Що таке генеративний дизайн і де його використовують?

У сучасній механіці без генеративного дизайну нікуди: він допомагає знаходити рішення, які дуже складно або навіть неможливо придумати, спрощує оптимізацію наявних конструкцій і значно економить час. Що таке генеративний дизайн, де його застосовують, і як він пов’язаний з 3D-друком розповімо нижче.

Що таке генеративний дизайн?

Генеративний дизайн (Generative design) — це командна робота людини та комп’ютера. Зазвичай програми використовуються тільки як інструменти, але в генеративному дизайні вони повноцінні учасники творчого процесу.

Це не означає, що програма може обійтися без участі людини — над проєктом все одно повинен працювати досвідчений інженер.

Створення рішення за допомогою генеративного дизайну відбувається так:

  • Проєктувальник дає програмі технічне завдання: перераховує обмеження, позначає перешкоди та кріпильні елементи.
  • На базі цих обмежень програма генерує варіанти вирішення (звідси й пішла назва «генеративний дизайн»).
  • Людина вибирає із запропонованих програмою варіантів оптимальний і при необхідності допрацьовує його.

Генеративний дизайн — приклад синергії людини та комп’ютерної програми. Тим, хто боїться розвитку технологій через можливе повстання машин зі штучним інтелектом треба придивитися до цього методу. Тут програми не змагаються з людьми за роботу, а допомагають формулювати проміжні рішення. Формулювати технічне завдання, придумувати початкову ідею проєкту і доводити його до ідеалу — привілей людини. Рішення, зроблені за допомогою генеративного дизайну, нагадують природні форми, але допрацьовані та завершені. Користувачам результат такого підходу, часто здається химерним на вигляд. Попри це, генеративний дизайн дає переваги виконавцю проєкту і створює нову естетику.

Чим такий хороший генеративний дизайн

За допомогою генеративного дизайну проєктують оптимізовані об’єкти. Він дозволяє без втрат часу враховувати властивості матеріалів, навантаження на виріб і інші параметри. Генеративний дизайн дає інженеру гарантію, що на основі віртуального прототипу деталі можна відразу відправляти в виробництво. В інших підходах, щоб бути впевненим у валідності прототипу, його потрібно окремо протестувати (Stress-strain analysis). Так генеративний дизайн зберігає час проєктувальника і гроші компанії.

За допомогою генеративного дизайну можна створити новий проєкт або оптимізувати вже наявний.

Завдяки генеративному дизайну, властивості матеріалів враховуються вже на етапі створення проєкту. Відповідний прототип створюється безпомилково, з першого разу, також програма підказує, як зменшити вагу або об’єм виробу, без втрати його властивостей. Якщо отриманий результат вимагає змін, проєктувальник просто вносить в програму нові обмеження. Кожен представлений програмою варіант в будь-якому випадку буде на 100% відповідати завданню, яке внесли спочатку.

За допомогою генеративного дизайну, інженер виходить за рамки звичного сприйняття і працює з рішеннями, які раніше не створювалися. Кожен проєкт, який створили за допомогою такого підходу, унікальний. У програми немає шаблонів, стереотипів або готових рішень — тільки обмеження, які проєктувальник задає на першому етапі роботи.

Топологічна оптимізація і генеративний дизайн: в чому різниця?

Генеративний дизайн використовує топологічну оптимізацію (простіше кажучи, вдосконалення конструкції за допомогою спеціального алгоритму), але не кожен проєкт, створений з урахуванням оптимізації топології, приклад генеративного дизайну.

До промислового використання generative design принципи топологічної оптимізації застосовувалися для створення теоретично максимально вдалого проєкту. Ось тільки на практиці реалізувати такий варіант в деяких випадках було неможливо. Кожен проєкт, який створили за допомогою генеративного дизайну, оптимізований на 100% і ідеальний з точки зору відповідності обмеженням. Це технологічний прорив. Тепер інженерія не повинна вибирати між функціональністю та економічністю.

Крім того, топологічна оптимізація вимагає наявності готової 3D-моделі. Щоб оптимізувати прототип, проєктувальник вводить в програму необхідні умови, і вона прораховує варіанти оптимізації виробу всередині цих обмежень. Потім інженер повертається до проєкту, вносить зміни, які рекомендувала програма, і перевіряє, щоб в результаті цих змін фізичні властивості об’єкта не відхилилися від потрібних значень. При топологічній оптимізації змінюється тільки зовнішній вигляд конструкції, а матеріали й «ідея» залишаються такими ж.

Генеративний дизайн не вимагає готової 3D-моделі. Програма створює прототип з нуля по обмеженнях, заданих проєктувальником. Генеративний дизайн дозволяє замінити вузол з декількох деталей, на вузол з однієї деталі, котрий буде працювати як мінімум не гірше, а то і краще. Топологічна оптимізація пропонує єдиний варіант оптимізації однієї моделі, а генеративний дизайн пропонує до десяти варіантів виробу — на вибір.

Які програми використовувати?

Fusion 360

Програма працює просто:

  1. Інженер задає обмеження, всередині яких система буде шукати рішення;
  2. Проєктувальник вказує зони, які треба залишити в первісному вигляді, робочі та кріпильні ділянки деталі, перешкоди, які потрібно огинати, що діють на деталь навантаження і закріплення;
  3. Завдання відправляється в хмару, програма шукає рішення і передає їх проєктувальнику, коли знаходить.
  4. Ці рішення будуть відрізнятися один від одного, а користувач вибирає з них потрібний варіант або варіанти (і допрацьовує якщо необхідно).

Creo Generative Design

Програма працює за тим же принципом, що і Fusion 360. Її особливість — хмарний модуль GDX, за допомогою якого можна паралельно створювати кілька конструкцій з різних матеріалів і з використанням різних сценаріїв виробництва. Також Creo пропонує спеціальний модуль для топологічної оптимізації — Creo Topology Optimization.

nTop Platform

Ця платформа була розроблена компанією nTopology у 2017 році. Вона підходить для колаборації команди інженерів в одному середовищі. Її можна використовувати не тільки для генеративного дизайну, але і для топологічної оптимізації. Програма дозволяє постійно отримувати оновлення і доповнюється новими функціями.

Siemens NX

У NX можна працювати як з 2D, так і з 3D моделями, вона дозволяє без втрат переносити інформацію з інших CAD-систем.

Генеративний дизайн і 3D друк

3D-друк відкриває нові можливості для генеративного дизайну, він втілює в життя рішення, які до цього неможливо було реалізувати через особливості обладнання. 3D-друк зробив прорив у виготовленні виробів з металу або полімерів. Колишні технології лиття та механічної обробки не справлялися зі створенням геометричних форм, створених за допомогою генеративного дизайну. Тепер ці форми роблять з пластику, сплаву або металу на 3D-принтерах. У полімерних принтерів навіть є можливість змінювати матеріали в процесі друку, щоб деталь функціонувала ще краще.

Ще 10 років тому багато сучасних рішень в різних сферах, від будівництва до медицини, здавалися неможливими. Моделі, які створюють за допомогою генеративного дизайну і 3D-друку ефективні, а в деяких випадках і дешевші в порівнянні з традиційними методами виробництва.

Приклад синергії 3D друку і генеративного дизайну в японському електромобілі WHILL: була зменшена вага ємності для батареї — найважчої ділянки в портативному автономному візку для інвалідів.

У 2015 році New Balance і студія дизайну Nervous System розробили новий матеріал, максимально оптимізований для бігунів. З нього зробили кросівки, а підошви для них надрукували на 3D-принтері.

Кому потрібен генеративний дизайн?

Автомобільній промисловості. За допомогою генеративного дизайну створюються складні вузли та деталі, а також легкі й аеродинамічні компоненти автомобіля.

Аерокосмічної промисловості. Тут генеративний дизайн підходить для зменшення ваги апаратів, що веде до меншої витрати палива, здешевлення польотів і поліпшенню їх екологічності.

Медицині. У стоматології та в протезуванні генеративний дизайн дозволяє створювати легкі, майже невідчутні, але функціональні конструкції. У перспективі він допоможе в розробці штучних внутрішніх органів і точного відтворення тканин. Можливо, ця технологія допоможе і протезуванню судин.

Роздрібній торгівлі. Рішення генеративного дизайну для кінцевих споживачів дуже функціональні, і привертають увагу шляхом незвичайного зовнішнього вигляду. Їм майже не потрібен маркетинг, а їх термін експлуатації вище в порівнянні зі стандартно виготовленими виробами.

Будівництву та архітектурі. Генеративне проєктування дозволяє створити ідеальне планування приміщень, скоротити кількість співробітників, зайнятих проєктом і оптимізувати витрати. Генеративний дизайн дозволяє втілювати оптимальні цільові рішення: наприклад, побудувати оперний театр з кращого акустикою у світі.

Вебдизайну (Uizard Technologies, uKit AI, Rene), мистецтву (виставка «Рідкі Пікселі» Мігеля Шевальє) і індустрії розваг (гра No Mans Sky).

За генеративним дизайном майбутнє. Він дозволяє вийти за рамки стандартних підходів і при цьому отримати оптимізований результат завдяки взаємодії людини та програми.

Людству пора звикнути до незвичайних форм результатів генеративного дизайну. У них є своя естетика, хоча її поки не можна вважати базовою для споживача. Але якщо генеративний дизайн продовжить показувати відмінні результати, застосовувати його стануть ще частіше, так що образ продукту генеративного дизайну рано чи пізно міцно увійде в масову свідомість.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

14 інструментів дизайнерів для кращої роботи з кольорами

Кращі конкурси для дизайнерів та ілюстраторів в 2021 році

10 тенденцій UI-дизайну, які дозволять виділити ваш продукт у 2021 році

10 актуальних трендів при розробці лого в 2021 році