Mi a generatív tervezés, mi nem, és miért ez a gépipar jövője

Egy új, generatív tervezésnek nevezett folyamat teljesen átformálja azokat a módszereket, amelyekkel a hétköznapi tárgyak készülnek, a székektől kezdve az autókon át a szerszámgépekig.

A generatív tervezés mesterséges intelligenciára (AI – Artificial Intelligence) épülő szoftverekkel és a felhő számítógépes teljesítményének kiaknázásával teszi lehetővé, hogy a mérnökök több ezer tervváltozatot hozzanak létre egy tervezési probléma meghatározásával, az alapvető paraméterek, például a magasság, a terhelés, a szilárdság és az anyag és gyártási módszer változatok megadásával.

A világ előretekintő vállalatai közül néhány – többek között az Airbus, az Under Armour és a Stanley Black & Decker – a generatív tervezés segítségével oldja meg a mérnöki kihívásokat és kínál olyan tervezési megoldásokat, amelyekre az emberi elme önmagától nem talált volna rá. A generatív tervezésnek hála a mérnökök munkáját többé nem korlátozzák saját elképzeléseik vagy korábbi tapasztalataik. Helyette egy olyan technológiával dolgozhatnak, amely lehetővé teszi, hogy kevesebb befektetéssel, közös munkával többet és jobbat hozhassanak létre: kevesebb idő alatt és kevesebb káros környezeti hatással több új ötlettel és termékkel állhatnak elő, amelyek ráadásul a felhasználók igényeinek is jobban megfelelnek.

Az új technológiák bevezetésekor szinte megkerülhetetlen jelenség, hogy felmerülnek félreértések és kérdések azzal kapcsolatban, hogy mit is takar pontosan az adott technológia.

Tehát mi is a generatív tervezés?

A generatív tervezés a gépi tanulás segítségével utánozza a természetre jellemző evolúciós megközelítést a tervezési folyamatok során. A tervező vagy mérnök megadja a generatív tervezőszoftvernek a tervezési paramétereket (például az anyagokat, méretet, súlyt, szilárdságot, gyártási módszereket és költségkényszereket), a szoftver pedig gyorsan kidolgozza az összes lehetséges megoldási kombinációt, és több száz vagy akár több ezer tervváltozattal áll elő. Ezután a tervező vagy mérnök kiszűri és kiválasztja az adott igényeknek leginkább megfelelő változatokat.

Képzelje el, hogy ahelyett, hogy eddigi ismeretei vagy a fejében megfogalmazódott ötletek alapján készítene egy „rajzot” vagy CAD-tervet, elmondhatná a számítógépnek, hogy mit szeretne elérni vagy milyen problémát próbál megoldani. Előfordulhat például, hogy egy széket szeretne tervezni. Ahelyett, hogy rajzolna két vagy három változatot (vagy akár 10-et, ha nagyon kreatív), betáplálhatná a számítógépbe, hogy egy olyan széket szeretne, amelynek X a teherbírása, X összegbe kerül és X anyagból készül. Ezután a számítógép több száz, ha nem több ezer ténylegesen és könnyen legyártható tervváltozatot kínál, amelyek mind megfelelnek a megadott feltételeknek, és amelyek között nagy valószínűséggel olyanok is lesznek, amelyekre Ön magától nem gondolt volna. Erre képes a generatív tervezés.

Egy szék generatív tervezési módszerrel készült, terhelésre, tömegre és költségekre vonatkozó követelményeket figyelembe vevő választási lehetőségeinek halmaza. A kép az Autodesk tulajdona.

A generatív tervezési módszerrel készült szék. A kép az Autodesk tulajdona.

Mit NEM takar a generatív tervezés?

A generatív tervezés egy olyan szoftver, amely támogatja a mérnök munkáját, és felhőalapú számítások és gépi tanulási módszerek segítségével új megoldásokat dolgoz ki. Kibővíti a mérnök vagy tervező által ismert, az adott tervezési kihívásra választ kínáló megoldások körét.

Ezzel szemben több, generatív tervezésnek feltüntetett technológia – a topológiaoptimalizálás, rácsoptimalizálás, parametrikus elemek és hasonlók – a már létező terv javítására összpontosítanak, nem pedig új tervváltozatok létrehozására, mint ahogy az a generatív tervezés esetében történik.

A félreértés oka, hogy a generatív tervezés során megadott paraméterek hasonlítanak az optimalizálási eszközökbe betáplált paraméterekhez. Azonban a generatív tervezés több kivitelezhető (nagy teljesítményű, mégis költséghatékony) tervet vagy megoldást eredményez ahelyett, hogy egy ismert megoldást optimalizálna.

Amellett, hogy a generatív tervezés teljesen új megoldásokat hoz létre, abban is eltér a többi technológiától, hogy számításba veszi a gyárthatósági szempontokat. Így jelentősen lerövidíti a termékek tesztelésének folyamatát, és nem kell újra és újra visszatérni a tervasztalhoz. A hagyományos optimalizálás egy már ismert megoldás finomítására összpontosít, és gyakran a felesleges anyagok eltávolításával jár, tekintet nélkül az elkészítés vagy felhasználás módjaira.  Emiatt végül további modellezésre, hagyományos szimulációra és tesztelésre van szükség.

A generatív tervezésnél a szimuláció integrálva van a tervezési folyamatba. A munka kezdetén megadhat különböző gyártási módszereket, például az additív gyártást, CNC-t, öntést stb., a szoftver pedig csak olyan terveket dolgoz ki, amelyek legyárthatók az Ön által megadott gyártási módszerekkel. Azt is megteheti, hogy a szoftverrel többféle gyártási módszernek megfelelő terveket is kidolgoztat.

Felül: az újraértelmezett 2013-as GE jet engine bracket challenge (GE sugárhajtómű-csapágy kihívása) előre kialakított csapágyterve a hagyományos topológiaoptimalizálás segítségével. Mivel a gyártási folyamat szempontjait nem vették figyelembe, a tervet később manuálisan újra kellett modellezni egy CAD-szoftverben.

Alul: az Autodesk generatív tervező-szoftvere csatlakozási pontokat, szilárdsági követelményeket, súlyt, anyagokat és gyártási módszereket alkalmaz kényszerként ahhoz, hogy több geometriai megoldást kínáljon a csapágyra. Nem használ előre kialakított elemeket kiindulópontként. Ebben az esetben a generatív tervezés 30 tervváltozatot hozott létre, míg a topológiaoptimalizálás csak egyet. A kép az Autodesk tulajdona.

A generatív tervezés egy másik, gyakran figyelmen kívül hagyott előnye az alkatrészek összevonása. Mivel a generatív tervezés az emberi elme számára felfoghatatlan mérnöki komplexitás kezelésére képes – és mivel az additív gyártás lehetővé teszi a generatív algoritmusok által létrehozott összetett elemek gyártását –, létrehozhatók olyan alkatrészek, amelyek 2, 3, 5, 10, 20 vagy akár több különálló, összeszerelendő alkatrészt helyettesíthetnek. Az alkatrészek egyesítése egyszerűsíti a beszállítói láncokat és a karbantartást, valamint csökkentheti a karbantartás összköltségét.

Dinamikusan fejlődő, fiatalos csapatunkba keressük új munkatársunkat gépészeti területre!
Dinamikusan fejlődő, fiatalos csapatunkba keressük új munkatársunkat gépészeti területre!

A generatív tervezés több ezer kivitelezhető megoldási tervet és integrált szimulációt derít fel, figyelembe veszi a gyárthatóság szempontjait, és képes az alkatrészek egyesítésére, így a hatása messzebbre ér, és nem pusztán a tervezés hagyományos elképzelését alakítja át. Valójában az egész gyártási folyamatra kihat. Akár azt is mondhatnánk, hogy a „generatív gyártás” sok szempontból találóbb kifejezés lenne.

Mivel a generatív tervezés hatása a teljes gyártási folyamat során érezhető, a gyakorlati előnyöket tekintve nagy előrelépést jelent. A használatával jelentősen csökkenthetők a költségek, a kifejlesztésre fordított idő, az anyagfelhasználás és a termékek súlya.

Hogyan használják a vállalatok a generatív tervezést?

A repülőgépgyártó Airbus az A320 repülőgépek belső válaszfalának újragondolásához használta a generatív tervezést, és végül egy olyan részletesen kidolgozott tervet alkotott, amely egy összességében 45 százalékkal (30 kg-mal) könnyebb alkatrészt eredményezett. Ez a súlycsökkenés az üzemanyag-fogyasztás jelentős mértékű csökkenését és több százezer tonnával kevesebb kibocsátott szén-dioxidot fog eredményezni, amikor a gyártó majd az egész repülőgépflottán bevezeti az új válaszfalat. Ez egyenértékű azzal, mintha egy évre 96 000 személygépjárművet kivonnánk a forgalomból.

Néhány az Airbus „bionikus válaszfalának” több ezer tervváltozata közül. A kép az Airbus tulajdona.

A generatív tervezés azonban nem korlátozódik a termékfejlesztésre – nagyobb léptékű projektek, esetén is alkalmazható.

A közeljövőben már a mindennapi használati tárgyainkat és járműveinket is generatív tervezéssel fogják létrehozni, és mindennapi munkakörnyezetünk kialakításához is ezt a technológiát fogják segítségül hívni. Elképzelhető, hogy a termékek újszerű formát öltenek vagy egyedi anyagokból készülnek majd, elvégre a számítógépek a mérnökökben korábban fel sem merülő megoldások kidolgozását is lehetővé teszik.

Az AI lassan minden munkafolyamat részévé, a generatív tervezés pedig a terméktervezés normájává válik. Izgalmas lesz látni, mi mindent érhetünk el, ha rövidebb idő alatt, kevesebb anyagpazarlással, kevesebb üzemanyag-pazarlással és a bolygóra gyakorolt kisebb káros hatással tudunk létrehozni egyre több és a felhasználói igényeknek jobban megfelelő megoldásokat és termékeket az erősödő globális középosztály igényeinek kielégítésére.

Forrás: Autodesk és VARINEX / Techmonitor online

Kapcsolattartó:

Sebők Róbert
CAD üzletág igazgató
+36 1 273 3413
+36 30 977 1824
sebok@varinex.hu