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Generatives Design rendering

Generatives Design

Das generative Design erzeugt Formen, die mit normalen Konstruktionsmethoden nicht oder nur sehr schwer nachzuahmen sind. Dabei werden dem Computer oder der Cloud lediglich Randbedingungen vorgegeben, um dem Computer die Modellerstellung zu überlassen. Ja genau, Sie lesen richtig, der Computer übernimmt die Modellerstellung. Mit diesem Beitrag möchte ich einen Blick auf das generative Design mit Autodesk Fusion 360 werfen und an einem kleinen Beispiel die Unterschiede zur Topologieoptimierung aufzeigen. 

Beispiel

Einfaches 3D-Modell als Optimierungsgrundlage für Topologieoptimierung und Generatives Design

Insbesondere in masserelevanten Anwendungen (Luft- und Raumfahrt, Automobil, Robotik) ist die Gewichtsreduktion von Bauteilen ein entscheidender Faktor zur Steigerung der Effizienz gleich in mehreren Bereichen, wodurch ein wunderbares Potential entsteht. Neben einer klassischen Materialersparnis werden die Masse und dadurch der nachgelagerte Verbrauch von Energieträgern reduziert oder durch geringere bewegte Masse die Zykluszeit bei der Produktion verkürzt. In beiden Fällen werden Kosten reduziert.

Schauen wir uns ein Beispiel aus der Robotik an. Im folgenden Bild sehen Sie eine Halterung zur Aufnahme eines elektrischen Schraubers. Solch ein Roboter könnte bei der Montage von Elektromotoren automatisiert die Schrauben mit dem benötigten Drehmoment anziehen und dadurch den Monteur entlasten. Im aktuellen Fall ist der Halter konventionell gefertigt, und zwar nicht unbedingt relevant für eine Optimierung, da er bereits ein geringes Gewicht aufweist. Allerdings ist das für unser Beispiel zweitranging, da das Prinzip auch so deutlich wird. 

Topologieoptimierung

Ergebnisse Topologieoptimierung

Ohne generatives Design würde nun eine Topologieoptimierung stattfinden, um die Masse des Bauteils zu reduzieren. Wir setzen die Randbedingungen des Sicherheitsfaktors, der festen Einspannung, der Kräfte und die gewünschte Massenreduktion. Im jetzigen Fall wird geradlinig ein Ergebnis berechnet. Im Prinzip ist das eine klassische Aufgabe zur Berechnung des Optimums des derzeitigen Bauteils. Im Ergebnis werden wir feststellen, dass wir „nur“ eine abgeänderte Form des ursprünglichen Bauteils als Flächenmodell erhalten. Eine Machbarkeit, ein Herstellungspreis oder weitere Varianten werden nicht aufgezeigt. 

Generatives Design

Ergebnisse Generatives Design

Das generative Design scheint auf den ersten Blick identisch, jedoch wird schon bei der Definition der Randbedingungen deutlich, dass neben den o. g. Kriterien offensichtlich auch die Möglichkeiten zur Fertigung der Elemente betrachtet wird. Neben den klassischen subtraktiven Verfahren werden auch additive Fertigungsverfahren berücksichtigt. Das ist einzigartig! Allein die schiere Anzahl der nun entstehenden Möglichkeiten ist für den menschlichen Verstand – zumindest für meinen – nicht mehr greifbar. Die Vielzahl der Randbedingungen spiegelt sich auch in den Ergebnissen wider. So wird nicht nur ein Ergebnis aufgezeigt, sondern gleich mehrere. Die Entscheidung, welches Ergebnis nun das geeignete ist, wird nach wie vor dem Konstrukteur überlassen. Vermutlich sind auch ästhetische Gesichtspunkte relevant. Natürlich ist es keine Vorschrift, nur noch bionisch aussehende Bauteile zu verwenden. Dies kann auch als kreative Erweiterung der eigenen Gedanken angenommen werden, um so völlig neue Designs zu entwickeln.

Topologieoptimierung vs. Generatives Design

Vergleich Topologieoptimierung

•       Startbedingung: „nur“ ein Einzelteil/Körper

•       Ergebnis der Studie: Flächenmodell

•       Beachtung zweier Kriterien (Masse und Steifigkeit)

•       „Transfer“ in Volumenmodell erfolgt manuell

•       reine „Optimierung“ und nur eine „Lösung“

Vergleich Generatives Design

•       Startbedingung: Einzelteil oder Baugruppe

•       Ergebnis der Studie: Volumenmodell

•       Beachtung von mehr als zwei Kriterien

•       Kein „Transfer“ in Volumenmodell notwendig

•       „Optimierung“ und mehrere Lösungen