серия повторяющихся стратегических проектов с течением времени.
• Обратитесь к технологическим партнерам за опытом и поддержкой. Многие компании, производящие программное обеспечение и присадки, имеют специальные группы для поддержки, такие как Formlabs Factory Solutions . Ищите способы воспользоваться этим опытом, чтобы быстро начать работу и учиться.

Генеративный дизайн: инновации будущего

Генеративный дизайн играет все более важную роль в разработке продуктов в широком спектре отраслей. Независимо от того, стремится ли компания уменьшить вес кронштейна авиационного двигателя, сделать электрическое инвалидное кресло более портативным или настроить кроссовки, генеративный дизайн и 3D-печать прокладывают путь к полностью оптимизированному и индивидуальному будущему.

По мере того, как достижения в области искусственного интеллекта и аддитивного производства продолжают расширять горизонты возможностей генеративного дизайна, появится больше приложений и преимуществ этих инновационных и передовых технологий. 

Какие перспективы ждут новую технологию проектирования в ближайшие годы?

Генеративные технологии проектирования – новое программное обеспечение, умеющее самостоятельно генерировать трехмерные модели без вмешательства конструктора. По сути, интеллектуальное ПО способно заменить «творческий» аспект человека и создавать уникальные конструкции на основе заданных параметров.

Ведь теперь с помощью заложенных алгоритмов можно автоматически снизить вес самолета, укрепить конструкцию здания или трансформировать любой объект под заданные критерии без критических изменений.

Дизайнеров будет ждать роль «кураторов»

Технология генеративного дизайна (ГД) строится на алгоритмах, которые способны генерировать все возможные перестановки в проекте. Задача дизайнера – вводить набор параметров и выбирать нужный результат. Теперь их роль отводится на второй план. Достаточно управлять фиксированными параметрами, а облачные вычисление ГД сделают всю работу.

Эволюция генеративного дизайна активно обсуждалась в ноябре 2018 г на технологической конференции Autodesk University в Лас-Вегасе. По словам Джеффа Ковальски, директора по технологиям Autodesk, новую технологию нельзя считать угрозой для замены традиционного дизайна. Наоборот, она станет новым инструментом специалистов.

Технология генеративного дизайна в основе использует методы цифрового проектирования для создания плавных решетчатых форм. За основу берется имитация природных структур. Дизайнерам остается только настраивать пространственные параметры, чтобы получить желаемую форму. Архитекторы смогут выбирать план этажа, рисунок фасада, материалы и даже ограничения по стоимости строительства. Всю остальную работу сделает ПО. Генеративный дизайн предложит десятки вариантов по заданным фиксированным параметрам, а дизайнерам и проектировщика остается сделать только свой выбор.

Реальные примеры внедрения генеративного дизайна

Технология уже успела зарекомендовать себя на практике.

• Пример – сотовая подошва кроссовок от бренда New Balance в виде проекта 3D-печати. С помощью генеративного дизайна были созданы индивидуальные формы для каждого бегуна.
• Также, недавно завершили проект для Эльбской филармонии, в которой интерьер помещений акустически оптимизировали для музыкальных выступлений.
• На примере Фрэнсиса Бетонти (Francis Bitonti) можно увидеть реальные результаты использования генеративного дизайна. Ему удалось улучшить через интеллектуально ПО ортопедические бреккеты. Результатом стали более компактные формы, легкий вес и модный дизайн в соответствии трендам.

Реальные успехи проектов стали толчком для тестирования генеративного дизайна многими конструкторами. Дизайнеры экспериментируют с уже существующими продуктами, а также ведут работу над созданиями новых форм.

Мнение Аллесандро Зомпарелли (Alessandro Zomparelli), ведущего специалиста дизайн студии MHOX:

«Дизайнером быть сегодня приятно как никогда. С новым инструментом генеративного дизайна можно создавать невероятные вещи и каждый раз открывать что-то новое. Мы в числе первых заинтересованы в углубленном изучении этой технологии».

Компания MHOX занимается 3D-печатью модных аксессуаров. За основу берутся компьютерные алгоритмы, а имеющиеся материалы исследуют для получения улучшенных форм изделий. Которые легче своих аналогов на 20-30%.

Генеративный дизайн продолжает интеграцию в спектр программ САПР

Технология была открыта еще в начале 1990-х годов. Первые результаты – простые художественные работы и анимации. Но с начала 2015 года происходит активное внедрение ГД в программные комплексы САПР, делая доступными технологию для каждого дизайнера. Чем обусловлен такой всплеск спроса? Все дела в росте вычислительных мощностей компьютеров и расширению облачных вычислений. Именно благодаря интернет-сервисам для обработки и хранения информации происходит ускоренное внедрение генеративного дизайна.

Сейчас технология доступна на платформах NodeBox, Element и Generate. Также сама компания Autodesk ведет коммерческую работу по запуску собственного инструмента генерации под названием «Dreamcatcher». Его планируется внедрить в программы 3D-дизайна по типу Fusion 360 и Inventor.

Планируется, что Dreamcatcher сможет обрабатывать огромный массив параметров, опережая все существующие программы генеративного дизайна. База программы уже адаптирована для работы с интерьерами и проектированием целых зданий. Но разработчики хотят добиться большего. В задачи ставятся возможности расчета и планировки целых этажей, естественного освещения и даже циркуляции воздуха. И все это на основе простых параметров пользователей. Дизайнеры задают общую концепцию, а программа предоставляет конченые варианты решений.

Стоит отметить, что разработчики Autodesk проводят тестирования Dreamcatcher с помощью реально существующих офисов в Торонто.

Помимо продукта от Autodesk появятся еще и другие. Часть программ САПР с генеративным дизайном уже находятся в открытом доступе и еще 5-6 – находятся в стадии разработке. Но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что за технологией – будущее дизайна.

Совместно с инструментами 3D-печати у дизайнеров появится возможность создавать более сложный и одновременно легкий мир. Без глубокого вмешательства. Только управляя исходными данными и получая результат, приближенный к идеальному состоянию.

• Оптимизация топологии: как использовать алгоритмы для создания упрощенного дизайна
• На что способны 3d принтеры
• 34 определение понятия что такое дизайн
• Революционный инструмент для проектирования зданий в виртуальной реальности