Титульное фото. Симбиоз генеративного проектирования, искусственного интеллекта и 3D-печати подобен армии виртуальных инженеров на вашем компьютере.
Что такое ГП
ГП или «порождающее моделирование» – это метод использования компьютерных алгоритмов ИИ, машинного обучения и автоматизированного проектирования для быстрого создания множества (сотен и тысяч) вариантов видения объекта проектирования на основе описания инженером параметров и ограничений. Делегирование человеком части процесса компьютерным технологиям приводит к созданию оптимизированной модели объекта с уменьшением объема используемого материала, количества деталей и, как следствие, массы изделия и стоимости производства, а форма изделий порой начинает походить на природные бионические структуры (биомимикрия).
ГП формирует новые требования к современным и будущим САПР для инженеров и дизайнеров в различных отраслях промышленности. В отличие от традиционных методов проектирования, которые полагаются на опыт, интуицию разработчика, а также бесконечную ручную оптимизацию параметров после натурных экспериментов, ГП использует возможности быстрых и сложных вычислений для анализа компонентных взаимосвязей и поиска инновационных решений, результатом которых становится появление нетрадиционных, воодушевленных природой высокоэффективных форм. Поэтому несмотря на свою сложную природу, ГП приобретает все большую практическую значимость и все более активно применяется в различных областях техники и дизайна.
Этапы ГП
Когда инженеры и дизайнеры работают над проектом, им обычно приходится создавать изделие с самого начала, учитывая различные требования. Однако этот процесс отличается от процесса ГП, основные этапы которого приведены ниже.
Задание параметров проектирования. Вместо традиционного подхода с проектированием в CAD с нуля дизайнером задаются цель и параметры проектирования в ПО для ГП, например, вводите ограничения, такие как вес, размер и габариты пространства для функционирования изделий.
Давление и нагрузки. Далее необходимо ввести в ПО для ГП подробную информацию о давлении и нагрузках, которые должно выдержать изделие. Эта информация помогает компьютерным алгоритмам рассчитывать форму изделия, усиливая слабые места и удаляя излишки материала там, где его количество избыточно.
Материал. Затем выбирается материал для создания модели. Этот ответственный шаг позволяет программе оперировать ограничениями, не выходя за возможности материала и оптимизируя его количество с учетом нагруженных областей.
Производственный процесс. На этом этапе требуется описать производственный процесс, например, формование, аддитивное производство или обработку на станках с ЧПУ, поскольку каждый метод имеет свои особенности, которые ПО для ГП должно учитывать для обеспечения технологичности производства.
Вариативность конструкций. Далее ПО для ГП использует алгоритмы искусственного ИИ для поиска лучшего дизайна на основе предоставленных на предыдущих шагах ограничений.
Анализ и выбор. После произведенного расчета предлагается множество вариантов формы изделия, каждый из которых удовлетворяет требованиям, заданным ранее. Затем инженеры или дизайнеры анализируют эти предложения и выбирают конструкцию, которая лучше всего соответствует конкретным критериям, их опыту и текущим производственным возможностям.
Синергия между ГП и 3D-печатью
ГП и 3D-печать – две революционные технологии, которые, будучи задействованы совместно, создают мощную синергию, способную серьезным образом изменить ландшафт современного проектирования и производства. Эта комбинация использует сильные стороны обеих технологий для производства инновационных, эффективных и высоко оптимизированных продуктов, которые ранее было невозможно себе представить с традиционными мышлением и производством.
ГП – ключевой игрок в этой синергии, который использует алгоритмы ИИ и машинного обучения для создания множества альтернатив дизайна на основе заданных целей и ограничений. С одной стороны, этот процесс позволяет дизайнерам исследовать обширные горизонты проектирования и находить оптимизированные решения, соответствующие конкретным критериям оптимизации, таким как вес, прочность и коэффициент использование материалов. С другой стороны, оптимизированную компьютерную модель мало показать на мониторе компьютера, ее нужно произвести в виде конкретного продукта. Человечество для этих целей пока не придумало ничего лучше аддитивного производства. Поэтому 3D-печать дополняет ГП, предоставляя гибкие и эффективные средства создания сложных оптимизированных конструкций. В отличие от традиционных методов производства, которые часто налагают значительные ограничения на конструкцию из-за ограничений технологии, 3D-печать может создавать сложную геометрию и бионические формы слой за слоем.
Ключевые преимущества синергии
Сложная геометрия и бионические формы. Алгоритмы ГП часто создают сложные формы, подобные природным структурам в сочетании со сложной решетчатой конструкцией (рис. 2). Эти конструкции часто экономически неосуществимы или недостижимы при использовании традиционных методов производства, таких как литье под давлением или обработка на станках с ЧПУ. 3D-печать как раз и выделяется своей способностью изготавливать изделия самой сложной геометрии.
Экономическая эффективность. 3D-печать более конкурентоспособна при штучном или малосерийном производстве, поскольку не требует затрат на проектирование и изготовление оснастки, связанных с традиционными методами производства. ГП, в свою очередь, позволяет учесть фактор кастомизации и с помощью 3D-печати без лишних затрат изготовить детали под каждого конкретного заказчика. Нелишним будет отметить и снижение стоимости 3D-печати, а также увеличение разнообразия и доступности материалов, что также позитивно влияет на выбор в пользу данной синергии.
Быстрое прототипирование и итерационный процесс оптимизации. ПО для ГП позволяет быстро генерировать и оценивать многочисленные варианты дизайна, а 3D-печать – быстро создавать прототипы и тестировать их. Этот итеративный процесс обеспечивает ускорение доработки объекта проектоования и его оптимизации, сокращая время от концепции до конечного продукта (см. рис. 1).
Эффективность использования материалов. ГП оптимизирует количество используемого материала, оставляя его только там, где он нужен по расчетам, сокращая количество отходов и продвигая устойчивые методы производства.
Полная свобода дизайна. Традиционные методы производства часто накладывают свои ограничения на свободу инженеров и дизайнеров в проектировании. Напротив, 3D-печать освобождает дизайнеров от этих ограничений, позволяя проявить больше творчества и инноваций. ГП в полной мере использует эту свободу, исследуя нетрадиционные формы и структуры, оптимизированные для конкретных приложений.
Симбиоз ГП и 3D-печати
Ниже приведены примеры технологий 3D-печати, которые могут эффективно применяться совместно с ГП.
Экструзия термопластичных материалов (FFF/FDM). Метод FFF заключается в послойной экструзии термопластичных нитей. Благодаря своей доступности и универсальности этот метод широко используется для прототипирования и мелкосерийного производства. FFF подходит для создания сложных и легких изделий, спроектированных с помощью ГП, особенно для прототипов и функциональных деталей в автопроме и в производстве потребительских товаров.
Экструзия фотополимеров (MJ/MJM). Технология MJ предполагает послойное нанесение жидких фотополимеров, причем в разных цветах, прозрачности и эластичности, что позволяет создавать высокоточные, детализированные и высокореалистичные изделия. Эта технология обычно используется для прототипирования, создания анатомических моделей, предметов декора, моды, ювелирных изделий.
Стереолитография (SLA). SLA использует лазер для отверждения жидкой фотополимерной смолы, создавая высокоточные и детализированные изделия. Эта технология подходит для изготовления изделий сложной геометрии, требующих высокой точности и гладкой поверхности, и часто используется в стоматологической, медицинской и ювелирной отраслях промышленности.
Селективное лазерное спекание (SLS). SLS предполагает использование лазера для выборочного спекания порошкообразных материалов, чаще всего полимеров и эластомеров. Детали, напечатанные по этой технологии, отличаются высокой изотропностью, длительным сроком службы и отсутствием необходимости в использовании поддерживающих структур. SLS-технология широко применяется в авиастроении, автомобильной и медицинской промышленности для производства функциональных прототипов и конечных изделий. На рис. 3 приведен впечатляющий пример изделия, изготовленного по данной технологии.
Сочетание 3D-печати с ГП меняет правила игры в современной промышленности, и это не просто громкие фразы или лозунги для привлечения внимания. Используя сильные стороны обеих технологий, дизайнеры и инженеры могут расширить границы инноваций и создавать продукты, которые являются более эффективными и адаптированными к конкретным требованиям эксплуатации. Эта синергия производит революцию в сфере проектирования и производства и открывает новые возможности для разработки продукции.
Текущее состояние и перспективы развития
ГП находится на переднем крае разработки продуктов, производя революцию в отраслях благодаря своей способности создавать оптимизированные и персонализированные решения. От повышения эффективности компонентов самолетов до совершенствования мобильности электрических инвалидных колясок и пошива кроссовок – интеграция с 3D-печатью становится нашим будущим с возможностями безграничной индивидуализации продуктов.
Этот симбиоз способствует инновациям и устойчивому развитию за счет минимизации использования материалов и потребления энергии. Автомобилестроение, авто- и мотоспорт, авиастроение и космонавтика, без сомнения, получают выгоду от облегченных конструкций, повышающих топливную экономичность и снижающих воздействие на окружающую среду. Рынок стимулируется растущим спросом на передовые дизайнерские решения, активным внедрением технологий ИИ и машинного обучения, повышенным вниманием к устойчивости и эффективности использования ресурсов в проектировании, интеграцией ГП с аддитивным производством, быстрым ростом облачного ГП. Однако, несмотря на то что ГП предлагает беспрецедентную гибкость в разработке продукции, оно не заменяет опыт инженеров и дизайнеров, а дополняет их профессиональные навыки, открывая путь к более эффективным и продуктивным рабочим процессам.
По мере развития технологий 3D-печати и ГП их потенциал для стимулирования прогресса и повышения эффективности во всех отраслях будет только расти. Пришло время обзавестись с помощью инновационного ГП армией виртуальных инженеров, способных в мгновение ока создать органически вписываемые в нашу жизнь шедевры.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 1 (308) 2025 г., с. 44-47.
