Entsteht ein neues Design durch eine Person oder durch einen Prozess? Wir können uns vorstellen, dass Innovatoren eine Idee für ein Design haben und dann ihren Stift in die Hand nehmen, um ihre Idee zum Leben zu erwecken. Natürlich benutzen Designer und Ingenieure heute keine Bleistifte mehr, und sie haben vielleicht auch keine endgültige Designidee im Kopf. Stattdessen verwenden einige Designer einen Prozess, der ihnen neue Ideen liefert — eine Methode, die als generatives Design (Ref. 1) bekannt ist. Generatives Design ist ein Oberbegriff für einen regelbasierten Designprozess, der in der Regel von einer Computersoftware unterstützt wird, die Formen erzeugt, die dessen Regeln folgen. Heute geht es um die Verwendung eines gleichungsbasierten Modellierungsprozesses zur Generierung eines neuartigen Bleistifthalterdesigns auf der Grundlage benutzerdefinierter Regeln und Werte.
Bleistifte, Prozesse und der Sinn von generativem Design
Der Mensch steht im Mittelpunkt des generativen Designprozesses, und Bleistifte sind nach wie vor nützlich, wie auch schon seit dem ersten Auftreten ihres bekannten Designs im England des 16. Jahrhunderts, wo sie den Hirten halfen, einen Überblick über ihre Schafe zu behalten. Unzählige Bleistifte (und durch Bleistift ermöglichte Ideen) folgten. Es kam allerdings erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts dazu, dass Bleistifte an Radiergummis befestigt wurden!
Hey, ihr solltet euch zusammentun! Die ersten modernen Graphitstifte entstanden im 16. Jahrhundert, während Radiergummis eine Erfindung des 18. Jahrhunderts sind. Es vergingen weitere Jahrzehnte, bis Radiergummis an Bleistiften angebracht wurden.
Im Nachhinein kann man sich fragen, warum niemand früher auf die Idee gekommen ist, Bleistifte mit Radiergummis zu versehen. Ein Radiergummi scheint eine naheliegende Ergänzung zu einem Schreibwerkzeug zu sein, aber neue Ideen tauchen nicht unbedingt dann auf, wenn wir sie erwarten würden. Diese schwer zu erfassende Eigenschaft der menschlichen Kreativität ist ein Grund dafür, warum generatives Design so effizient ist: Es kann uns helfen, bessere Ideen schneller zu finden.
Generatives Design, Topologie-Optimierung und Field-Driven Design
Das Herzstück des generativen Designs ist ein regelbasierter Prozess zur Erzeugung von Formen. Die Person, die das Projekt leitet, legt die Regeln des generativen Prozesses fest, einschließlich der Werte, die das gewünschte Ergebnis beeinflussen werden. Der Prozess verwendet dann diese Werte, um Formen zu erzeugen, die seinen Regeln entsprechen. Entscheidend ist, dass der Designer nicht im Voraus formale Optionen entwirft und diese dann mithilfe des Prozesses bewertet. Stattdessen erzeugt der Prozess selbst mehrere formale Optionen. Der Benutzer kann dann abwägen, welche Optionen (die alle den benutzerdefinierten Regeln folgen) den übergeordneten Zielen des Projekts am besten nutzen.
Eine schematische Darstellung der Rolle des Designers in einem generativen Designprozess, wie sie von einem interdisziplinären Team für das Buch Generative Gestaltung erstellt wurde. Bild von Hartmut Bohnacker, lizenziert unter CC BY 3.0, via Wikimedia Commons.
Die generative Designmethodik eignet sich gut für die 3D-Modellierung und andere additive Fertigungsverfahren, mit denen Materialien in unorthodoxe, aber funktionale Formen gebracht werden können. Andere Begriffe, wie zum Beispiel Field-Driven Design und Topologie-Optimierung, werden verwendet, um verschiedene Anwendungen generativer Designmethoden auf technische Probleme zu beschreiben. Die Bereiche des Field-Driven Design können benutzerdefinierte Randbedingungen und simulierte Werte bei der Festlegung der Regeln für einen generativen Prozess umfassen. Die verschiedenen Begriffe helfen dabei, die Prioritäten eines Designers bei der Festlegung von Regeln zur Steuerung des generativen Prozesses zu beschreiben.
Ein generatives Design für eine Gyroid-Geometrie.
Die Topologie-Optimierung eines Drohnen-Designs zeigt die simulierte Verformung unter Last.
In einem Digital Engineering-Artikel erklärt Kristian Ejlebjærg Jensen von COMSOL:
“Der grundlegende Unterschied zwischen Topologie-Optimierung und generativem Design besteht darin, dass die Topologie-Optimierung durch die Physik des Problems bestimmt wird, während das generative Design direkter durch die Entscheidungen und Anforderungen des Designers gesteuert wird.”
Die Animation unten zeigt, wie die Topologie-Optimierung iterativ zu einem steifen und leichten Design für die Struktur einer Drohne führt.
Der Prozess der Topologie-Optimierung wird am Beispiel einer Drohne dargestellt. Der Designer kann den Volumenanteil und die minimale Längenskala ändern. Der Designer hat keine weitere explizite Kontrolle über den Entwurf, so dass die endgültige Form in erster Linie von den Details der beiden Lastfälle bestimmt wird.
Wie Simulationssoftware Generatives Design unterstützt
Simulationssoftware, die auf der Grundlage der Finite-Elemente-Analyse (FEA) aufgebaut ist, kann eine generative Designmethodik unterstützen. Die Löser in der COMSOL Multiphysics® Software interpretieren Gleichungen, Ausdrücke und andere mathematische Beschreibungen, um ein Modell zu erstellen. Durch Anpassung dieser Eingaben können Sie einen generativen Designprozess einleiten, der auf bestimmte Prioritäten abzielt.
Die Regeln für die Topologie-Optimierung können z. B. die effiziente Verwendung von Material zur Gewährleistung der strukturellen Integrität priorisieren. Die Topologie-Optimierung kann Ingenieuren auch dabei helfen, eine 3D-gedruckte akustische Kammer für die photoakustische Spektroskopie von Gasen oder Mikrogitterstrukturen zur Schallabsorption zu entwerfen.
Während die Topologie-Optimierung ein Design erzeugen kann, das bestimmte Ziele erfüllt, könnten andere relevante Prioritäten eine andere formale Lösung bevorzugen. Betrachten wir die nachfolgend dargestellten simulierten Kühlkörperdesigns, die mit Hilfe des Optimization Module, einem Add-On zu COMSOL Multiphysics®, generiert wurden. Das Design auf der linken Seite wurde durch parametrische Optimierung erzeugt, die zu gleichmäßig großen und verteilten Wärmeableitungsrippen führte. Die Topologie-Optimierung, die einen granulareren und weniger restriktiven generativen Prozess anwendet, führte zu der komplexeren Form auf der rechten Seite.
Durch parametrische (links) und topologische (rechts) Optimierung erzeugte Kühlkörperdesigns. Bild mit freundlicher Genehmigung von Fritz Lange.
Welcher Entwurf ist besser? Die Antwort hängt von den “Entscheidungen und Anforderungen des Designers” ab, wie Ejlebjærg Jensen in dem obigen Zitat sagt. Vielleicht ist die einfachere Form weniger wärmeeffizient, aber günstiger in der Herstellung; dies kann ein wichtigerer Maßstab für die Gesamtziele des Projekts sein. Auch wenn regelbasierte Prozesse neue Formen hervorbringen, müssen die Prioritäten des Designers den Prozess des generativen Designs leiten.
Betrachten wir in diesem Zusammenhang ein Bleistifthaltermodell, das zeigt, wie die COMSOL®-Software Ihren eigenen generativen, Field-Driven Design-Prozess unterstützen kann.
Ein Field-Driven Design für einen Bleistifthalter
Das Modell des Field-Driven Design eines Bleistifthalters demonstriert eine Möglichkeit der gleichungsbasierten Modellierung für generatives Design unter Verwendung der leistungsstarken mathematischen Ausdrucksmöglichkeiten von COMSOL Multiphysics®.
Die Geometrie des Bleistifthalters umfasst sechs parametrische Oberflächen, die zur Konstruktion eines Bereichs verwendet werden. Der Rest der Geometrie wird durch gleichungsbasierte Modellierung definiert und durch Extrudieren eines strukturierten Netzes vernetzt.
Ein Netz aus kubischen Elementen (wie links dargestellt) definiert die Geometrie des Bleistifthalters.
Formgenerierung mit gleichungsbasierter Modellierung
Das Coefficient Form PDE Interface wird zur Definition eines Helmholtz-Filters verwendet, wodurch zwei glatte Felder an der Grenze generiert werden. (Weitere Informationen zur Datenfilterung über dieses Interface finden Sie in diesem Blogeintrag.) Eine Laplace-Gleichung wird dann verwendet, um die Randwerte auf das Volumen zu übertragen. Schließlich werden die Felder in einem analytischen Ausdruck kombiniert, der die Geometrie definiert. Der Konstrukteur kann die Parameter der PDE und/oder des Ausdrucks variieren, um eine andere Form zu erzeugen, wie die folgende Animation zeigt.
Die Animation zeigt die Auswirkungen der Änderung von drei Werten: des Volumenanteils (räumlich), des Parameters, der die Winkel der Streben steuert, und der Höhe des oberen und unteren Randes.
Das endgültige Feld kann als STL-Datei exportiert und dann als Netzteil zur weiteren Analyse importiert werden.
Der Bleistifthalter, wie er für den STL-Export berechnet wurde. Das Bild auf der rechten Seite zeigt eine Holztextur, die vom Material Rendering -Feature, das in die COMSOL®-Software integriert ist, angewandt wurde.
Im Beispiel des Bleistifthalters wird das Design durch ein mehr oder weniger analytisch gegebenes Feld bestimmt. Mit COMSOL Multiphysics® können Sie jedoch auch andere Feldgrößen, wie z. B. Spannung, Strömungsgeschwindigkeit oder ein elektrisches Feld, zur Steuerung des Designs verwenden. Die Möglichkeiten sind praktisch unbegrenzt.
Eine 3D-gedruckte Version des generierten Bleistifthalterdesigns.
Nächste Schritte
Beginnen Sie mit dem generativen Design, indem Sie das Übungsmodell für den Bleistifthalter über die Schaltfläche unten herunterladen:
Weitere Lektüre zum Generativen Design
- Design der Schallabsorption von Mikrogitter-Strukturen
- Vergleich von Optimierungsmethoden für das Design eines Kühlkörpers für den 3D-Druck
- Analyse der Topologie-Optimierung einer Photoakustischen Spektroskopiezelle
Referenz
- K. Wong, “Optimize or Generate?,” Digital Engineering, 2021, https://www.digitalengineering247.com/article/optimize-or-generate/
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