Az additív gyártási eljárások elterjedésével sokkal bonyolultabb alakzatú, de adott funkciók ellátására optimálisabb alkatrészek tervezésére van szüksége az iparnak. Ezen darabok tervezése a hagyományos tervezési módszerekkel és szoftverekkel igen nehezen megvalósítható. Ilyen alkatrészek tervezésében segítenek a Generative Design megoldások. Cikkünkben megnézzük kik a legnagyobb fejlesztők, milyen megoldást kínálnak és milyen események történtek az elmúlt időben ebben a szegmensben.
Az additív gyártási eljárások elterjedésével kézenfekvően adódik az olyan alakú és/vagy geometria alakzatokat tartalmazó (gép)elemek, alkatrészek használata, mely az adott elem funkcionális szerepét optimálisabban látja el, mintha az hagyományos (legtöbbször prizmatikus) formákat tartalmazna. Az optimalizáció legtöbbször az azonos (vagy jobb!) fizikai tulajdonságok elérése kisebb súly/térfogat mellett. Ezen kritériumok teljesítése legtöbbször csak olyan formák segítségével lehetséges, melyek 3D-s tervezése nem könnyű feladat.
A feladat nehézsége abból adódik, hogy a tervező mérnökök korábbi tanulmányaik során, illetve munkájuk során olyan technikákat alkalmaztak és sajátítottak el a felhasznált szoftverekben, melyekkel a „hagyományos” gyártási folyamatokkal előállítható darabok kritériumainak feleltek meg. Ezért a hosszú évek során elsajátított technikák és módszerek nem igazán alkalmazhatóak hatékonyan az additív gyártással előállítható, optimalizált formák megtervezéséhez. A másik nehézséget éppen az alkalmazott szoftverek „okozzák”, melyek az előbbiekben leírt, hagyományos gyártáshoz igazított termékek tervezéséhez tartalmaznak eszközöket, és az összes programon belüli felhasználási optimalizáció az ilyen tervezési módszerekhez lett kialakítva. Ez a kettősség igencsak megnehezíti a tervezők munkáját, ha additív technológiához igazított, optimalizált darabot szeretnének tervezni. Ha pedig ezt még rövid időn belül is meg kéne valósítani, akkor szinte megvalósíthatatlan problémával szembesülnek.
Ezen feladatok megvalósítására születtek a Generative Design szoftverek.
Mi fán terem a Generative Design?
Ha definiálnunk kéne a Generative Design fogalmát, akkor legjobban a folyamatirányú megközelítéssel tehetjük meg: A „Generatív Tervezés” egy olyan tervezési folyamat, amelyben az alkatrész megadott peremfeltételekre optimalizált formáját egy algoritmus állítja elő. Tehát maga a „forma tervezése” nem manuális tervezési feladat. A tervező az alkatrész funkcionális peremfeltételeit definiálja, adja meg a szoftvernek, mely legtöbbször iterációs eljárásokkal számítja ki a meghatározott szempontok szerint optimalizált alkatrész formáját.
A peremfeltételek általában 2 csoportba sorolhatók:
- Geometriai: A számításhoz szükség van egy kiindulási geometriára, melyet hagyományos 3D-s tervezéssel kell előállítani (Importált 3D modell). A másik lehetőség, hogy definiálni kell azokat a „térfogatokat”, melyekben nem lehet anyag, mert ott például valamilyen más alkatrész mozog.
- Terhelési: Ez teljesen hasonló a hagyományos FEM rendszereknél alkalmazott megoldáshoz: meg kell adni a darab mely területére milyen erőhatások hatnak illetve milyen kényszerek érik. Ha nincsen kiindulási darab, akkor olyan „térfogatokon” kell megadni, melyek a kész alkatrész részei kell legyenek.
Generative Design kiindulási forma megadásával.
Generative Design felhasználandó és elkerülendő térfogatok megadásával.
A „nem teljesen” Generative Design optimalizációs módszerek
Fontos megjegyeznünk két olyan optimalizációs módszert, melyek nem igazán tartoznak a Generative Design kategóriájába, azonban alkalmazásukkal mégis jelentős optimalizációk érhetők el az additív gyártáshoz tervezett modelleken.
- Forma optimalizáció – Shape Optimization
Ez a módszer nagyon hasonlít a Generative Design azon megoldásához, amikor egy hagyományos 3D-s tervező rendszerben megtervezzük az alkatrészünket, majd a peremfeltételek megadásával egy FEM analízist végzünk el rajta. A tervezőrendszerünk ezután gyakorlatilag egy olyan háromszögmodellt készít nekünk, mely a kiindulási modellünk azon térfogatát tartalmazza, ahol a feszültségszint egy bizonyos értéknél nagyobb. (Tehát a tehervivő térfogatot kapjuk meg.) Ezután két lehetőségünk van:
A tervező rendszer által optimalizált formát felhasználjuk (legtöbbször háromszögmodell) vagy a modellünket hagyományos modellezési technikákkal úgy „faragjuk”, hogy a legjobban közelítsük meg az optimális térfogatot, illetve az alkatrész a választott gyártási követelményeknek megfeleljen. (Alámetszések elkerülése, osztás kialakítása fröccsöntéshez, kibontások csak néhány irányból maráshoz.)
A módszer abban különbözik az „igazi” generatív megoldásoktól, hogy a végeredmény álltalában egy megoldás (csak a terhelés alapján történik az optimalizáció), míg a Generative Design esetében más szempontok (gyárthatóság, költség, stb.) is bevonhatók az optimalizációs folyamatba. Így a generálás során tulajdonképpen több megoldás születik, melyek közül különböző szempontok „erősségétől” függően más-más megoldást választhatunk ki.
Forma optimalizáció (Shape Optimization)
- Rács struktúrák – Lattice Structure
Egy másik fontos optimalizációs lehetőség, mikor az alkatrészünk „tömör” térfogatait „rácsos-szerkezettel” helyettesítjük, csökkentve ezzel annak tömegét, de megőrizve a szükséges szilárdságot. Legtöbbször ezek a struktúrák állandó rácsszerkezetűek és az alkatrész szükséges külső felületeiből alkotott héjon belül helyezkednek el. Megoldható a rácsszerkezet utólagos módosítása is a terhelésektől függően. Az így kialakított alkatrészek viszont már csak kizárólag additív gyártással készíthetők, ezért gyakran az illeszkedő felületeket forgácsolással kell pontosra készíteni (Hibrid gyártás).
A rács-struktúrák egy másik készítési lehetősége, mikor nem egyenletes rácsot készítünk, hanem a rács alakja/eloszlása/vastagsága az adott zóna terhelésétől függ.
Ezzel kapcsolatban olvassa el egy korábbi cikkünket az Adidas FutureCraft 4D-ről.
Rács struktúra – Lattice Structure
Kik a legnagyobb fejlesztők? (+ egy kis történelem)
A Generative Design megoldások két (talán) legnagyobb fejlesztője egyazon projekt fejlesztéséből fejlődött ki melyet az Airbus-nál az Autodesk végzett (*Frustum Generate leírása és történelme). Az itt dolgozó fő fejlesztőmérnök – Jesse Blankenship – hagyta ott és alapította meg a Frustum nevű céget. A TrueSOLID néven futó generatív-motor a Frustum terméke, mely elérhető több tervező szoftverben is (lásd később).
A másik nagy fejlesztő az Autodesk, ahol a (szintén az Airbusnak végzett munkákhoz használt) Dreamcatcher projektből nőte ki magát a Generative Design-nak elnevezett termék, mely szintén elérhető szoftver (lásd később).
Mely szoftverekben érhető el Generatív Tervezés?
A Generative Design megoldások a „felhő szolgáltatás” felé kacsingatnak, vagy már most is csak ott érhetők el. A fejlesztők magyarázata erre legtöbbször a számításhoz szükséges nagy számítási kapacitás, melyet egy skálázott szerveren a legkönnyebb megoldani. (Ellent mond ennek a SolidEdge és NX alatt futó Frustum.) A főbb indok (véleményünk szerint) inkább az lehet, hogy egy „felhőben futó” algoritmust nem lehet „ellopni”, így a kredit jellegű konstrukciókból származó bevétel sokkal biztosabb.
Generative Design – Autodesk
Az Autodesk terméke jelenleg a Fusion 360-ban érhető el, de csak a „fizetős” verzióban. (A hobbista/diák verzióban nem.) Fontos megjegyezni, hogy a használathoz Cloud Creditek szükségesek, így nem elegendő a Fusion 360 bérlése, minden generálásért és modell-letöltésért fizetni kell.
Autodesk Generative Design
Frustum – PTC (!)
A Frustum megoldása jelenleg a Solid Edge és az NX tervezőrendszerekben érhető el, offline módon, tehát a generálás a felhasználó gépén történik. A Generate névre keresztelt termékkel kapcsolatban viszont új helyen kell kopogtatni: 2018 végén a Frustum céget felvásárolta a PTC, aki minden bizonnyal a Creo tervezési tárházát szeretné erősíteni a TrueSOLID motorral. Így a jövőben lehet változások fognak történni a Frustum megoldásának elérhetősége terén!
Frustum Geenrate
SzerzőKollár József
Források:
Frustum Generate leírása és történelme: https://www.engineering.com/3DPrinting/3DPrintingArticles/ArticleID/13803/Topology-Optimization-for-3D-Printing-Hits-the-Cloud-with-Generate.aspx
Frustum Generate: https://www.frustum.com/product
Autodesk Generative Design: https://www.autodesk.com/solutions/generative-design/manufacturing
Frustum PTC felvásárlás: https://www.ptc.com/en/about/history/frustum