Ukratko

Generativni dizajn je pristup u kome inženjer ne crta deo, već zadaje uslove, a softver sam pronalazi oblik. Zadaju se prostor koji deo sme da zauzme, oslonci, opterećenja, materijal i proizvodni proces. Softver zatim kroz proračun uklanja materijal koji ne nosi opterećenje i nudi više varijanti.

Topološka optimizacija je stariji pojam, a generativni dizajn noviji. Razlika je nekada postojala, ali su savremeni alati za generativni dizajn izgrađeni na algoritmima topološke optimizacije. Zato ih u praksi tretiram kao jedno.

Ima najviše smisla kod delova gde je masa kritična i gde je opterećenje jasno definisano, tipično u aerospace i automobilskoj industriji. Nema smisla kod delova čiji oblik diktira funkcija koja nema veze sa nosivošću, ili kada je izrada organske geometrije skuplja od uštede u masi.

Zašto postoje dva termina za istu stvar

Topološka optimizacija postoji kao pojam mnogo duže od generativnog dizajna. Kao temelj savremene oblasti obično se navodi rad Bendsøea i Kikuchija iz 1988. godine. Generativni dizajn kao tržišni pojam postaje vidljiv tek sredinom prošle decenije, kada su ga proizvođači softvera počeli da nude kao zaseban alat.

Razlika je nekada stvarno postojala. Topološka optimizacija je počinjala od već postojeće, zadate geometrije i unutar nje tražila gde se materijal može ukloniti. Generativni dizajn je kretao od nule, isključivo od uslova i granica prostora, i davao više rešenja umesto jednog.

U praksi se ta razlika danas gotovo izgubila. Alati koji se prodaju kao generativni dizajn u sebi koriste algoritme topološke optimizacije kao osnovni matematički mehanizam, samo proširene dodatnim ulaznim parametrima. Po meni je topološka optimizacija zapravo konvergirala u generativni dizajn. Zato u ovom tekstu ta dva termina koristim kao jedno.

Topološka optimizacija, klasično Generativni dizajn, klasično
Polazna tačka Postojeća geometrija Samo uslovi i granice prostora
Broj rešenja Jedno optimalno rešenje Niz varijanti sa različitim kompromisima
Proizvodni proces Često se razmatrao naknadno Zadaje se kao ulazni parametar
Matematička osnova Algoritmi topološke optimizacije Isti algoritmi, prošireni dodatnim parametrima
Danas u praksi Praktično isto Praktično isto

Šta softver zapravo radi

Generativni dizajn ne počinje od crteža, već od uslova. Inženjer definiše:

  • prostor koji deo sme da zauzima,
  • tačke gde se deo oslanja ili pričvršćuje,
  • opterećenja koja deluju na njega,
  • mehanička svojstva materijala,
  • proizvodni proces kojim će deo biti izrađen.

Softver zatim koristi metodu konačnih elemenata, poznatu kao FEM. To je proračun koji deo deli na veliki broj malih elemenata i računa napon u svakom od njih. Na osnovu toga softver iterativno uklanja materijal sa mesta koja ne doprinose nosivosti. Postupak se ponavlja dok ne ostane geometrija koja izdržava zadato opterećenje sa minimalnom masom, u okviru mogućnosti izabranog procesa.

Rezultat nije jedno rešenje, već obično čitav niz varijanti. Svaka predstavlja drugačiji kompromis između mase, krutosti i proizvodivosti. Inženjer zatim izdvoji nekoliko dizajna koji imaju najviše smisla za tim. Uz aditivnu proizvodnju može brzo da napravi svaki od njih kao fizički prototip i da ih testira, umesto da bira samo na osnovu simulacije.

Tok rada u generativnom dizajnu, od zadavanja uslova do provere gotovog dela

Zašto rezultat izgleda neobično

Inženjeru naviknutom na klasične profile, cevi i rebra, prvi susret sa generativnim dizajnom često deluje čudno. Geometrija po pravilu liči na kost ili vinovu lozu, bez ijedne prave linije i bez konstantnog poprečnog preseka.

To nije mana, naprotiv. Ta sličnost sa organskim oblicima je potvrda da je oblik dobar. Kost i vinova loza su među najboljim primerima iz prirode u pogledu odnosa mase i nosivosti. Kada softver samostalno dođe do sličnog oblika, to je znak da je rešenje strukturno efikasno, a ne da je nešto pošlo po zlu.

Zbog toga se ovakva geometrija ne može projektovati ručno u razumnom vremenu. Ne iscrtava se lako ni klasičnim CAD alatima zasnovanim na ekstrudovanju, revolving operacijama i buleanskim operacijama.

Veza sa aditivnom proizvodnjom

Generativni dizajn se gotovo uvek vezuje za aditivnu proizvodnju. Razlog je jednostavan, aditivna proizvodnja je jedini proces koji potpuno slobodnu, organsku geometriju može da napravi bez kompromisa.

Treba ipak reći da današnji alati mogu da zadaju i druge procese, na primer glodanje na 2,5, 3 ili 5 osa, livenje ili sečenje. Softver tada ograničava oblik tako da alat može da mu pristupi ili da se deo izvuče iz kalupa. Rezultat je lakši deo, ali mnogo manje organski. Puni potencijal pristupa i dalje se vidi samo kada je proces aditivni.

Savremeni alati ozbiljno uzimaju u obzir izabrani proizvodni proces već u samoj analizi. Ne pretpostavljaju generičan materijal odvojen od stvarnosti štampe, već uključuju parametre konkretne tehnologije i materijala. Lično sam radio sa više ovakvih alata, i to je danas standard, a ne izuzetak.

Kod pojedinih rešenja moguće je čak integrisati potreban suport u sam oblik dela. Softver tada ograničava ugao overhenga tako da deo nosi sam sebe, ili projektuje suport kao sastavni deo geometrije. Tako otpada naknadno uklanjanje suporta i deo naknadne obrade.

Kada je deo odštampan, geometriju najčešće treba proveriti 3D skeniranjem. Klasična taktilna merna oprema meri pojedinačne tačke i teško opisuje ovakve organske površine. O tome sam detaljnije pisao u tekstu o reverznom inženjeringu i 3D skeniranju. Koje vrste softvera pokrivaju ove korake opisao sam u tekstu o softverima koji prave razliku u aditivnoj proizvodnji.

Dva poznata primera

Airbus je 2015. godine, zajedno sa partnerima, predstavio pregradu kabine za A320 projektovanu generativnim dizajnom i odštampanu od legure aluminijuma, magnezijuma i skandijuma. Prema objavi, pregrada je bila 45 procenata lakša od postojeće, oko 30 kg manje.

General Motors je 2018. godine pokazao nosač sedišta u kome je osam delova spojeno u jedan. Novi deo je bio 40 procenata lakši i 20 procenata čvršći. Bio je to demonstracioni deo, ne serijska proizvodnja, ali dobro pokazuje kako se generativni dizajn prirodno spaja sa konsolidacijom sklopova.

Kada generativni dizajn ima smisla, a kada ne

Generativni dizajn ima najviše smisla kod delova gde je masa kritična i gde postoji jasno definisano opterećenje. Tipični primeri su aerospace i automobilska industrija.

Nema smisla ga primenjivati na delove gde je geometrija već diktirana funkcijom koja nema veze sa nosivošću, na primer kućišta koja prvenstveno štite elektroniku. Nema smisla ni kada je cena izrade organske geometrije veća od uštede u masi koju ona donosi.

Ima smisla Nema smisla
Masa je kritična Masa nije bitna za funkciju
Opterećenje je jasno definisano Opterećenje je nepoznato ili zanemarljivo
Deo se izrađuje aditivno Oblik diktira funkcija, na primer kućište elektronike
Ušteda u masi se vraća kroz eksploataciju Izrada organske geometrije košta više od uštede

Ako niste sigurni da li vaš deo spada u prvu ili drugu kolonu, besplatan SLM DfAM Checker može da posluži kao prva provera za metalnu štampu. Za konkretnu procenu na nivou proizvodnje tu je analiza proizvodnje.

Česta pitanja

Da li su generativni dizajn i topološka optimizacija ista stvar? U praksi danas gotovo jesu. Alati za generativni dizajn koriste algoritme topološke optimizacije kao osnovni mehanizam, samo sa više ulaznih parametara i više ponuđenih varijanti.

Šta inženjer mora da zada pre pokretanja generativnog dizajna? Prostor koji deo sme da zauzme, oslonce ili tačke pričvršćenja, opterećenja, mehanička svojstva materijala i proizvodni proces. Bez jasno definisanih opterećenja rezultat nema pravu vrednost.

Zašto delovi iz generativnog dizajna liče na kosti? Zato što softver ostavlja materijal samo tamo gde nosi opterećenje. Kost i vinova loza su u prirodi nastale po sličnom principu, pa sličan oblik pokazuje da je rešenje strukturno efikasno.

Da li se generativni dizajn može koristiti i za glodanje ili livenje? Može. Savremeni alati podržavaju glodanje, livenje i sečenje kao zadate procese. Tada je oblik ograničen i manje organski, pa je ušteda u masi po pravilu manja nego kod aditivne proizvodnje.

Kako se kontroliše deo dobijen generativnim dizajnom? Najčešće 3D skeniranjem, jer taktilna merna oprema teško opisuje slobodne organske površine. Skenirani oblik se poredi sa CAD modelom i tako se vide odstupanja.

Za koje delove generativni dizajn nema smisla? Za delove čiji oblik diktira funkcija koja nema veze sa nosivošću, kao što su kućišta elektronike, i za delove gde izrada organske geometrije košta više od uštede u masi.

Izvori