制造意识标志着生成设计的新阶段

从理论上最佳的拓扑结构过渡到可制造的形状,生成设计技术显示出成熟的迹象。

从理论上最佳的拓扑结构过渡到可制造的形状,生成设计技术显示出成熟的迹象。

Screenshots of computational 恩 gineering workflow for a rocket nozzle in n拓扑 Platform. Rear image shows scan strategy for additive manufacturing; middle image shows simulation (FEM) results (von Mises stress); and front image is the 上 e output configuration that is a final, manufacturing-ready design. Image courtesy of n拓扑.


三,四年前,生成式设计开始引起业界的关注,首先是作为一种新的设计原理,其后是一系列类似AI的软件,这些软件可以根据用户定义的输入(例如负载,应力,重量)生成最佳的拓扑或几何形状极限或质量极限)。但是很快,早期采用者开始意识到缺少一个难题:在表单生成算法中具有制造意识。

最早的生成设计软件可以根据用户查询成功地提供数学上最佳的形状,但也使许多用户想知道如何制造软件建议的零件和结构。

从理论上讲,软件推荐的有机的,有点像外星人的几何形状和拓扑能够抵消预期的力和应力。并且满足了重量和质量要求。但是麻烦是,使用传统的制造方法(例如机械加工,注塑成型,激光切割等)来生产它们是不切实际或不可能的。

凭借其能够打印几乎任何可以想象的形状的能力,增材制造(AM)或3D打印成为产生生成的设计拓扑的解决方案,但最终甚至是AM—quite literally—碰到了墙。壁的形状对于3D打印机而言太薄’分辨率在构建过程中容易崩溃。此外,当时大多数AM系统的相对较慢的速度和有限的材料选择将这种方法限制在数量有限的塑料基小零件上,比批量生产更适合原型制造。

最近,生成设计在成熟度方面取得了巨大飞跃。由于具有内置的制造限制,更新的生成设计软件程序可以识别特定制造方法的局限性,并且可以事先消除不切实际的拓扑特征。

现在,似乎正处在十字路口,生成设计也被迫面对一些同样的问题,其较老的CAD和有限元分析(FEA)兄弟必须在自己的成熟时间表中费力。新手或专家是谁的生成设计?当前实施的制造约束是否合理?学习曲线是否太陡?也许不足为奇,一些开发人员提出了模板驱动的方法—模拟行业所采用的相同解决方案—满足专家和新手。

制造拓扑

可以说 欧特克 在设计软件领域中,“生成设计”一词比其他任何供应商都普及。 欧特克 生成设计的最早版本是在2015年左右出现的,是Autodesk推出的名为Dreamcatcher的技术预览版’的研究部门,负责探索实验思想和技术。

从那以后,它已发展成为以添加剂为中心的Autodesk Netfabb和以通用设计为中心的Autodesk Fusion 360的工具集和功能,这两种产品都是商业产品。到2018年,该技术将足够强大,以生产出不仅在数学上最优化而且在制造上也很实用的形状和拓扑。 (有关此内容的更多信息,请阅读 's “AU 2018:将生成设计与制造约束融合在一起,” Nov. 20, 2018 )。

“目前,除了提供不受约束的生成设计外,我们还为您提供了声明三种约束的选项:三轴,五轴和AM,”Autodesk产品策略高级经理Seth Hindman说。前两个约束条件与机加工相关,最后一个约束条件与3D打印相关。

 

左:Altair Inspire中的生成设计工作流程,显示了初始几何输入。中:软件建议的设计。右:用于制造的最终设计。图片由Altair提供。
 

制造约束本质上是生成算法中的规则,该规则排除了无法通过特定制造方法制造的几何形状。例如,基于实际经验,增材制造专家可以告诉您带有悬垂,底切和薄壁的几何形状会在3D打印过程中引起问题。

因此,如果您在Autodesk软件中激活AM约束,“您可能会排除某些类型的突出和底切,因为它们’无法制造您的悬垂可能只有一个允许的角度;并且您可能在设计中有最低壁厚要求,” explains Hindman.

It’也可以使用混合方法。例如,Hindman补充说,通过应用减法-加法约束的混合,可以使用两种方法组合生成形状。

尽管许多人已经接受了生成设计作为广义的术语来指代软件驱动的设计优化,但是更具体的术语拓扑优化本身早于生成设计。作为仿真软件的领先者, ANSYS 针对设计者社区,在ANSYS AIM产品系列中提供拓扑优化。该公司还为AM设计提供了一系列优化解决方案。

“今天,您可以设置一些限制条件,例如材料(金属,陶瓷,木材,硅),制造工艺(数控机床,车床,3D打印)以及成本限制,”ANSYS的首席技术官Prith Banerjee解释说。“如果使用正确的AI /机器学习(ML)工具,则生成的设计软件可以在消除不适合所选制造方法的功能方面非常复杂,因为可以使用正确的训练数据集对其进行训练。我们关于生成设计的AI / ML的工作就是使用这种方法。”

设计者友好的优化

牵牛星 以其OptiStruct求解器而闻名,它能够在静态和动态载荷情况下计算线性和非线性现象。基于经过验证的FEA和多体动力学原理,OptiStruct由仿真用户部署,以检查复杂的机械和结构行为,例如刚度和强度,耐用性,热传递和NVH(噪声,振动和粗糙度)影响。

除了牵牛星’针对更复杂的用户群的OptiStruct,Altair提供了Inspire(以前为solidThinking Inspire),该目标人群以有限的模拟专业知识为目标,着重设计人群。两条生产线都可以进行具有制造约束的生成设计,这些约束似乎是控制拉伸方向,允许多种对称形式以及不同的挤出行为的选择。

使用Altair Inspire对飞机检修门进行拓扑优化。 图片由SOGECLAIR S.A.和Altair提供。

“对于制造而言,对称零件的制造成本可能较低,因此您可以在几何中强制对称。如果您要打印设计,可以完全消除突出部分,或者根据最终目标允许一些突出部分,”Altair OptiStruct全球业务发展总监Warren Dias说。

在对设计人员友好的Inspire中,该界面使设置这些制造约束变得简单。 “对于希望在定义约束中寻求其他控制的用户,OptiStruct中提供了高级选项,” says Dias.

“It’解决受制造限制的3D打印很重要,但是今天大部分’制造业仍然是传统制造业[铸造,机加工,冲压,激光切割等]。因此,我们也需要考虑它们。此外,制造限制条件必须适用于层压复合材料等材料及其相关的制造工艺,并且还可以在OptiStruct,” Dias adds.

复选框与模板

成立于2015年, n拓扑 是设计软件领域的一个相对较新的事物。“从第一天开始,我们的产品就存在制造限制,”联合创始人兼首席执行官布拉德·罗森伯格(Brad Rothenberg)说。

One of n拓扑’吸引人的是它的软件’生成复杂的格子和膜状结构的能力,这对于轻量化项目很有用。“对我们而言,确保这些晶格结构可制造非常重要,” says Rothenberg.

n拓扑在首次亮相时将注意力集中在nTopology Element上,nTopology Element是生成晶格结构的点解决方案。随着公司的成长,它开发并发布了nTopology Platform,这是一种用于先进制造的数字设计环境。“我们称其为平台,因为它’通用工具,用于构建解决工程问题的算法,” says Rothenberg.

可以想到的最简单的制造约束形式是复选框方法:换句话说,如果工程师在框上打勾“No overhang,”生成的最佳形式将排除这些类型的特征;如果他们指定设计用于3D打印,则该软件会自动消除无法进行3D打印的功能。

具有有限制造专业知识的设计工程师可能有充分的理由偏爱这种类型的实现。要了解几何形状和生产问题之间的关系,需要大量的制造操作经验。留下太多选择,制造经验有限的人可能不知道在设计中包括或排除哪些内容。

相反,针对制造专家的工具应使用户能够使用他们的判断来微调设计自动化,以适应特定项目的需求。“我们的方法是让您(工程师)将不同的组件[优化要求和约束条件]组合在一起以产生工作流,因为每个公司,每种方法的可制造性都不同,”罗滕伯格解释说。

n拓扑’Rothenberg认为,目标不仅仅限于经验丰富的制造工程师。“专家可以构建具有某些参数的工作流程—例如,如果突出部分对您很重要,则应暴露这些值—因此经验不足的设计工程师可以使用此模板生成可接受的零件,” he says.

With n拓扑 Platform, an 恩 gineering team could assemble and put together a template or a formula for building wind turbine blades, to be produced in composite materials in a large-scale AM system, for instance—更简单的基于复选框的生成软件所没有的’不能充分解决。

不可更换 for Human Experts

从设计到制造的工作流程是重复性的,设计团队提出了几何形状,制造团队则针对成本和生产问题对其进行了评估。通常,提案会被拒绝或以建议的修订版退回。

“Maybe there’s为负的拔模角,使得无法进行铸造,或者壁太薄,因此’s liable to fail in casting. 也许在那里’s陡峭的焊珠高度,在冲压过程中会导致钣金撕裂。由于这些原因,设计被拒绝了,” notes 牵牛星 ’s Dias. “现在,在生成设计中,您可以将这些约束包括在优化公式本身中,因此最终输出是一种更加可行和可制造的设计。”

人工制造工程师评估提交的设计和建议修订的能力有限。通过将制造工程师遵循的一般原则编码为一组规则,生成性设计软件可以防止许多不可行的设计进入提案阶段。

剩下: 使用Autodesk软件进行生成设计,显示人为设计。 Middle: 用于三轴加工的软件优化设计。 Right: 2.5轴机床的软件建议设计。 图片由Autodesk提供.

“我们将需要一名人工设计师来批判AI /机器学习和生成设计所生成的设计,并指导他们提供更好的解决方案。人工设计人员将为训练数据集提供帮助。同样在生成式设计中,该工具会生成成千上万的设计,而设计师将不得不选择好的设计,然后指导搜索。我相信人类和机器可以协同工作,” says Banerjee.

具有生硬或回火制造限制的许多生成设计是其核心自动化—如果可以的话,可以自动进行表格浏览。但更大的目标是Autodesk’辛德曼(Shindman)指出,“使人类专家摆脱繁琐的工作,从而可以做出更有价值的贡献。”

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黄健贤

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