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Generatives Design – Die neue Art Dinge zu konstruieren

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Seit Jahrzehnten werden in deutschen Maschinenbauunternehmen hochwertige Maschinen konstruiert, die maßgeblich zu Deutschlands Status als Export-Weltmeister beigetragen haben. Ob früher auf dem Reißbrett oder heute am Computer, Konstruktionen „Made in Germany“ sind im In- und Ausland gefragt. Doch was passiert, wenn die Konstruktion komplett dem Computer überlassen wird? Das Generative Design stellt sich genau dieser Frage, deren Antworten erstaunliches Potential mit sich bringen.

 

Das „Generative Design“, was im Deutschen grob als generative Gestaltung übersetzt werden kann, könnte als die neue Art des Konstruierens bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um eine neue Herangehensweise bei der Konstruktion eines Bauteils, einer Baugruppe oder einer ganzen Maschine. Prinzipiell werden beim Generative Design gewisse Zwänge und Vorgaben für das Bauteildesign festgelegt. In einem iterativen Verfahren wird dann von einem Algorithmus eine Vielzahl an Gestaltvarianten des gewünschten Bauteils erzeugt (s. Bild 1). Anschließend kann aus der Menge der Gestaltvarianten das bestmögliche Design ermittelt werden. In anderen Bereichen, wie beispielsweise der Kunst, ist diese Form des Designs bereits seit längerem in Verwendung, während sie im Maschinenbau bisher wenig Anwendung findet.

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Bild 1: Übersicht verschiedener Gestaltvarianten eines Bauteils, die durch einen Generative Design Algorithmus erzeugt wurden. (Quelle: Autodesk)

In jüngster Vergangenheit machten jedoch immer wieder namhafte Unternehmen mit Generative Design Projekten auf sich aufmerksam. Beispielsweise konstruierte General Motors einige Bauteile ihrer Autos mithilfe von Generative Design. Die Erfolge, die sich bei diesen und ähnlichen Projekten einstellten, rückten die neue Art des Konstruierens mehr in den Vordergrund. Eingeleitet wurde dieser Vormarsch der neuen Technologie durch passende Softwarelösungen, insbesondere von Autodesk. Mit dem Tool Generative Design in Kombination mit der Cloud-basierten Konstruktionssoftware Fusion 360 hat Autodesk eine Software entwickelt, die eine einfache Erzeugung von generativen Designs ermöglicht. Innerhalb der Software kann ein grob konstruiertes Bauteil mit bestimmten „Constraints“ (engl., „Zwänge“) versehen werden, also Flächen oder Geometrien, die der Algorithmus nicht verändern darf, da sie beispielsweise für die Montage unverändert bleiben müssen. Zusätzlich können Kräfte und Belastungen angegeben und im Modell platziert werden, die den tatsächlichen Belastungen des Bauteils während der Nutzung entsprechen. Anschließend berechnet ein Algorithmus, basierend auf Belastungen, Material und Constraints verschiedene mögliche Gestaltvarianten. Aus den verschiedenen entstehenden Bauteilvarianten kann der Konstrukteur anschließend durch Filterung nach bestimmten Kriterien beispielsweise das Modell mit der geringsten Masse auswählen.

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Bild 2: Generative Design eines Drohnen-Chassis, welches nach der Konstruktion additiv gefertigt wurde (Quelle: Autodesk)

Die Ergebnisse der Pilotprojekte, die sich das Generative Design zunutze machen, sind gerade Materialverbrauch und Arbeitsaufwand betreffend äußerst positiv. Durch die unkonventionelle Art der Konstruktion, lassen sich Teile mit teilweise um 50% verringerter Masse bei verbesserter Festigkeit fertigen. Ein Beispiel hierfür liefert das Unternehmen Airbus. Bei der Neuentwicklung des Airbus A380 wurde für die Konstruktion der Kabinentrennwände auf Generative Design gesetzt. Ziel war es, die innere Struktur der Trennwände zu optimieren, sodass sie weiterhin die nötige Stabilität, allerdings eine reduzierte Masse aufweisen. Durch eine Nutzung der Autodesk-Produkte für Generative Design konnte dieses Ziel, wie in Bild 3 zu sehen, erreicht werden. Ergebnis ist eine Trennwand, deren Gewicht um 50% reduziert werden konnte, während die Belastbarkeit sogar erhöht wurde.

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Bild 3: Mithilfe des Generative Designs entwickelte Trennwand des Airbus A380, die eine 50% verringerte Masse bei gesteigerter Belastbarkeit aufweist (Quelle: www.redshift.com)

Ein Schlüssel zum Erfolg des Generative Designs ist das Cloud-Computing, welches sich Autodesk bei seinen Softwarelösungen zunutze macht. Dies ist eine Vorgehensweise, bei der das bearbeitete Modell in einer Cloud, in dem Fall einem Autodesk-Server, gespeichert und bearbeitet wird. Auf diesem Server werden dann auch die Berechnungen der generativen Gestaltvarianten durchgeführt. Für den Anwender bedeutet das: Trotz aufwendiger Berechnungen kann der eigene Rechner ohne Leistungseinbuße genutzt werden. Weiterer Vorteil ist, dass die Berechnungen aufgrund der großen Rechenkapazitäten der Autodesk-Server deutlich schneller ablaufen als auf dem eigenen Rechner. Somit ermöglicht die Nutzung des Generative Designs in Kombination mit Cloud-Computing eine sehr effiziente Arbeitsweise.

Ein weiterer Faktor, der die Beliebtheit des Generative Designs in den letzten Jahren deutlich gesteigert hat, ist die Qualitätssteigerung der additiven Fertigungsverfahren. Mit dem Selektiven Lasersintern (s. Bild 4) beispielsweise lassen sich heutzutage Bauteile aus Metall fertigen, die gleiche Festigkeiten aufweisen wie in herkömmlichen Verfahren erzeugte Bauteile. In Verbindung mit der nahezu vollständigen Formunabhängigkeit der additiven Fertigungsverfahren lassen sich generativ erzeugte Konstruktionen ohne aufwendige Nachbearbeitungsschritte fertigen. Einziger Nachteil der additiven Fertigungsverfahren ist bisher die etwas geringere Wirtschaftlichkeit gegenüber etablierten Fertigungsverfahren bei großen Stückzahlen. Da die additiven Fertigungsverfahren jedoch weiterhin großes Forschungsthema an Universitäten, Instituten und Unternehmen sind, kann auch hier in Zukunft eine Leistungssteigerung erwartet werden.

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Bild 4: Additiv gefertigtes Bauteil eines Skateboards (Quelle: Autodesk)

Abschließend lässt sich festhalten, dass das Generative Design in Zukunft immer stärker an Bedeutung gewinnen wird. Besonders die mögliche Effizienzsteigerung in der Arbeitsweise und die Erfolge der Pilotprojekte werden in Zukunft für eine Ausweitung der Anwendungsfelder des Generative Designs sorgen, sodass es sich langfristig als fester Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses etablieren wird.

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