Design generativo: Introduzione

Il design generativo è il prossimo obiettivo della progettazione CAD per gli ingegneri che lavorano praticamente in ogni settore manifatturiero. Sfrutta la potenza dell’intelligenza artificiale (AI) per sviluppare nuove iterazioni di progettazione ad alte prestazioni che aiutano a risolvere le sfide più complesse, ridurre il peso dei componenti e i costi di produzione, personalizzare la scala e ottimizzare le prestazioni.

Sebbene i progetti con molti reticoli e caratteristiche straordinariamente complesse possano sembrare esotici, oggi il design generativo ha applicazioni sempre più pratiche.

In questa guida completa scoprirai come funziona il design generativo, nonché i suoi vantaggi, le applicazioni e l’importante ruolo che la stampa 3D ha nel dare vita a progetti incredibili. Da casi di studio reali e suggerimenti pratici, vedrai come iniziare oggi.

Cos’è il design generativo?

Definizione di design generativo

La progettazione generativa è un processo iterativo di esplorazione della progettazione che utilizza un programma software basato sull’intelligenza artificiale per generare una gamma di soluzioni di progettazione che soddisfano una serie di vincoli. A differenza della progettazione tradizionale, in cui il processo inizia con un modello basato sulle intuizioni dell’ingegnere, la progettazione generativa inizia con i parametri di progettazione e utilizza l’IA per creare il modello.

Processo di progettazione generativa.  Adattato dal libro "Generative Design" di H. Bohnacker, J. Laub, B. Groß e C. Lazzeroni (2019), Princeton Architectural Press.

Modificando i parametri di progettazione in un ciclo di feedback sempre più raffinato, gli ingegneri possono trovare soluzioni di progettazione altamente ottimizzate e personalizzate per un’ampia gamma di sfide ingegneristiche, come la creazione di componenti di prodotto più leggeri, più resistenti e più convenienti.

La differenza tra ottimizzazione topologica e progettazione generativa

Progettazione generativa e ottimizzazione topologica sono diventate parole d’ordine nel mondo della progettazione CAD, ma spesso vengono scambiate come sinonimi.

L’ottimizzazione topologica non è nuova. È in circolazione da almeno 20 anni ed è disponibile in molti dei consueti strumenti software CAD. Per avviare il processo, un ingegnere umano deve creare un modello CAD, in cui vengono applicati carichi e vincoli tenendo conto dei parametri di progetto. Il software genera quindi un concetto di modello mesh ottimizzato che è pronto per essere valutato dall’ingegnere. In altre parole, l’ottimizzazione della topologia richiede un modello progettato dall’uomo da zero per funzionare, che limita il processo, il suo output e la scala.

In un certo senso, l’ottimizzazione topologica funge da base per la progettazione generativa. Il design generativo fa un ulteriore passo avanti nel processo ed elimina la necessità che il modello iniziale sia progettato dall’uomo, assumendo il ruolo del progettista in base all’insieme predefinito di vincoli.

Il ruolo mutevole dell’ingegnere nella progettazione generativa

Il ruolo dell’ingegnere si è evoluto di pari passo con la tecnologia. Poiché la progettazione è diventata sempre più dipendente dal software per computer, capire come manipolare gli strumenti digitali per risolvere le sfide di progettazione è diventato un requisito fondamentale per gli ingegneri che lavorano in tutti i settori. Prima della progettazione generativa, gli ingegneri hanno concettualizzato e testato le iterazioni utilizzando modelli e schizzi pratici.

Ora, utilizzando il software di progettazione generativa, gli ingegneri specificano requisiti di prestazioni di alto livello e framework di progettazione generali, quindi lasciano i dettagli al software. Il processo di definizione di questi parametri può essere particolarmente complesso durante la caratterizzazione di nuovi materiali o la modellazione di problemi o spazi di soluzione difficili da definire.

In un cambiamento fondamentale rispetto ai processi di progettazione tradizionali, gli ingegneri non dovranno più creare soluzioni progettuali da soli. Invece, grazie al design generativo, articolano e raffinano l’ambiente in cui le soluzioni progettuali possono avere successo. Lasciando che i computer “pensino” per loro, il design generativo consente agli ingegneri di concentrarsi sull’innovazione e sulla risoluzione dei problemi di alto livello.

Applicazioni di progettazione generativa

Esistono applicazioni del design generativo in molti settori, dall’aerospaziale e dall’architettura alla produzione e ai beni di consumo. Gli ingegneri che utilizzano il design generativo cercano in genere di risolvere sfide ingegneristiche complesse. Questi includono la riduzione del peso dei componenti e dei costi di produzione, il ridimensionamento della personalizzazione dei componenti e l’ottimizzazione delle prestazioni.

Ad esempio, nel settore della produzione automobilistica, gli ingegneri utilizzano la progettazione generativa per ridurre il peso dei componenti, migliorare le aree di progettazione deboli, ridurre i costi di produzione consolidando i componenti e ridurre il tempo di commercializzazione dei componenti.

Allo stesso modo, nel settore delle attrezzature sportive, i designer stanno sfruttando il design generativo per raggiungere nuovi livelli di prestazioni del prodotto riducendo i costi di produzione. Nel settore aerospaziale, il design generativo consente ai produttori di compagnie aeree di ridurre il peso e migliorare la resistenza dei componenti degli aeromobili, il che aiuta le compagnie aeree a vedere un consumo di carburante ridotto e quindi costi ed emissioni inferiori.

Vantaggi del design generativo

Esplorazione simultanea: uno dei vantaggi più notevoli del design generativo è che consente l’esplorazione, la convalida e il confronto simultanei di centinaia o migliaia di opzioni di progettazione. Il software può visualizzare e confrontare le opzioni di progettazione in un modo che consente agli ingegneri di trovare in modo rapido ed efficiente quelle che meglio soddisfano i parametri e le esigenze del progetto.

Tempi di progettazione accelerati: quando gli ingegneri sfruttano l’IA per scoprire e testare nuove complesse iterazioni di progettazione in modo rapido, efficiente e su larga scala, possono ridurre notevolmente i tempi di ricerca e sviluppo per nuovi prodotti. Di conseguenza, le aziende che utilizzano il design generativo possono ottenere un vantaggio competitivo accelerando il time-to-market dei prodotti.

Sfruttare processi di produzione avanzati: il design generativo può creare progetti complessi come caratteristiche organiche o reticoli interni per sfruttare la libertà di progettazione unica offerta dalle tecnologie di produzione additiva. Offre anche la possibilità di consolidare le parti, quindi una singola geometria complessa creata utilizzando un algoritmo generativo e stampata in 3D può spesso sostituire assiemi di dozzine di parti separate.

Strumenti software per il design generativo

Chiunque abbia esperienza CAD può facilmente passare al software di progettazione generativa. Oltre a software specifici per la progettazione generativa, molti programmi CAD oggi dispongono di strumenti di progettazione generativa o plug-in integrati.

Il software di progettazione generativa, tuttavia, offre agli utenti molto di più delle tradizionali funzionalità del software CAD. Questi strumenti consentono agli utenti di inserire informazioni su forze, materiali, costi e simili nei profili di progettazione, nonché di assegnare priorità e perfezionare i parametri in base a rappresentazioni grafiche delle soluzioni di progettazione.

Quello che troverai di seguito non è affatto un elenco esaustivo, ma troverai i programmi software più popolari che offrono funzionalità di progettazione generativa:

Autodesk Fusion 360: Fusion 360 offre agli utenti un ricco set di strumenti di modellazione, inclusi schizzi, modellazione diretta, modellazione di superfici, modellazione parametrica, modellazione mesh, rendering e molto altro. Le sue capacità di progettazione generativa consentono agli utenti di identificare i requisiti di progettazione, i vincoli, i materiali e le opzioni di produzione per creare progetti pronti per la produzione, consentendo agli utenti di sfruttare la potenza dell’apprendimento automatico e dell’intelligenza artificiale per rivedere i risultati del layout generati dal cloud in base a somiglianze visive, grafici e filtri.

Creo Generative Design di PTC: sfruttando il cloud, questo software consente agli utenti di creare concetti di progettazione semplificati esplorando e testando rapidamente numerose iterazioni di progettazione. Evidenzia le iterazioni che meglio si adattano agli obiettivi dell’utente in base ai parametri di progettazione impostati dall’utente. All’interno dell’ambiente di progettazione Creo, il software promette di produrre progetti di alta qualità, a basso costo e realizzabili, il tutto in meno tempo rispetto ai principali concorrenti.

nTopology nTop Platform: il software nTop Platform promette agli utenti il ​​controllo completo di tutti gli aspetti del processo di ottimizzazione e dei suoi risultati. Sfruttando strumenti generativi avanzati, gli utenti possono creare flussi di lavoro personalizzati e riutilizzabili su misura per requisiti applicativi unici. Le caratteristiche principali di questo programma includono: operazioni di modellazione e inquadratura infrangibili, ottimizzazione della tipologia, flussi di lavoro di progettazione riutilizzabili, progettazione guidata da parametri e simulazioni di analisi degli elementi finiti meccanico-termici.

Siemens NX: Oltre al design generativo, la caratteristica principale che NX offre è la sua tecnologia digital twin, che promette agli utenti una soluzione flessibile, potente e integrata per aiutarli a ottimizzare la progettazione e la consegna dei migliori prodotti. NX combina l’interoperabilità di progettazione, convalida, definizione basata su modelli e altro per aiutare gli utenti a spostare i prodotti attraverso la ricerca e lo sviluppo più velocemente e a costi inferiori, migliorando al contempo la qualità del prodotto.

MSC Apex Generative Design di MSC Software: questo programma promette agli utenti una soluzione completa per realizzare componenti metallici di alta precisione più velocemente e con un intervento umano minore rispetto alla concorrenza. MSC Software afferma che gli utenti sperimentano una riduzione del tempo di progettazione e configurazione iniziale fino all’80%. A colpo d’occhio, il software combina semplicità, progettazione automatizzata, importazione e convalida e un risultato diretto in un unico processo.

Progettazione generativa e stampa 3D

Perché il design generativo e la stampa 3D funzionano bene insieme

Gli algoritmi di progettazione generativa creano spesso forme organiche altamente efficienti con reticoli di supporto che sono costosi o addirittura impossibili da produrre utilizzando tecnologie di produzione convenzionali come lo stampaggio a iniezione o strumenti di produzione sottrattiva come la lavorazione CNC. Strumenti di produzione avanzati come la stampa 3D (nota anche come produzione additiva) sono essenziali per i tipi di applicazioni sensibili alle prestazioni in cui questa ottimizzazione è impressionante.

La stampa 3D funziona bene in combinazione con il design generativo perché fornisce un mezzo rapido e flessibile per produrre un modello tridimensionale ad alta risoluzione da una o più iterazioni di progettazione per un prodotto finale conveniente. In generale, in termini economici, la redditività della stampa 3D aumenta insieme alla complessità di un’iterazione progettuale.

La stampa 3D è più competitiva in termini di costi con volumi di produzione inferiori, perché non è necessario ottenere economie di scala per compensare i costi di installazione. Inoltre, facilita la personalizzazione di massa, che favorisce il design generativo. Poiché il costo della stampa 3D continua a diminuire e la varietà di materiali aumenta, la stampa 3D sta diventando molto pratica nella produzione di parti di piccole e medie dimensioni per un numero sempre maggiore di applicazioni.

Casi di studio: design generativo e stampa 3D in azione

Diamo un’occhiata a tre esempi di come il design generativo e la stampa 3D funzionano bene insieme nelle applicazioni della vita reale.

IGESTEK è un’azienda specializzata nello sviluppo di soluzioni leggere per il settore automobilistico, utilizzando plastiche e materiali compositi. L’azienda sviluppa e integra diverse tecniche di lavorazione ibrida per produrre componenti con materiali compositi, che possono essere utilizzati da fornitori automobilistici di alto livello e produttori di apparecchiature originali per produrre parti per auto e moto di fascia alta.

Uno degli ultimi progetti innovativi di IGESTEK è un Sospensione Ammortizzatore Supporti. Questi componenti fanno parte del sistema di sospensione di un veicolo, la cui funzione è quella di ridurre le vibrazioni che si verificano durante il movimento del veicolo per aumentare il comfort dei passeggeri.

L’ammortizzatore è stato sviluppato utilizzando il software di progettazione generativa Fusion 360 di Autodesk, che offre molteplici soluzioni basate su una serie limitata di requisiti.

Il team ha quindi stampato in 3D i progetti più promettenti in situ sulla stampante 3D per stereolitografia di grande formato (SLA) LAB H2/H3 per convalidare la geometria, sfruttando il suo grande volume di stampa per stampare fino a tre diverse iterazioni contemporaneamente. Grazie alla stampa 3D SLA, è stato possibile realizzare le complesse geometrie che si ottenevano attraverso il generative design e validare i processi di assemblaggio e cinematica con prototipi funzionali senza investire in strumenti costosi.

Il risultato finale del processo di ricerca e sviluppo è stata un’architettura multi-materiale che combina la stampa 3D in metallo basata su geometrie generative e materiali compositi più leggeri per offrire prestazioni ottimali, in un pacchetto che è il 40% più leggero delle attuali soluzioni di mercato.

WHILL, un produttore giapponese di veicoli elettrici, ha deciso di rendere più facile il trasporto di una sedia a rotelle motorizzata riducendo il peso della parte più pesante: il vano batteria. Utilizzando il software di progettazione generativa Fusion 360 di Autodesk, gli ingegneri WHILL sono stati in grado di creare un nuovo progetto che ha ridotto il peso della custodia della batteria del 40%.

Il team di sviluppo del prodotto ha quindi utilizzato un nuovo processo di produzione per dare vita al design. Il team ha diviso il progetto in quattro parti per adattarsi al volume di costruzione di una stampante 3D stereolitografia desktop 3d-type, quindi ha stampato le parti in Castable Wax Resin per la microfusione.

Una volta completato, gli ingegneri hanno collegato le parti e fuso in sabbia il progetto in una fusione di metallo finale. Alla fine, il team ha fatto un passo avanti grazie alla stampa 3D interna e alla progettazione generativa, riducendo il costo di produzione finale della sedia a rotelle WHILL riducendo il numero totale di parti nel prodotto.

Come WHILL, anche New Balance, azienda specializzata nella produzione di calzature, ha fatto importanti passi avanti grazie all’utilizzo del design generativo e della stampa 3D. Con una visione a lungo termine per l’innovazione nella sua linea di calzature personalizzate, New Balance ha collaborato con lo studio di design digitale Nervous System nel 2015 per impegnarsi in un processo di progettazione generativa per sviluppare un’intersuola che si adattasse meglio ai dati sulle prestazioni di un corridore.

Quindi, nel 2017, New Balance ha collaborato con 3d-type per sviluppare Rebound Resin, una resina fotopolimerizzabile pronta per la produzione con una resistenza allo strappo cinque volte migliore, una resistenza alla trazione tre volte migliore e un allungamento due volte migliore rispetto ad altri elastomeri di produzione stampati in 3D materiali sul mercato. Insieme, New Balance e 3d-type hanno fatto grandi passi avanti nella produzione di calzature e hanno contribuito a fornire prodotti migliori agli utenti finali.

Le due aziende continuano a lavorare insieme con l’obiettivo finale di produrre in serie scarpe da corsa personalizzate e su misura per ogni cliente attraverso l’uso di design generativo e nuovi materiali di stampa 3D.

Introduzione al design generativo

Non sai da dove cominciare? Ecco alcuni punti chiave che ti aiuteranno a trovare la strada giusta:

Iniziare è molto facile. Se conosci gli strumenti CAD, non c’è molta curva di apprendimento se vuoi provare il design generativo. Il design generativo è facile da usare su problemi ben definiti e chiusi. Ora è integrato in molti pacchetti CAD che offrono una prova di 30 giorni.

Ridurre il peso di una parte esistente è un ottimo progetto con cui iniziare. La riduzione del peso è un buon punto di partenza per l’ottimizzazione pur mantenendo le prestazioni, presupponendo che i carichi siano ben compresi.

Elimina la visione a lungo termine nei progetti di ricerca e sviluppo più piccoli. La progettazione generativa e la produzione additiva richiedono diverse mentalità e processi di lavoro di cui trarre vantaggio. Non otterrai un prodotto stampato in 3D personalizzato e ottimizzato per le prestazioni, disponibile a livello globale e su larga scala, dall’oggi al domani. La stragrande maggioranza dei progetti di successo sembra una serie di progetti iterativi strategici nel tempo.

Cerca partner tecnologici che forniscano esperienza e supporto. Molte aziende di software e produzione additiva hanno team dedicati ad assisterti con tutto ciò di cui hai bisogno, come il team 3d-type Factory Solutions. Trova un modo per sfruttare quell’esperienza per iniziare e imparare velocemente.

Design generativo: innovare il futuro

Il design generativo gioca un ruolo sempre più centrale nella progettazione del prodotto in un’ampia gamma di settori. Sia che un’azienda stia cercando di ridurre il peso di un supporto per motore aeronautico, rendere una sedia a rotelle più portatile o persino personalizzare una scarpa da corsa, il design generativo e la stampa 3D stanno aprendo la strada a un futuro totalmente nuovo, ottimizzato e personalizzato.

Man mano che i progressi nell’IA e nella produzione additiva continuano ad ampliare l’orizzonte delle possibilità per la progettazione generativa, emergeranno più applicazioni e vantaggi di queste tecnologie innovative all’avanguardia.



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