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Das Wort „generativ“ hat in den letzten Jahren sicherlich an Popularität gewonnen. Die meisten Menschen denken dabei wahrscheinlich sofort an „generative KI“. Darunter versteht man in der Regel, dass man sich vor einen Computer setzt, eine relativ einfache Anfrage stellt (oft eine Textaufforderung) und – ohne direkte Beteiligung am Generierungsprozess – eine vollständige Ausgabe erhält, die dieser Anfrage entspricht, sei es ein Stück Schrift, ein Bild, ein Lied oder sogar ein Video. Aber wie sieht es in der Welt des Designs und der Technik aus? Können wir das tun? Für SOLIDWORKS oder CATIA Benutzer, ist es eigentlich eine zweiteilige Frage:
- Können Designer eine begrenzte, strukturierte Eingabe in ein Programm eingeben und eine vollständige geometrische Ausgabe erhalten? Ja – das nennt man „generatives Design“. Es ist nicht neu und kommt in vielen Formen vor.
- Kann man das auch mit KI machen? Die Antwort lautet auch hier: Ja, aber diese Technologie ist sehr neu und wird erst jetzt in kleinen Schritten öffentlich verfügbar.
In diesem Artikel stellen wir Ihnen drei Formen der generativen Konstruktion vor – knotenbasierte Konstruktion, parametrische Optimierung und Topologieoptimierung – und geben Ihnen einen kleinen Vorgeschmack auf die generative KI, die in naher Zukunft in SOLIDWORKS Einzug halten wird.
Knotenbasiertes/Skripted Design
Eine der neueren generativen Designtechnologien verfolgt einen diagramm- oder knotenbasierten Ansatz. Dies ähnelt der parametrischen 3D-Modellierung, aber anstatt komplizierte Formeln in einer 3D-Umgebung entwickeln zu müssen, ist die Benutzeroberfläche in 2D sehr übersichtlich und leicht zu navigieren.
Verkettungen von Operations- und Datenknoten erzeugen eine vollständige 3D-Modellausgabe. Eine einfache Änderung eines Knotens kann sich leicht auf das gesamte Modell auswirken, was der entscheidende Vorteil dieses Modellierungsansatzes ist. Klicken Sie hier, um unser Tutorial über die Erstellung einer Treppe mit dieser Methode anzusehen.
Wenn Sie schon einmal modern aussehende Designs gesehen haben, dann haben Sie wahrscheinlich die Vorteile des knotenbasierten Designs, auch bekannt als „visuelles Skripting“, gesehen und wussten es nicht einmal. Einige Beispiele sind die Texturen einer Computermaus, die Ohrpolster von Kopfhörern, der Kühlergrill fast aller Autos, architektonische Gebäude oder jedes Produkt, bei dem die Muster kontrolliert werden müssen und typischerweise komplex sind.
Der Hauptvorteil einer knotenbasierten Modellierungsumgebung liegt darin, dass Sie Muster oder stapelartige Arbeitsabläufe wirklich beschleunigen müssen. Sie erzeugt große Mengen an komplexem Output und kann mit relativ wenig Herumklicken umfangreiche Änderungen an einem Modell vornehmen. Die skriptbasierte Modellierung ist außerdem völlig zerstörungsfrei und schnell wiederholbar – sie verbraucht keine Funktionen und bietet Zugriff auf Entitätswerte im gesamten Modell, um robuste und schnelle Muster zu erstellen.
Klicken Sie hier, um diesen CATIA Design Talk – mit Demonstration – über knotenbasiertes Design/visuelles Scripting anzusehen.
GoEngineer bietet zwei Produkte von Dassault Systèmes für diese Art von generativem Design – CATIA Visual Script Designer für die knotenbasierte Modellierung auf Ihrem lokalen Rechner und 3D Pattern Shape Creator für knotenbasierte Modellierung in einer vollständig 3D-basierten, cloudbasierten Webanwendung. Beide Produkte sind in der 3DEXPERIENCE Plattform und basiert auf der CATIA Modellierungs-Engine, so dass Sie deren Ausgabe problemlos in Ihre primäre SOLIDWORKS oder CATIA Lösung integrieren und dann auf diesen Modellen aufbauen können.
Parametrische Optimierung
In der Vergangenheit haben Konstrukteure in der Regel ein Produkt entworfen und dann eine Simulation des Modells durchgeführt, um zu sehen, ob das Teil oder die Baugruppe die erforderliche(n) Last(en) tragen kann. Wenn die Simulation ein Versagen vorhersagte, änderte der Konstrukteur das Modell und führte die Simulation erneut durch, um zu überprüfen, ob die Korrektur erfolgreich war. Dieser Prozess der Neuentwurf und erneuter Test kann in einer so genannten „parametrischen Studie“ automatisiert und skaliert werden. Die Benutzereingabe ist das gewünschte Simulationsergebnis und die CAD-Parameter, die geändert werden können. Diese Redesign-Retest-Schleife iteriert die parametrischen Änderungen, bis die Simulation erfolgreich ist.
Ein SOLIDWORKS SimulationXpress Beispiel für eine Konstruktionsstudie.
Sie benötigen Tools zur Durchführung dieser Studien und interpretieren Sie die Ergebnisse. GoEngineer und Dassault Systèmes bieten verschiedene Tools an, die ein breites Spektrum an Raffinesse abdecken. Auf der grundlegendsten Ebene, wenn Sie die SOLIDWORKS Essentials Kurserinnern Sie sich vielleicht an die Verwendung von SimulationXpress (in SOLIDWORKS Standard integriert), bei der Sie eine parametrische Simulation mit dem Handrad durchgeführt und eine zu ändernde Dimension festgelegt haben, um einen bestimmten Sicherheitsfaktor zu erreichen.
Einrichten einer CFD-Konstruktionsstudie in SOLIDWORKS Flow Simulation.
Für ein wenig mehr Leistung haben Sie SOLIDWORKS Simulation Professional, das mehr Werkzeuge für die Optimierung und die Lastfall-Manager, mit dem Sie problemlos mehrere Lastfälle ausführen, Kombinationen von Fällen hinzufügen und Ziele verfolgen können. SOLIDWORKS Strömungssimulation enthält auch einfach zu bedienende, grundlegende parametrische Designstudie Fähigkeiten für CFD. Im Bereich der Elektromagnetik, CST Studio Suite (ein Angebot für elektromagnetische Simulationen) bietet einen parametrischen Optimierungsprozess unter Verwendung der SOLIDWORKS CAD-Verbindung.
Eine Konstruktionsstudie mit 30 Alternativen unter Verwendung der Optimierungsfunktionen, die mit der 3DEXPERIENCE STRUCTURAL FEA Lösung.
Wenn Sie ein Upgrade von SOLIDWORKS Simulation auf 3DEXPERIENCE STRUCTURAL für Ihre mechanische FEA, werden Optimierungsstudien noch besser. Sie erhalten nicht nur die robustere Abaqus Solver, erhalten Sie Cloud Computing-Funktionen so dass Sie sehr schnell große Mengen an Designvarianten ausführen können. Außerdem erhalten Sie neue Tools für die Überprüfung von Studien, die leistungsfähig genug sind, um die größere Anzahl von Designvariablen und Simulationsergebnissen zu verarbeiten.
Evaluierung mehrerer Entwurfsalternativen, die anhand verschiedener Leistungskriterien getestet wurden, unter Verwendung von 3DEXPERIENCE Nachbearbeitungswerkzeuge.
Am oberen Ende stehen SIMULIA Isight und 3DEXPERIENCE Multidisciplinary Optimization (dessen Kernfunktionalität auf Isight basiert). Isight ist ein sehr offener Rahmen für die Erstellung von Prozessen zur umfassenden Optimierung von Produktdesigns unter Verwendung einer breiten Palette von numerischen Optimierungsmethoden und Design-of-Experiment (DOE) Techniken. Isight kann viele andere Tools in diese Optimierungsprozesse einbinden, darunter kommerzielle CAD/CAE-Software, intern entwickelte Programme und Excel-Tabellen.
Durch die Kombination von 3DEXPERIENCE Lattice Designer mit 3DMit den Optimierungswerkzeugen von EXPERIENCE STRUCTURAL können nicht nur enorme Mengen an Entwurfs- und Simulationsarbeit automatisiert, sondern auch ein besserer Entwurf erzielt werden.
3DEXPERIENCE Multidisciplinary Optimization bietet die Fähigkeiten von Isight (einschließlich der Integration von Drittanbietern) auf dem 3DEXPERIENCE Plattform und in einer moderneren 3D-Oberfläche. Die 3DEXPERIENCE Version macht auch die riesige Menge an Optimierungsdaten für andere zugänglich und bietet Werkzeuge für die Prozessvorlage. Wenn Sie mit diesen Werkzeugen Tausende von Designalternativen testen, sind Ihnen keine Grenzen gesetzt.
Topologie-Optimierung
Wenn sich die Design-Zwänge und Belastungsanforderungen häufen, kann „Überdesign“ für einen menschlichen Designer schnell zur einzigen praktischen Lösung werden. Diese übergewichtigen Teile erhöhen die Kosten und bringen ihre eigenen strukturellen Probleme mit sich. Ausgehend von einem solchen Ausgangspunkt ist der typische Modellierungs- und Simulationsprozess zur Verbesserung dieses Designs sehr mühsam und schrittweise. Aus diesem Grund gibt es Tools für die Topologieoptimierung.
Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um eine Technik, bei der Belastungsszenarien anhand von Design-, Fertigungs- und Leistungsanforderungen simuliert werden, um ein Design aus dem Nichts zu erstellen, das alles auf einmal und mit minimalem Zusatzaufwand berücksichtigt. Sie geben Ihre Designanforderungen vor (einschließlich eines festen Blocks von Designvolumen, innerhalb dessen Sie arbeiten können), richten die notwendigen Simulationen ein und das Topologieoptimierungstool führt Simulationen und Redesign-Iterationen durch, bis das Ziel erreicht ist. Dies ist ein hochautomatisierter Weg zu einem leichteren, stabileren und effizienteren Design. Wie bei der parametrischen Optimierung gibt es verschiedene Stufen von Topologie-Optimierungstools, die von SOLIDWORKS über Desktop-SIMULIA bis hin zum 3DEXPERIENCE Plattform.
Die SOLIDWORKS Topologie-Optimierung beschränkt das Material auf die Bereiche, in denen Steifigkeit erforderlich ist.
SOLIDWORKS Simulation Professional ist der Beginn des Angebots zur TopologieoptimierungSie arbeiten mit einzelnen Teilen und mit linearen statischen und Frequenzanalysen. Sie geben einen Designraum an, legen Fertigungseinschränkungen und FEA-Lastfälle fest und geben dann ein Ziel vor – Minimierung der Masse, Maximierung des Verhältnisses von Steifigkeit zu Gewicht oder Minimierung der maximalen Verschiebung. Der Designraum wird so lange verkleinert, bis er das Ziel so effizient wie möglich erfüllt. Sie können die endgültige Form wieder in das 3D-CAD-System übertragen, um sie zu modellieren.
Das GoEngineer-Simulationsteam nutzte Tosca, um gleichzeitig zwei Teiledesigns in einer Baugruppe zu optimieren, die Leistung zu verbessern und das Gewicht zu reduzieren.
Die nächsthöhere Stufe ist die SIMULIA Tosca Optimization Suite, die wie Isight in der Abaqus-Desktop-Lizenzierung enthalten ist. Tosca ist sehr offen und einfach zu bedienen, aber besser in die Simulation als in die Konstruktion integriert. Es kann mehrere FEA-Codes (auch von Drittanbietern) nutzen, sogar in derselben Optimierungsaufgabe. Das bedeutet, dass Konstruktionen anhand einer Kombination aller Arten von Analysen optimiert werden können, einschließlich anspruchsvoller mehrteiliger nichtlinearer Analysen, expliziter Dynamik, Ermüdung usw.
Die Topologieoptimierung ist nicht nur für den 3D-Druck. Alles, was Sie brauchen, sind die entsprechenden Einschränkungen bei der Herstellung.
Tosca ermöglicht Ihnen auch die Optimierung von Baugruppen (im Gegensatz zu Einzelteilen) und bietet zusätzliche Optimierungsziele über Masse und Steifigkeit hinaus. Spezielle Formen der Topologieoptimierung wie Form- und Sickenoptimierung sind ebenfalls in Tosca verfügbar.
Topologie-Optimierung mit dem Setup-Assistenten auf der 3DEXPERIENCE Plattform.
Die 3ERLEBEN SIE GENERATIVES DESIGN Linie von Lösungen bietet Tosca-basierte Optimierung auf der 3DEXPERIENCE Plattform in einer modernen Benutzeroberfläche und mit direkter CAD-Integration. Ein weiterer einzigartiger und großer Vorteil dieser Lösung ist die Cloud-Computing-Fähigkeit, die die Berechnungszeit um ein Vielfaches verkürzen kann. Diese Lösung gibt es in Gut-Besser-Best-Paketen für verschiedene Benutzerprofile und mit unterschiedlichen Funktionsniveaus hinsichtlich der Analyse- und Optimierungsfunktionen.
Wenn Ihre Entwürfe strömungstechnische Elemente enthalten, dann sind Tosca Fluid Optimization und 3DEXPERIENCE GENERATIVE DESIGN kann auch strömungsoptimierte Entwürfe für Sie erstellen. Diese Lösungen funktionieren fast genauso wie die Strukturversionen, nur mit einem CFD-Code wie 3DEXPERIENCE FLÜSSIGKEITEN. Sie erzeugen Kanalformen, die den Druckabfall minimieren und die Massenflussrate erhalten.
Ein Hinweis auf die KI-Zukunft des Designs
KI wird in alle Bereiche unseres Lebens integriert, z. B. in die Gesichtserkennung des iPhones, in soziale Medien und Newsfeeds, in die grammatikalische Überprüfung von E-Mails, in die Google-Suche, in die Sprachsuche, in den Schutz vor Bankbetrug und in die Rettung von Leben durch die Analyse medizinischer Bilder zur Krebserkennung.
Ein kleiner Einblick in die generative KI-Schnittstelle von Magic SOLIDWORKS für CAD.
Dassault Systèmes arbeitet seit über zehn Jahren an der automatisierten KI-Modellgenerierung (und Simulation), und bei 3DEXPERIENCE World 2024 haben wir eine erstaunliche Text-und-Skizzen-Schnittstelle von Magisches SOLIDWORKS da es auf der Grundlage einer einfachen Skizze eines Fahrradlenkers und einiger Designkriterien automatisch 3D-Modelle generierte. Die KI erstellte mehrere b-rep-Modelle, ermöglichte es dem Benutzer, etwas auszuwählen, das seiner Absicht am nächsten kam, und platzierte es dann an der richtigen Stelle auf der kompletten Fahrradbaugruppe. Anschließend verfeinerte der KI-Design-Assistent das Design mithilfe von Simulationen, um sicherzustellen, dass es das leichteste und stärkste Design ist.
Das SOLIDWORKS Team arbeitet auch daran, KI in die Lage zu versetzen, schwierige oder langwierige Aufgaben wie das automatische Hinzufügen von Hunderten von Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben zu Modellen, das automatische Umwandeln von Bildern in Skizzen und das automatische Zeichnungserstellung. Unter 3DEXPERIENCE World 2024 zeigte SOLIDWORKS auch die Fähigkeit, die KI-gestützte CAD-Generierung auf der Grundlage eines Datensatzes einer einzigen Produktklasse zu trainieren, in diesem Fall: Möbeldas sie als ihr „erstes generatives Modellierungstool, das in Produktion ist“ bezeichneten.
Schlussfolgerung
Der Begriff „generative Konstruktion“ umfasst viele Produkte und Prozesse, auf die der SOLIDWORKS Kunde zugreifen kann, von der knotenbasierten Konstruktion über die parametrische und topologische Optimierung bis hin zur generativen KI. Einige dieser Tools gibt es schon seit Jahren und sie sind recht robust, während andere neu sind oder sich noch in der Entwicklung befinden. Allen gemeinsam ist, dass sie das Potenzial haben, enorme Mengen an Konstruktionsarbeit mit relativ wenigen Eingaben des Benutzers zu erledigen.
Diese Tools werden das zentrale 3D-CAD-System nicht ersetzen, aber in den richtigen Händen können sie einen Multiplikatoreffekt auf Effizienz und Qualität haben, insbesondere wenn Sie sich in der Produktpalette nach oben bewegen. Sie sind im Allgemeinen am stärksten mit der Cloud-Rechenleistung des 3DEXPERIENCE Plattform, was mit der fortschreitenden Entwicklung der KI nur noch wahrer werden wird.
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