Wie beeinflusst generatives Design die additive Fertigung?

Generatives Design is ein iiterativer Entwurfsprozess, der mehrere Entwurfsergebnisse erzeugt, bei denen vordefinierte Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Dieser Prozess wird in verschiedenen Bereichen wie Kunst, Architektur und Produktdesign eingesetzt, um Sounds, Bilder oder auch CAD-Modelle zu erzeugen. Einer der Hauptvorteile des generativen Designs besteht darin, dass es eine schnelle Methode zur Ausschöpfung der Designmöglichkeiten ist. Beispielsweise ermöglicht diese Designtechnik die Bewertung vieler Hunderte, wenn nicht gar Tausender möglichen Lösungen innerhalb eines relativ kurzen Zeitrahmens.

In der Welt der additiven Fertigung wird diese Konstruktionsmethode zur Optimierung von Teilen eingesetzt. Der Prozess des generativen Designs beginnt innerhalb einer Software, die CAD-fähige Optionen auf der Grundlage von realen Randbedingungen und Leistungsanforderungen erzeugen kann. Durch die Definition dieser Nebenbedingungen und Anforderungen können Ingenieure zum Beispiel ein leichteres Endgewicht, Leistungsverbesserungen oder eine Steigerung der Nachhaltigkeit erreichen. Generatives Design verändert den Designprozess, da Ingenieure Herausforderungen lösen und Designs entwickeln können, die sie alleine nicht in der kürze der Zeit  konzipieren können.

Ingenieure können per generativem Design eine leichte Gewichtung, Leistungsverbesserungen, Teilkonsolidierung oder Nachhaltigkeit erzielen (Bildnachweis: Autodesk)

Heutzutage gibt es auf dem Markt mehrere Lösungen, die auf die Anforderungen verschiedener Sektoren ausgerichtet sind. Peter Rogers, APAC Additive Manufacturing Product Specialist bei Autodesk, erläutert den Prozess des generativen Designs für die additive Fertigung im Detail: „Es ist keine Ausgangsgeometrie erforderlich. Die Benutzer geben die Bereiche ein, die das Teil behalten muss (die erhaltenen Bereiche), die Bereiche, in die das Material nicht eindringen darf (die Sperrflächen) und dann die Leistungsanforderungen (eingeschränkte Bereiche, Kräfte und Belastungen auf das Bauteil). Von dort aus können Sie mehrere Materialien, auf die Sie Zugriff haben, und Fertigungskriterien (wie z.B. Mindestwandstärke und Stützwinkelkriterien für die Additive, Bohrergröße für CNC usw.) eingeben. Sie geben einige grundlegende Anleitungen in Bezug auf die Ziele ein, und das Tool verwendet die fortschrittlichen Entwurfsalgorithmen von Autodesk parallel zur Simulationstechnologie, um validierte, kostengeschätzte, herstellbare Geometrielösungen für das definierte Entwurfsproblem zu erstellen.“

Was sind die Vorteile von generativem Design?

Um Entwurfsmöglichkeiten entsprechend der speziellen Anforderungen zu erforschen, stützt sich generative Entwurfssoftware auf künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, um den evolutionären Ansatz der Natur beim Entwurf nachzuahmen. Mit anderen Worten: Die Software erforscht alle möglichen Kombinationen, um alle möglichen Lösungen zu finden. Einige verwechseln vielleicht immer noch andere Entwurfstechniken, wie z.B. Topologie-Optimierung mit generativem Design. Tod W. Parrella, NX-Produktmanagement bei Siemens Digital Industries Software, erklärt den Unterschied: „Die Topologie-Optimierung optimiert die Form des Produkts, um Systemanforderungen wie Festigkeit, Gewicht, Kühlung oder Strömung zu erfüllen. Generative Engineering erforscht den Designraum von Optionen und Möglichkeiten auf einer höheren Ebene und in einem breiteren Maßstab und bewertet multidisziplinäre Anforderungen mit der Fähigkeit, gegen mehrere Ziele zu lösen.“ Anstatt ein einziges Konstruktionsergebnis mit Topologieoptimierung zu bewerten, können Ingenieure daher eine Vielzahl von Konstruktionsergebnissen mit generativem Design vergleichen und berücksichtigen.

Die Möglichkeiten, die der generative Entwurf den Unternehmen bieten kann, sind enorm. Zum Beispiel bedient Siemens 8 Kernindustrien auf dem Markt, um die Produktleistung zu verbessern. Wie bereits erwähnt, können einige der Anforderungen Gewicht, Struktur, Montage, aber auch Herstellungskosten berücksichtigen. Parrella erläutert einige der Vorteile in realen Anwendungen: „Produktleichtbau bringt der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie der Energieindustrie höhere Leistung und größere Kraftstoffeffizienz. Medizinische Implantate mit poröser Struktur verbessern die Haftung des Knochenwachstums und verbessern die Ergebnisse für den Patienten. Reduzierte Montagekomplexität bringt erhebliche Einsparungen bei der Herstellung durch geringere Werkzeug- und Montagekosten. Massenoptimierung verbessert die Leistung von schweren Geräten. Und ein erhöhter Luftmassenstrom bringt eine verbesserte Kühlleistung für die Luft- und Raumfahrt und die Unterhaltungselektronikindustrie“

Generatives Design kann das Gewicht eines Teils reduzieren und zugleich dessen Belastbarkeit gewährleisten

Wie passen generatives Design und 3D-Druck zusammen?

Wie Sie vielleicht wissen, gehört das generative Design zur Familie der Design for Additive Manufacturing (DfAM)-Techniken. Da die additive Fertigung eine neue Ebene der Designfreiheit ermöglicht, ist es sinnvoll, sie für komplexe Modelle einzusetzen, die eine flexiblere Fertigungsmethode erfordern. Allerdings ist Additive Manufacturing nicht immer die Technologie, die Sie mit generativem Engineering einsetzen möchten. Rogers erklärt dies ausführlicher: „Viele Teile werden per 3D-Druck hergestellt, die mit traditionellen Fertigungsmethoden effektiver hergestellt werden könnten. Mit dem richtigen Design könnten traditionell gefertigte Teile jedoch viel effektiver hergestellt werden, wodurch die Leistung der Teile erhöht und der Abfall durch den Einsatz der additiven Fertigung reduziert werden könnte. Es geht überhaupt nicht darum, alle Designs auf additive Fertigung zu drängen, sondern sicherzustellen, dass das richtige Design in die richtige Fertigungstechnologie einfließt, um das wünschenswerteste Ergebnis zu erzielen.“

Dennoch kann die Designfreiheit, die durch additive Fertigungstechnologien ermöglicht wird, sehr vorteilhaft sein, um die Möglichkeiten des generativen Designs zu nutzen. So ist es beispielsweise möglich, Lösungen für die strukturelle, thermische und strömungstechnische Optimierung zu finden, aber auch für die ingenieurmäßige Optimierung der Teileausrichtung, z.B. zur Minimierung der Oberfläche, des Stützvolumens, der Überhitzung oder der Druckzeit. Letztendlich „hängt die Fertigungstauglichkeit von vielen Variablen wie Materialien, Fertigungsvolumen und Zielproduktionskosten ab„, erklärt Parrella. Die Hauptvorteile erklärt Parrella folgendermaßen: „Möglichkeiten, die Komplexität der Produktmontage durch die Konsolidierung von Teilen deutlich zu reduzieren, größere Möglichkeiten, personalisierte und maßgeschneiderte Produkte auf den Markt zu bringen, und eine erheblich größere Fertigungsflexibilität.“

Bildnachweis: Siemens

Die Entwicklung des generativen Designs korreliert direkt mit der Rechenleistung und den jüngsten Fortschritten bei den Rechenalgorithmen, einschließlich der Fortschritte bei der künstlichen Intelligenz. Gleichzeitig sind die 3D-Drucktechnologien reifer geworden und gehen nun in großem Maßstab in die Produktion. Angesichts dieser Entwicklungen, kommentiert Peter Rogers: „Bei der additiven Fertigung stellen wir fest, dass geringes Gewicht allein meist nicht ausreicht. Um den Einsatz der additiven Fertigung besser zu rechtfertigen, müssen wir auch die Leistung und Funktionalität der Teile erhöhen, und dies wird durch die Hinzufügung von auf dynamischer Simulation basierender generativer Konstruktion zur Optimierung der Strömungsraten, Optimierung der thermischen Effizienz, Schwingungsreduzierung usw. deutlich. Sobald diese Simulationsmöglichkeiten dem generativen Designprozess hinzugefügt werden, werden wir wirklich sehen, dass der Einsatz von additiven Fertigungsmethoden dessen Blütezeit erreicht.“

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