3 октября состоится бесплатный вебинар «Как Москва помогает технологическим компаниям получать заказы и расти»
3 октября в 16:00 руководитель сервиса «Биржа контрактного производства» Филипп Чураков расскажет всем желающим о том, какие заказы размещают высокотехнологичные компании Москвы на бирже i.moscow, как исполнители могут их увидеть и сколько можно заработать на их исполнении. Регистрация <em>доступна по ссылке</em>.
Для кого вебинар? Для исполнителей технологических заказов. Вы печатаете детали на 3D-принтерах? Выполняете искусственную металлообработку? Создаете дизайн новых продуктов? А может вы способны выполнить заказы в сфере литья, 3D-моделирования, проведения испытаний или сертификации? Тогда наш вебинар для Вас. Мы подробно расскажем Вам о том, какие заказы можно выполнять на платформе i.moscow.
Организатор вебинара – ГБУ «КРЗ» (Корпорация развития Зеленограда) — подведомственная организация Департамента предпринимательства и инновационного развития Москвы. КРЗ курирует 4 отраслевых кластера Москвы: «Микроэлектроника», «Новые материалы», «Робототехника» и «Спортивная индустрия». ГБУ «КРЗ» помогает предпринимателям с бесплатным поиском помещений под аренду, публикует предложения заказчиков и исполнителей на «Бирже контрактного производства», создает прототипы изделий на 3D-принтерах и выступает площадкой для программы пилотного тестирования Агентства инноваций Москвы. Стартапы столицы получают льготную аренду и консультации в бизнес-инкубаторе корпорации.
У российских поставщиков установок прямого лазерного выращивания есть шансы стать участниками амбициозного и очень востребованного отечественной медициной проекта, инициированного компанией из Приморья «Рутил». Эта компания-резидент территории опережающего развития «Михайловский», расположенной в Арсеньеве Приморского края, будет производить высококачественные эндопротезы тазобедренных, коленных, локтевых суставов и других.
Общий объем инвестиций в проект превысит 100 миллионов рублей. Причем, большая часть вложений пойдет на приобретение установки прямого лазерного выращивания, а также оборудования для запайки лотков (трейсилера) и низкотемпературного газового стерилизатора. Кроме того, будет установлена система утилизации. И, поскольку в официальных релизах еще ничего не сообщается о предполагаемых поставщиках оборудования, вероятно, инициаторы проекта еще рассматривают коммерческие предложения.
Планируемая мощность производства — 50 тысяч изделий в год. Начать решили с печати тазобедренного протеза. На данный момент уже создан опытный образец, он успешно прошёл все необходимые проверки и сертификации.
«Начнем в 2025 году с 5 тысяч комплектов, в ноябре 2026 года планируем выйти на 10 тысяч комплектов, двигаясь к плановой мощности в 50 тысяч изделий в год. Анализ данных по отечественным производителям говорит о насыщении рынка полностью отечественной продукцией не более чем на 7%. Наша цель до 2027 года – занять 60% российского рынка по госзакупкам путем замещения импорта», – сообщил генеральный директор компании «Рутил» Леонид Колесников.
Сырьё для производства эндопротезов «Рутил» также планирует закупать у отечественных поставщиков.
В планах инвестора — с 2027 года начать работу в области детской ортопедии и выйти на рынки стран Евразийского экономического союза, Юго-Восточной Азии и Индии.
Технологические компании могут найти помещения для работы с помощью городского сервиса
Сейчас в сервисе представлено почти 900 площадок, которые подойдут для размещения производств, офисов и складов.
С начала года 45 инновационных компаний подобрали площадки для офисов и производств с помощью бесплатного сервиса на городской платформе i.moscow. Свой бизнес в столице масштабировали и локализовали предприятия, работающие в сфере информационных технологий, поставщики оборудования и исследовательские центры.
«Востребованность электронной услуги растет. За восемь месяцев московские предприниматели арендовали помещения площадью 31 тысяча квадратных метров. Это на 20 процентов больше, чем за весь прошлый год»,— рассказала Наталья Сергунина, заместитель Мэра Москвы.
Самое большое помещение площадью свыше 15 тысяч квадратных метров занял производитель микроэлектроники. Он выпускает технику из отечественных комплектующих с применением нанотехнологий.
С помощью сервиса площадку подобрал многопрофильный ИТ-холдинг, который создает и внедряет сложные информационные системы. Разработчик демонтажных роботов, применяемых на строительных объектах по всей стране, благодаря городской платформе расширил производство.
Помещения в столице арендовали исследовательский институт и химические лаборатории, а также несколько поставщиков оборудования, в том числе в области углеродных и полимерных композиционных материалов.
Сервис по подбору площадок работает с 2021 года. Сейчас на сайте представлено почти 900 объектов, которые подойдут для размещения производств, офисов и складов. Для поиска можно воспользоваться удобными фильтрами — по местоположению, размеру и стоимости, а также заказать обратный звонок. В таком случае к процессу подключится персональный консультант. Он учтет потребности и технические нюансы и подберет подходящие варианты.
Различные технологии аддитивного производства и их использование с генеративным проектированием
Рассмотрим несколько технологий аддитивного производства, которые могут эффективно применяться с генеративным проектированием. Обратим внимание на их уникальные процессы, материалы и возможности.
Экструзия материала (FFF/FDM):
FFF работает путём экструзии термопластичных нитей. Благодаря своей доступности и универсальности этот метод широко используется для прототипирования и мелкосерийного производства. FFF подходит для создания сложных и лёгких компонентов, спроектированных с помощью генеративного проектирования, особенно для прототипов и функциональных деталей в автомобильной промышленности и в производстве потребительских товаров.
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 промышленности.
Селективное лазерное спекание (SLS):
SLS предполагает использование лазера для выборочного спекания порошкообразных материалов, чаще полимеров и эластомеров. Детали, получаемые по этой технологии, имеют высокую изотропность, долговечность, и не используют поддерживающие структуры, что в полной мере подчёркивает синергию между революционными технологиями проектирования и производства. Детали по SLS технологии широко применяются в авиастроении, автомобильной и медицинской промышленности для функциональных прототипов и конечного использования.
Селективное лазерное плавление (L-PBF/SLM):
SLM — это процесс аддитивного производства металлов, в котором задействованы один или множество мощных лазеров для плавления частиц металлического порошка, создавая высокоплотные металлические детали. Эта технология подходит для производства высокопрочных и сложных металлических компонентов для различных отраслей промышленности, включая авиастроение, космонавтику, автомобилестроение и медицину. Генеративное проектирование и SLM — это наилучший симбиоз, в который поверили и используют на постоянной основе многие прогрессивные предприятия.
Электронно-лучевое плавление (ЭЛП/EBM/EB-PBF):
В EBM используется электронный луч для плавления частиц металлического порошка в вакуумной камере. Эта технология позволяет печатать высокопрочные детали для авиастроения, космонавтики, автомобилестроения, энергетики, оборонной и медицинской промышленности. EBM подходит для производства высокопроизводительных металлических деталей со сложной геометрией и внутренней структурой, часто создаваемых с помощью алгоритмов генеративного проектирования.
Экструзия материала (MJ/MJM):
Технология MJ предполагает послойное нанесение жидких фотополимерных материалов, причём 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. Если к генеративному проектированию добавить цветовое выделение частей деталей или группы, то симбиоз способен доказать и указать на единственно верный выбор этих инновационных решений.
Сочетание этих технологий аддитивного производства с генеративным проектированием 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.
Сравнение затрат с генеративным проектированием и без него
Затраты с ГП
Стоимость без ГП
Инструменты генеративного проектирования могут работать из облака по подписке и быть дешевле на старте (например, Autodesk Fusion 360 стоит около 495 долларов США в год).
Традиционные инструменты САПР, если их приобретать в коробочной версии с бессрочной лицензией, стоят дороже на старте, но обходятся дешевле при долгосрочном использовании (например, бессрочная лицензия SolidWorks стоит около 3 995 долларов США).
Значительное сокращение времени и стоимости проектирования за счет автоматизированной генерации.
Более длительные циклы проектирования, множество итераций и более высокие трудозатраты из-за работы инженеров.
Часто используется аддитивное производство, которое может быть экономически эффективным для сложных конструкций без дорогостоящей оснастки.
Более высокие затраты на подготовку производства и оснастку при традиционных методах производства. Кроме того, требуется больше физических прототипов, что увеличивает затраты на прототипирование.
Обычно используется оптимальное количество материала, при этом сокращается время изготовления и потери.
Менее эффективное использование материалов, что приводит к увеличению затрат на материалы и увеличению отходов.
Текущее состояние и перспективы развития отрасли
Генеративное проектирование 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 искусственного интеллекта и машинного обучения, повышенным вниманием к устойчивости и эффективности использования ресурсов в проектировании, интеграцией генеративного проектирования с аддитивным производством, быстрым ростом облачного генеративного проектирования. Однако, несмотря на то что генеративное проектирование 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.
Приведём ниже несколько полезных чисел в рамках обсуждаемой статьи:
В 2023 году мировой рынок генеративного проектирования оценивался в 258,8 млн долларов США. В течение 2024-2032 гг. он может демонстрировать среднегодовой темп роста 15,06% до 948,7 млн долларов США уже к 2032 году (IMARC GROUP, 2024).
Глобальный же рынок продуктов, использующих искусственный интеллект, достиг 92,6 млрд долларов США в 2023 году и, как ожидается, приблизится к отметке 737,1 млрд долларов США в 2032 году (IMARC GROUP, 2024).
Мировой рынок ИИ для производства, который в 2023 году оценивается в 3,2 млрд долларов США, достигнет 20,8 млрд долларов США к 2028 году. (Markets and Markets, 2024)
Объём мирового рынка АП при CAGR 11,1 % составил 20,04 млрд долларов США в 2023 году и в 2033 году приблизится к 100 млрд долларов США (Wohlers Report, 2024).
Около 13% мировых стартапов из сферы АП сегодня вовлечены в процесс разработки ПО, в том числе и с генеративным дизайном (Wohlers Report, 2024).
Рассмотрим некоторые тренды, которые стоит отметить в развитии технологии генеративного проектирования.
Перспектива трёх лет:
Растущая популярность дронов в первую очередь будет стимулировать мировой рынок генеративного проектирования.
Автомобильная промышленность будет оказывать сильное влияние на развитие рынка.
Будет происходить наращивание знаний и ресурсов в каждой стране для широкого спектра отраслей.
Распространённой практикой станет стратегическое партнерство и сотрудничество с другими поставщиками технологий и лидерами отрасли.
Перспектива пяти лет:
Глобальный рынок генеративного проектирования будет тесно взаимодействовать с разработчиками в автомобильной и аэрокосмической промышленности, ОПК, промышленном производстве, здравоохранении, архитектуре и строительстве, способствуя общему росту рынка.
Доминирование Северной Америки будет все более явным, поскольку регион обладает сильной экосистемой технологических компаний, инновационных стартапов и исследовательских институтов.
Продолжающаяся эволюция программного обеспечения для генеративного проектирования обещает инженерам новые возможности для инноваций, позволяя создавать объекты, которые не только эффективны, но и эстетичны. Однако проблемы сохраняются, особенно в обеспечении структурной целостности и функциональных характеристик, а также масштабировании производства для массового внедрения.
По мере развития технологий 3D-печати и генеративного дизайна их потенциал для стимулирования прогресса и повышения эффективности во всех отраслях будет только расти. Пришло время обзавестись с помощью инновационного генеративного проектирования армией виртуальных инженеров, способных в мгновение ока создать органически вписываемые в нашу жизнь шедевры.
Вне зависимости от сферы деятельности, каждый предприниматель сталкивается с множеством задач: управление командой, планирование ресурсов, маркетинг, привлечение клиентов, развитие продукта и контроль финансов. Однако если сравнивать обычного предпринимателя с тем, кто работает в сфере аддитивных технологий, очевидно одно важное различие — дополнительный уровень ответственности, связанный с внедрением новейших технологий в бизнес-процессы и производство.
В российских реалиях доверие к 3D-технологиям еще недостаточно высоко. Поэтому простого приобретения и установки 3D-принтера недостаточно — предпринимателю необходимо понимать, как максимально эффективно использовать оборудование и сделать его применение экономически оправданным.
Какие задачи включает в себя интеграция аддитивных технологий?
– Определение возможностей и ограничений технологии в рамках конкретного производства.
– Поиск баланса между инновациями и финансовой целесообразностью.
– Обеспечение качества продукции на уровне традиционного производства, что требует использования новых материалов, точной настройки оборудования и соблюдения стандартов.
И это лишь малая часть задач.
Чтобы глубже разобраться в вопросах интеграции аддитивных технологий, я посетил компанию 3DVision, которая работает как с отечественными, так и зарубежными производителями, поставляя оборудование в сегментах B2C, B2B и B2G. Вместе с генеральным директором Ильей Виноградовым мы обсудили ключевой вопрос: «Что такое интеграция и кого можно считать интегратором?»
Офис компании 3DVision в Санкт-Петербурге. Стою вместе с генеральным директором Ильей Виноградовым.
А как вы понимаете термин «интеграция» и кто, по вашему мнению, является интегратором в сфере аддитивных технологий? Делитесь своими мыслями в комментариях!
Ученые Росатома создали прототип кластерной системы сканирования для отечественных 3D-принтеров
Сотрудники подольского Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения «ЛУЧ» (АО «НИИ НПО «ЛУЧ» входит в научный дивизион ГК «Росатом») разработали прототип установки селективного лазерного спекания (СЛС) с новой кластерной лазерно-оптической системой сканирования. В ней может быть задействовано от четырёх до девяти сканирующих устройств, что расширяет возможности по производству крупногабаритных изделий из карбида кремния, который может стать заменой тяжелых и менее стойких металлических сплавов в энергетической и других отраслях промышленности.
НИОКР проводились в рамках комплексной программы развития техники, технологий и научных исследований в области атомной энергии (КП РТТН).
Уникальные по своим свойствам изделия из карбида кремния востребованы во многих областях современной промышленности, от атомной до автомобилестроения. По сравнению с традиционной сталью или алюминием этот керамический материал обеспечивает изделию высокую твёрдость (лишь немного уступает алмазу), конструкционную прочность, теплопроводность, низкий уровень теплового расширения и отличные трибологические свойства. Преимущество технологии СЛС – возможность изготавливать сложные по конструкции изделия с высокой точностью, сокращая при этом технологический цикл.
Продукцию из карбида кремния «НИИ НПО «ЛУЧ» выпускает не первое десятилетие. Сама технология изготовления изделий из реакционно-спеченного карбида кремния была разработана еще в 1980-90-х годах. Карбид кремния давно привлекал внимание производственников своей повышенной износо- и жаростойкостью в окислительной атмосфере и химической инертностью ко всем щелочам и кислотам. Эти свойства делают карбид кремния превосходным абразивным и керамическим материалом для использования в экстремальных условиях эксплуатации. Мелкозернистая, беспористая структура реакционно-спеченных карбидокремниевых материалов позволяет обеспечить минимальную шероховатость рабочих поверхностей. Изделия, изготовленные по карбидокремниевой технологии, служат значительно дольше аналогов, произведенных из силицированного графита. Однако классическим способам изготовления продукции из карбида кремния недоступно создание сложных по геометрии изделий. В институте оценили открываемые аддитивными технологиями возможности экспериментировать с материалами, размерами и формой и решили создать собственную технологию 3D-печати из порошка карбида кремния. Начали с разработки конструкторской документации кластерной лазерно-оптической системы, затем совместно с коллегами из машиностроительного дивизиона приступили к созданию прототипа аддитивной установки. Особенность разработки – компоновка сканаторов вертикальным способом, что позволяет увеличить их количество на одном аддитивном устройстве. Благодаря этому увеличивается и рабочее поле, что в свою очередь дает возможность выпускать крупногабаритные детали, а также наращивать производительность процесса в 3 – 4 раза.
Сейчас установка СЛС имеет рабочую зону 1000×1000 мм, при этом предусмотрена возможность ограничения рабочего поля до размеров 300×300 мм, что позволяет минимизировать расход сырья при изготовлении компактных изделий. Проведенные испытания прототипа кластерной системы сканирования СЛС подтвердили полное соответствие характеристик требованиям технического задания.
В дальнейшем планируется применять эту систему для разработки и изготовления сложных изделий из облегченного карбида кремния, полученного методом СЛС, например, для производства оболочек твэлов нового поколения или дисковых тормозов в автомобильной промышленности.
Лучшие программные инструменты для генеративного проектирования
Генеративное проектирование преобразовало различные отрасли, позволив создавать инновационные и оптимизированные решения. Для облегчения этого передового подхода к проектированию было разработано несколько программных инструментов. Вот лишь некоторые из числа лучших:
Autodesk Inc.: Fusion 360 представляет собой комплексный инструмент проектирования, объединяющий возможности CAD, CAM и CAE. Набор инструментов моделирования включает в себя создание чертежей, твердотельное моделирование, построение поверхностей, параметрическое моделирование, работу с сетками и рендеринг. С помощью модуля генеративного проектирования пользователи могут указывать критерии проектирования, ограничения, материалы и производственные предпочтения, что позволяет создавать оптимизированные для производства детали. Используя машинное обучение и искусственный интеллект, Fusion 360 анализирует результаты проектирования, созданные в облаке, с помощью визуальных сравнений, графиков и фильтров. Его универсальность делает его популярным в производстве и проектировании, в том числе лёгких, бионических конструкций.
Siemens NX: Siemens NX — это высококачественный программный пакет CAD/CAM/CAE с надёжными инструментами генеративного проектирования, широко используемый в аэрокосмической, автомобильной и промышленной сфере. Он поддерживает топологическую оптимизацию для создания деталей, отвечающих требованиям к производительности при минимизации использования материала. Кроме того, NX использует технологию цифровых двойников. Все эти возможности ускоряют исследования и разработки, снижая затраты и повышая качество продукции.
Ntopology Inc.: nTop специализируется на передовом генеративном проектировании, преуспев в создании сложных решётчатых структур и оптимизированной геометрии для таких отраслей, как медицина, авиастроение, космонавтика, автомобилестроение. Это одна из самых лучших в мире платформ предлагает полный контроль над процессами оптимизации, позволяя пользователям создавать собственные рабочие процессы, адаптированные к конкретным потребностям. Благодаря таким функциям, как неявное моделирование, топологическая оптимизация и термомеханический анализ, nTop легко интегрируется с другими инструментами САПР, предоставляя универсальную платформу для инновационных проектных решений.
Altair Engineering Inc.: Altair OptiStruct — ведущее ПО для моделирования конструкций и их оптимизации. Оно включает в себя возможности генеративного проектирования, которые позволяют инженерам выполнять топологическую оптимизацию и быстро исследовать широкий спектр альтернативных вариантов проектирования.
PTC. Inc.: Creo Generative Design легко интегрируется с возможностями популярного параметрического и мощного САПР Creo, предлагая облачное решение для быстрого проектирования.
Dassault Systèmes SE: CATIA представляет собой мультиплатформенную среду проектирования с инструментами генеративного проектирования.
ANSYS, Inc.: ANSYS Discovery — это инструмент проектирования на основе моделирования, объединяющий возможности генеративного проектирования.
MSC Software Corporation (Hexagon AB): генеративное проектирование MSC Apex Generative Design позволяет быстро создавать и оптимизировать металлические компоненты с минимальным вмешательством человека. Это ПО идеально подходит для авиастроения, космонавтики, автомобилестроения, разработки высокопроизводительной техники и может похвастаться удобным интерфейсом и мощными инструментами моделирования.
Также стоит отметить такие компании и их продукты, как: 3Dnatives, Bentley Systems Incorporated, Desktop Metal Inc., Diabatix, Proto3000 Inc., и другие, которые также входят в число ключевых игроков в индустрии генеративного дизайна.
Эти программные инструменты стали незаменимыми в генеративном проектировании, предлагая уникальные функции и возможности, адаптированные к конкретным потребностям отрасли. Используя эти инструменты, дизайнеры и инженеры могут расширить границы проектирования и творчества, создавая оптимизированные и инновационные решения в различных областях.
Синергия между генеративным проектированием и 3D-печатью
Генеративный дизайн и 3D-печать — две революционные технологии, которые, будучи задействованы совместно, создают мощную синергию, способную серьёзным образом изменить ландшафт современного проектирования и производства. Эта комбинация использует сильные стороны обеих технологий для производства инновационных, эффективных и высоко оптимизированных продуктов, которые раньше было невозможно себе представить с традиционным мышлением и производством.
Как генеративное проектирование и 3D-печать работают вместе
Генеративное проектирование — ключевой игрок в этой синергии, использует алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения для создания множества альтернатив дизайна на основе заданных целей и ограничений. Этот процесс позволяет дизайнерам исследовать обширные горизонты проектирования и находить оптимизированные решения, соответствующие конкретным критериям производительности, таким как вес, прочность и использование материалов.
С другой стороны, оптимизированную компьютерную модель мало показать на мониторе компьютера, её нужно произвести и оснастить этим инновационным компонентом конкретный продукт. Человечество для этих целей пока не придумало ничего лучше аддитивного производства.
Обратимся к официальному определению аддитивного производства национальным стандартом РФ ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Аддитивное производство — это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путём добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, гибки, штамповки).
3D-печать дополняет генеративный дизайн, 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 генеративного проектирования часто создают сложные формы, подобные органическим природным структурам в сочетании со сложной решётчатой конструкцией. Эти конструкции часто экономически неосуществимы или недостижимы при использовании традиционных методов производства, таких как литьё 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. Генеративное проектирование 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 совершенствования. Программное обеспечение для генеративного проектирования позволяет быстро генерировать и оценивать многочисленные варианты дизайна, а 3D-печать — быстро создавать прототипы и тестировать эти проекты. Этот итеративный процесс обеспечивает ускорение доработки и оптимизации, сокращая время от концепции до конечного продукта.
Эффективность использования материалов. Из-за растущих экологических проблем и ограничений ресурсов промышленность вынуждена создавать экологически чистые продукты, следуя устойчивым процедурам. Эти разработки обеспечивают метод достижения этих целей за счет максимального повышения энергоэффективности, рационального использования материалов и максимального сокращения отходов. Генеративное проектирование оптимизирует количество используемого материала, оставляя его только там, где он нужен по расчётам, 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. Генеративный дизайн в полной мере использует эту свободу, исследуя нетрадиционные формы и структуры, оптимизированные для конкретных приложений.
Рис. Синергия генеративного проектирования и 3D-печати особенно сильно проявляется в итерационных подходах (Cognitive Design Systems)
В заключительной части нашего цикла мы рассмотрим, как различные технологии аддитивного производства используются совместно с генеративным проектированием, а также поговорим о перспективах развития этой сферы.
Рис. 1 Аддитивно изготовленные компоненты тяговой рамы из сплава Scalmalloy (верхний центр изображения), изготовленные компанией APWORKS в рамках технологического демонстратора компании ArianeGroup GmbH для проведения криотемпературных испытаний и испытаний на статическую нагрузку при финансовой поддержке Немецкого аэрокосмического центра (DLR) (предоставлено ArianeGroup/DLR/APWORKS)
С точки зрения металлургии, скандий образует осадок в растворе с алюминием, но мы отвлечемся. Это решение необходимо, потому что аддитивное производство алюминиевых сплавов сталкивается с все более жесткими требованиями – как техническими, так и экономическими. Будущее АП – за производством деталей, поэтому инновации будут все больше сосредоточены на том, как снизить стоимость деталей и улучшить их характеристики.
Промышленный 3D-принтер – это инструмент, позволяющий создавать новые конструкции. Материалы вступают в дело, чтобы улучшить характеристики конструкции. Легкое и недорогое решение достигается, когда эти факторы работают в гармонии. Мы любим применения, дизайн, материалы и удивительные пересечения, которые могут возникнуть благодаря им. Мы также любим скандий и считаем, что он является решением для деталей на основе алюминия, изготовленных методом АП.
Ранее мы уже писали о достоинствах скандийсодержащих сплавов алюминия, в частности Scalmalloy®. В той статье мы провели исследование общей стоимости алюминиевого тормозного суппорта, традиционно изготавливаемого из механической обработки 6061 и аддитивно производимого из AlSi10Mg, Scalmalloy и Ti6Al4V. В этом исследовании утверждается, что Scalmalloy, несмотря на то, что цена порошка в три раза выше, чем AlSi10Mg, приводит к значительно более низкой стоимости АП -детали.
Это может показаться неожиданным результатом, но из-за высокой стоимости и низкой производительности АП-машин стоимость АП-деталей в значительной степени зависит от времени сборки на машине. Это означает, что любое снижение веса детали, которое может быть достигнуто за счет улучшения свойств материала, приводит к значительному снижению стоимости производства. В АП вес – это время, а время – это деньги. Стоимость сырья, которая является одной из основных затрат при традиционном производстве, отходит на второй план в общей стоимости детали. Этот результат наглядно демонстрирует роль дизайна и свойств материала в экономике аддитивного производства.
На сегодняшний день АП из сплавов алюминия – небольшой процент от общего рынка металлического АП , не говоря уже обо всём алюминиевом рынке. Отчасти это связано с текущими предложениями материалов для АП алюминия по сравнению с остальны рынком существующих применений алюминия . В настоящее время для изготовления изделий из литого или кованого алюминия используется сырье по цене от 2 до 10 долларов за килограмм, которое легко обрабатывается с высокой скоростью съема материала и относительно низким износом инструмента.
Этот экономический аспект ограничивает нишу применений, где АП имеет смысл использовать в алюминии, теми геометриями, которые не поддаются механической обработке и производятся в небольших объемах, где литье под давлением не имеет смысла.
Или все же имеет? При использовании высокопрочного алюминиевого сплава можно аддитивно изготовить то, чего невозможно достичь механической обработкой или литьем при любом объеме производства. Это сочетание высоких механических свойств со сложностью геометрии литья. В тех областях применения, где ценится такое сочетание возможностей, крупносерийное производство алюминиевых деталей с использованием АП может быть жизнеспособным.
На рис. 2 показана диаграмма Венна, которая выделяет эту нишу. На диаграмме эта ниша может показаться очень маленькой, но с точки зрения объема экономики объем рынка для серийного производства таких деталей на порядки больше, чем рынок прототипов из алюминия. Это объясняется тем, что потенциальный объем деталей, которые могут быть произведены в этой нише, гораздо выше, а мы говорим о серийном производстве, пусть и небольшого количества различных деталей, для которых важны эти свойства.
Рис. 2 Диаграмма Венна, показывающая ниши, в которых АП из алюминия имеет смысл для крупносерийного производства (предоставлено APWORKS/The Barnes Global Advisors)
Сплав AlSi10Mg, изготовленный аддитивным способом, в лучшем случае заменяет литой алюминий в областях применения, требующих высокой прочности, а высокопрочные алюминиевые сплавы часто подвергаются горячему растрескиванию при изготовлении, поскольку они не поддаются сварке. В частности, легирующие добавки в высокопрочных сплавах серии 7000 получают свою прочность от элементарных добавок, часть которых улетучивается в процессе производства.
Так что же делать алюминиевому металлургу? Ответ – использовать более высокопрочный сплав, который также поддается сварке. Scalmalloy – один из таких материалов. Но если он решает проблему, почему его не использует больше людей? Первый ответ – стоимость, но мы уже рассмотрели, почему это может быть не так. Следующее, о чем говорят люди, – это предполагаемый дефицит или риски поставок, связанные со скандием.
Что такое скандий и откуда он берется?
Менделеев предсказал наличие скандия в 1869 году.
Ларс Фредерик Нильсон обнаружил скандий в 1879 году и получил 2г оксида скандия.
Новый элемент был назван Скандием, что в переводе с латинского означает «скандинав». Металлический скандий впервые был получен в 1937 году, но первый фунт 99%-ного чистого скандия был произведен только в 1960 году. Патенты России и США были выданы в 1969 и 1971 годах соответственно, и большая часть разработок первоначально велась в СССР и США.
Скандий занимает 21 место в периодической таблице, располагаясь между кальцием и титаном. Он классифицируется как редкоземельный элемент, что, конечно, не означает, что он редкий в смысле дефицита. Скандий – 32-й по распространенности элемент в земной коре, лишь немногим более распространенный, чем литий, на который мы полагаемся во многих современных батареях.
Скандий достаточно распространен по всему миру, включая Россию, Канаду, Австралию, Филиппины, Норвегию, Мадагаскар (можно продолжать), но его запасы очень малы; в этом и заключается сложность его добычи. Чтобы извлечь скандий, необходимо переработать большое количество хвостов горных работ, поскольку он присутствует в них в низкой концентрации.
Именно экономическая целесообразность добычи привела к тому, что большая часть скандия производится в Китае, а не какая-то особая доступность руды. Если вы хотите найти самый богатый источник скандия для переработки, вам следует отправиться на Мадагаскар. Более богатые ресурсы скандия, такие как на Мадагаскаре, в настоящее время не перерабатываются, поскольку дешевле перерабатывать хвосты других горнодобывающих предприятий, чтобы удовлетворить относительно небольшой рыночный спрос, который существует в настоящее время.
Сегодня производится всего 15 000-20 000 кг Sc2O3 в год, при этом спрос немного превышает предложение. Такой скромный спрос обусловил значительные инвестиции в новые производственные мощности: недавно компания Rio Tinto ввела в строй 12 000 кг/год в Канаде, а на горизонте замаячил проект Elk Creek в Небраске, который способен производить 100 000 кг/год Sc2O3.
Вы можете спросить, чем обусловлен такой спрос на скандий? Главным образом, его использование в твердооксидных топливных элементах, на которые сейчас приходится большая часть мирового спроса, и этот спрос растет из года в год. Его использование в высокопрочных алюминиевых сплавах занимает далеко не последнее место по объему спроса, отчасти потому, что в каждом килограмме алюминиевого сплава требуется так мало скандия (менее 1 %), чтобы обеспечить значительный эффект, который он оказывает на прочность.
Почему скандий оказывает такое благотворное влияние на алюминиевые сплавы?
Некоторые алюминиевые сплавы приобретают прочность благодаря термоообработке (precipitation hardening – старение), что означает рост мелких кристаллов в алюминиевой матрице. Алюминиевые сплавы считаются одними из первых наноматериалов, поскольку присадки могут иметь наноразмер и выступать в качестве армирующих элементов, распределенных по алюминиевой матрице. В случае скандия он образует Al3Sc, и эти включения очень мелкие и, следовательно, более равномерно распределены по металлу, что способствует свариваемости. Технически это означает, что присадки не просто висят на границах зерен, что улучшает прочность и свариваемость.
На практике нельзя получить более 1 % скандия в растворе с алюминием, но и эта небольшая добавка имеет большое значение. На 0,1 весового % скандия можно получить 50-100 МПа. Он не только повышает прочность, но и улучшает коррозионную стойкость, термостойкость, жесткость и форму, как при сварке или аддитивном производстве.
Скандий – это своеобразный мультипликатор силы, что очень полезно для алюминия. Скандий и цирконий объединяются, когда они находятся вместе, чтобы принести больше пользы. Цирконий может быть частично заменен скандием, что еще больше снижает спрос на скандий.
Кто и зачем его использует?
Алюминиевые сплавы со скандием уже давно использовались в авиационных компонентах самолетов МиГ-21 и МиГ-29. В 1970-х годах из сплава Al-Sc изготавливались легкие велосипедные рамы, которые были вершиной совершенства до появления углеродного волокна. Однако эти сплавы содержали относительно небольшое количество скандия (0,1-0,3 %), поэтому достигнутая прочность была скромной. Это объяснялось тем, что существовал предел того, сколько скандия можно удержать в растворе во время затвердевания расплава, и этот предел был достигнут.
Все изменилось с появлением аддитивного производства. Благодаря очень высокой скорости охлаждения в этих процессах, обусловленной в первую очередь малым объемом расплава, стало возможным удерживать в растворе гораздо больший процент скандия и достигать значительно более высокой прочности. Scalmalloy был первым сплавом, в котором использовался этот эффект, и он позволил добиться сочетания прочности и пластичности, которое превосходит даже самые высокопрочные кованые алюминиевые сплавы.
Сочетание такого материала со свободой проектирования и экономичностью аддитивного производства впервые было использовано в автоспорте, сначала командами Формулы-1, а затем и многими другими гоночными сериями, что позволило использовать эти свойства в широком спектре автоспортивных приложений.
С тех пор эта технология получила распространение в соревновательном велоспорте, где из сплава Scalmalloy было изготовлено несколько велосипедов, ставших рекордсменами. Возможность производить велосипеды с аэродинамикой велосипеда из углеродного волокна, но адаптированные под велосипедиста (что очень важно для общей аэродинамики и производительности), при этом достигая массы, очень близкой к массе велосипеда из углеродного волокна, представляется выигрышной комбинацией. Может быть, «скандиевый ренессанс» наступит на следующих Олимпийских играх?
Scalmalloy также использовался для создания очень легких конструкций для спутников и компонентов систем для летных испытаний самолетов, но до крупносерийного производства в аэрокосмической отрасли, которая, как мы все знаем, традиционно является консервативной областью применения, дело пока не дошло. Мы уверены, что это произойдет в будущем. Возможность замены многих других сплавов по свойствам материала – это огромное преимущество для аэрокосмической отрасли и минимизация затрат на квалификацию для широкого спектра применения АП.
Сколько скандия нам нужно, чтобы добиться реальных результатов?
Как отмечалось ранее, требуется очень небольшое количество скандия – менее 1 % по весу. Это означает, что для изготовления сплавов Al-Sc требуется относительно небольшая масса. Сколько же скандия необходимо для того, чтобы добиться значительных успехов в промышленности?
На рис. 3 мы представляем себе высокие темпы производства самолетов, которые обеспечивают около 700 самолетов в год. Теперь представим, что мы обрабатываем 100 кг деталей из скалмаллоя на каждый самолет: для этого нам потребуется всего 100 т/год скалмаллоя, что означает всего лишь около 1000 кг потребности в скандии в год, то есть ничтожную долю рынка. Это небольшое количество скандия может оказать большое влияние, не в последнюю очередь на снижение веса, что может способствовать повышению эффективности самолетов и сокращению выбросов в атмосферу. Мы считаем, что дефицит предложения скандия не является оправданным беспокойством.
Рис. 3 Примерный расчет годовой потребности в скандии (любезно предоставлено APWORKS/The Barnes Global Advisors)
Является ли он экологически безопасным?
По данным Международного института алюминия, алюминий является одним из самых перерабатываемых материалов на Земле. Это довольно смелое заявление, но, по их данным, глобальный показатель эффективности переработки составляет 75 % [7]. Алюминиевые сплавы, содержащие скандий, идут дальше, потому что столь незначительное добавление скандия значительно улучшает свойства материала, что в результате снижает общее потребление других материалов. Кроме того, они не хуже других алюминиевых сплавов поддаются вторичной переработке и могут быть переплавлены. Благодаря новым экологичным технологиям, таким как процесс DirectPowder, разработанный компанией Metal Powder Works, пруток AlSc можно напрямую превратить в порошок AlSc АП с эффективностью около 95 %, при этом выбросы CO2 намного меньше, чем при обычном распылении.
Для обсуждения…
Ни для кого не секрет, что скандий улучшает характеристики алюминиевых сплавов в отношении прочности, температуры, коррозии, жесткости и свариваемости. Небольшое количество скандия дает большой эффект. Промышленность работает над решением текущих проблем, связанных с использованием литых и деформируемых алюминиевых сплавов в аддитивном производстве, но две проблемы не дают рынку развиваться:
Предполагаемый риск цепочки поставок скандия
Мы показали, что предложение достаточно для удовлетворения растущего спроса. Новых методов извлечения скандия из хвостов более чем достаточно для удовлетворения потребностей рынка. Производство из хвостов открывает совершенно новые цепочки поставок в Канаде, США, Австралии, на Филиппинах и других странах, что еще больше минимизирует риски цепочки поставок.
Перепроектирование деталей
Перепроектирование деталей требуется, когда аддитивно изготовленные материалы показывают отрицательную рентабельность. Если материал соответствует или превосходит требования по прочности/жесткости, он скорее подходит для замены, и перепроектирование требуется только для оптимизации – то есть новый материал можно просто вставить в деталь, и все готово.
Другие соображения
Реальность такова, что скандийсодержащие алюминиевые сплавы все еще находятся в зачаточном состоянии, и большая часть исследований и разработок, которые велись с 1970-х годов, так и не была реализована на практике. Даже широко известный сплав АП , Scalmalloy, является лишь верхушкой айсберга. В настоящее время APWORKS разрабатывает множество вариантов, включая Scalmalloy HX (для высокотемпературных применений), Scalmalloy CX (для криогенных применений) и Scalmalloy EX (для электрических и тепловых применений). И они не одиноки: ряд университетов по всему миру продолжает изучать сплавы, которые могут быть созданы с использованием скандия. Потенциал этих сплавов только растет, поскольку над ними работает все больше светлых умов.
Сам по себе AlSi10Mg не приведет к значительному росту АМ. Это очень полезный сплав для низкопрочных применений, но он не позволит создать действительно революционные высокопрочные приложения или заменить все устаревшие литые алюминиевые сплавы. На рис. 4 показано сравнение AlSi10Mg с высокопрочными алюминиевыми сплавами для АМ.
Рис. 4 Типичные значения прочности аддитивно изготовленных алюминиевых сплавов с литым A356 и деформируемым 7075 [8] (предоставлено APWORKS/The Barnes Global Advisors)
Цена порошков не будет стимулировать объемы производства в АП , потому что она не может компенсировать остальные 90% стоимости, которые определяются обработкой. Для того чтобы АМ перешел к серийному производству, ему необходимо повысить ценность за счет производительности, а этого не добиться с помощью «средних» материалов, которые лишь имитируют свои обычные аналоги.
В настоящее время разрабатывается все больше сплавов для АП, и лучшие из них позволят найти применение, которое будет способствовать росту рынка АП. Некоторые из них будут содержать скандий, другие будут исследовать другие возможности, которые открывает АП. Материалы станут ключевым фактором для создания объемных приложений.
Наконец, распыление металлов влечет за собой свои проблемы – в первую очередь экономические. Выход порошков с размерами, традиционно необходимыми для АП, может достигать 40 %. Такой низкий выход увеличивает стоимость и без того дорогих порошков из алюминиевых сплавов. Есть надежда, что отрасль уже рассматривает возможность получения порошка больших размеров, не имеющего рынка сбыта, и преобразования его в порошок с помощью твердотельных устройств, чтобы комбинированный цикл повышал эффективность. Эта новая эффективность также касается доступа к скандию. Когда общий выход скандия вырастет до 80 % с 40 %, это приведет к снижению стоимости.
Выводы
Требования – это сочетание технических и экономических факторов. Учитывая тесную взаимосвязь между конструктивными характеристиками, дизайном, материалами и производством в АП, нужный материал должен быть подобран к нужному дизайну и использовать АП-машину как можно меньше времени. Это еще более актуально для алюминия, поскольку порошок стоит дороже, чем продукт прокатки, а АП медленнее, чем механическая обработка.
Настало время поверить в будущее с помощью АП и скандия. АП позволяет использовать материалы «премиум-класса» и способствует созданию более легких конструкций. Использование меньшего количества сырья и создание более легких конструкций по своей сути являются устойчивыми. Промышленности нужен высокопрочный алюминиевый сплав, чтобы улучшить экономическое обоснование использования АП и алюминия.
Ранее мы уже показывали, что наш суппорт тормоза, изготовленный аддитивным способом, легче и дешевле из Al-Sc, чем из AlSi10Mg. Мы доказали, что проблемы нехватки или цепочки поставок все больше решаются, и в любом случае требуется очень мало скандия, чтобы начать оказывать влияние. Давайте заставим команду Nilson гордиться собой и сделаем скандий мейнстримом.
В статье авторы признают хорошие легирующие свойства Скандия и сильно переживают, о том, что бо́льшая часть месторождений находится вне зоны влияния США.
Наиболее значительные запасы Скандия сосредоточены в России, в области Кольского полуострова и на Урале. Не даром одними из первых его начали применять советские металлурги. Следующий по объему производства – Китай.
Далее по убывающей – Австралия, Бразилия и США.
Статья невзначай дает нам толстый намёк на точку роста технологического преимущества.
Генеративное проектирование предлагает множество преимуществ, которые трансформируют различные отрасли. Вот некоторые из важнейших из них:
Поиск новых вариаций дизайна. Генеративное проектирование позволяет дизайнерам и инженерам максимально широко и продуктивно исследовать множество (сотни и тысячи) вариантов изделий, заходя в область биомимикрии, в которой именно специальные программные алгоритмы и машинное обучение способны реализоваться по максимуму. В результате будут изучаться и создаваться новые решения задач, которые, возможно, ещё не были освоены при использовании традиционных методов.
Улучшенная производительность и оптимизация. Используя алгоритмы искусственного интеллекта и вычислительную мощность серверов, генеративное проектирование может оптимизировать конструкции по конкретным критериям, таким как прочность, вес, материалы и производственные процессы. В конечном итоге создаются детали и продукты с превосходными характеристиками, эффективностью и функциональностью по сравнению с альтернативными методами, предусматривающими ручное управление.
Повышенная гибкость проектирования и возможность настройки. Генеративное проектирование обеспечивает гибкость, позволяющую учитывать разнообразные требования к проектированию и быстро адаптироваться к меняющимся потребностям. Таким образом создаются индивидуально настраиваемые решения, адаптированные к конкретным сферам, клиентам или средам.
Ускоренная разработка продукта и снижение затрат. Генеративное проектирование автоматизирует и оптимизирует процесс проектирования, значительно сокращая время и усилия, необходимые для разработки новых продуктов. Изучение широкого спектра вариантов проектирования и определение оптимальных решений на ранних этапах цикла разработки сводят к минимуму необходимость в дорогостоящих итерациях проектирования и физическом прототипировании.
Устойчивые и ресурсосберегающие проекты. Генеративные проекты позволяют оптимизировать использование материалов, сократить количество отходов и повысить энергоэффективность. Создание лёгких, структурно эффективных компонентов помогает минимизировать воздействие производства на окружающую среду и способствует достижению целей устойчивого развития.
Демократизация проектирования и инноваций. ПО для генеративного проектирования предоставляет дизайнерам и инженерам мощные инструменты для создания сложных и заметно более эффективных проектов без необходимости обширных знаний. Это позволяет небольшим компаниям, дизайнерам и инженерам получить доступ к расширенным возможностям проектирования и конкурировать с более крупными организациями, используя эти инструменты в разработке инновационных высококонкурентных продуктов для многих отраслей.
Рис. Основные преимущества генеративного проектирования (MSC Software Corporation (Hexagon AB)
Вызовы, стоящие перед генеративным проектированием
Генеративное проектирование, при своих неоспоримых преимуществах, также имеет ряд особых черт, которые обязательно стоит принимать во внимание для качественной реализации проектов:
Качество и консистентность данных. Надёжные результаты зависят от точности данных и их согласованности друг с другом, их целостности, внутренней непротиворечивости.
Функциональная совместимость ПО. Нужно следить за совместимостью специализированного ПО. Лучше всего, чтобы интерфейсы продуктов были полностью открытыми, способными к взаимодействию и функционированию с другими продуктами или системами без каких-либо ограничений доступа и реализации.
Навыки и компетенции. Для реализации генеративного дизайна необходимо другое мышление и набор соответствующих навыков, что требует инвестиций в обучение и образование персонала.
Сотрудничество и общение. Создание чётких рамок для принятия решений, обратной связи и документации имеет решающее значение для эффективного сотрудничества.
Длительность изучения и утверждения массы вариантов моделей и неточные метрики. Из-за большого количества вариантов оптимизированных моделей определение точных показателей и целей на старте проекта для предотвращения неоптимальных результатов.
Интеграция с существующими процессами проектирования. Поиск способов улучшения и расширения существующих процессов проектирования имеет решающее значение для успешного внедрения, поскольку генеративное проектирование может не полностью вписаться в существующие рабочие процессы.
Проблемы при производстве определённых геометрических элементов. Даже при использовании передовых методов аддитивного производства изготовление сложных геометрических форм, создаваемых с помощью генеративного проектирования, может быть сложной и даже неосуществимой задачей. Наибольшее внимание стоит уделить взаимодействию традиционных станков с ЧПУ и генеративного проектирования, поскольку возможности первых крайне ограничены.
Применение генеративного проектирования в различных отраслях
Генеративное проектирование применяется в самых разных отраслях промышленности, позволяя дизайнерам и инженерам создавать инновационные конструкции, близкие по форме и функциональности тому, что создаёт природа. Рассмотрим некоторые из важнейших областей, в которых генеративное проектирование оказывает значительное влияние:
Архитектура. С помощью генеративного проектирования можно создавать оптимизированные проекты зданий с учётом естественного освещения, энергоэффективности, прочности вне зависимости от среды и условий эксплуатации. Это позволяет архитекторам исследовать обширное пространство дизайна и находить решения, соответствующие конкретным критериям производительности при производстве зданий, МАФ, и эстетическим требованиям.
Рис. Генеративный дизайн способен создавать органичную архитектуру
Машиностроение. В аэрокосмической, автомобильной и машиностроительной отраслях промышленности генеративное проектирование применяется для создания лёгких и высокоэффективных компонентов. Оно может оптимизировать прочность, жёсткость и механические свойства деталей, одновременно сокращая использование материалов и сложность производства.
Рис. Алюминиевый кронштейн основной опоры шасси изделия Су-57 (Т-50) пятого поколения. Напечатано по технологии LB-PBF/SLM (ОАК)
Дизайн продукта. Генеративное проектирование революционизирует подход к проектированию потребительских товаров, мебели, товаров для дома и интерьера/домашнего декора. Тщательный учёт эргономики, эстетики, материалов и производственных процессов открывает путь к созданию оптимально функционирующих, удобных, кастомизированных под каждого пользователя конструкций.
Потребительские товары: конструкции, оптимизированные с точки зрения удобства использования, эстетики и экономической эффективности, такие как электроника и бытовая техника.
Мебель: эргономичный и эстетически привлекательный дизайн мебели, адаптированный к комфорту пользователя и его стилевым предпочтениям.
Товары для дома: эффективные, долговечные и привлекательные предметы – кухонная утварь и аксессуары для дома.
Интерьер/домашний декор: изготовленная на заказ мебель, сантехника и различные эстетические и функциональные элементы, которые органично встраиваются в пространство и придают ему неподдельную эстетическую привлекательность.
Рис. Раскладывающееся кресло TAMU Chair от дизайнера Patrick Jouin
Производство. Генеративное проектирование оптимизирует производственные процессы, сокращает отходы, повышает эффективность и качество продукции. Оно может генерировать оптимизированные траектории движения инструмента для обработки на станках с ЧПУ, минимизировать использование материалов в аддитивном производстве и улучшать планировку цеха для оптимизации рабочих процессов.
Рис. Отливка верхнего рычага беспилотного квадроцикла на электродвижении. Литьевая форма изготовлена по технологии Binder Jetting (МГТУ им. Н.Э. Баумана (Приоритет 2030)
Дизайн одежды. Генеративные алгоритмы создают инновационную одежду и аксессуары, оптимизированные для комфорта, функциональности и стиля. Принимая во внимание такие факторы, как особенности фигуры, свойства материалов и дизайнерские предпочтения, генеративный дизайн может помочь модельерам расширить границы их творчества.
Рис. 3D-печать на одежде в сотрудничестве с модельерами threeASFOUR и Трэвисом Фитчем (Stratasys)
Промышленный дизайн. Генеративное проектирование применяется для создания сложных, высокопроизводительных продуктов, таких как медицинское оборудование, промышленное оборудование и инструменты для проведения научных работ. Разработчики используют возможности генеративного проектирования для получения достаточного количества вариантов для выбора целевого и находят решения, отвечающие строгим требованиям производительности, безопасности и соответствующие нормативным документам.
Медицинские устройства: индивидуальные имплантаты, протезы и хирургические инструменты, оптимизированные с учётом индивидуальных потребностей пациента и биосовместимости.
Промышленное оборудование: высокоэффективные и долговечные компоненты машин, обеспечивающие оптимальную производительность и надёжность.
Инструменты для исследований. Прецизионные и специализированные инструменты, оснастка, адаптированные для конкретных научных работ, повышающие функциональность и точность экспериментов, и ускоряющих опыты.
Робототехника. Генеративное проектирование — универсальный инструмент оптимизации производительности роботов и автоматизированных систем. Учёт таких элементов, как кинематика, динамика и система управления, помогает создавать роботов более эффективных, точных и адаптируемых к различным задачам и средам.
Рис. Генеративное проектирование дает полную свободу для создания системы рычагов и кронштейнов для робототехники (Ntopology Inc.)
Третья часть нашего цикла будет посвящена ПО для генеративного проектирования, а также обеспечению синергии между генеративным проектированием и 3D-печатью.
Искусственный интеллект, казалось бы, внезапно появился повсюду. И, если верить экспертам, это только начало. В широком смысле, искусственный интеллект относится к компьютерным системам, которые способны выполнять сложные задачи, которые традиционно могли выполнять только люди, например, распознавание речи и рассуждений, принятие решений или выявление закономерностей и решение проблем. В современном понимании искусственный интеллект включает в себя широкий спектр технологий, включая машинное обучение, глубокое обучение и обработку естественного языка (НЛП). В производстве эти технологии могут поддерживать и оптимизировать производственные процессы, среди прочего, за счет улучшения анализа данных и принятия решений. И хотя может показаться, что производство несколько отстает от других секторов в использовании искусственного интеллекта, и это связано с переменами.
По данным Национального института стандартов и технологий США (U.S. National Institute of Standards), существует пять областей, в которых искусственный интеллект может обеспечить повышение производительности в производстве: профилактическое обслуживание, прогнозирование качества, сокращение отходов, увеличение доходов и производительности, и прогнозирование спроса и запасов. Одной из производственных технологий, которые в настоящее время получают выгоду от технологии искусственного интеллекта, является аддитивное производство.
Искусственный интеллект может принести пользу аддитивному производству по-разному. В прошлом одной из проблем был высокий уровень брака, который препятствовал широкому внедрению процессов 3D-печати в промышленности, а также тот факт, что сложные формы, получаемые с помощью 3D-принтеров, могут быть достаточно дорогими и сложно контролируемыми в плане качества.
Искусственный интеллект может улучшить контроль качества и обнаружение дефектов за счет использования систем технического зрения для мониторинга производственного процесса в режиме реального времени. Потенциальные дефекты можно обнаружить по мере их возникновения, даже если они не видны невооруженным глазом, что позволяет сократить количество производимой потенциально дефектной продукции.
Более того, применение искусственного интеллекта на этапе проектирования и выработки идей может помочь оптимизировать проектирование и снизить сложность процесса. Его можно использовать не только для определения того, предлагает ли аддитивное производство лучший выбор для производства конкретной детали, но также способствует более быстрому и эффективному процессу проектирования, создавая проект на основе набора параметров или требований. А поскольку оптимальные параметры печати определяются до изготовления, на тестирование и проектирование тратится гораздо меньше времени, усилий и материалов. Если проектировщикам больше не придется вносить коррективы методом проб и ошибок, это дает значительные преимущества во времени, эффективности и затратах, одновременно оптимизируя использование ресурсов и способствуя более простому процессу обеспечения качества.
В конце концов, успех напечатанной детали во многом зависит от выбора правильного материала, отвечающего конкретным функциональным требованиям. Использование баз данных материалов на базе искусственного интеллекта может значительно облегчить этот процесс выбора. Инженеры могут вносить свои требования в эти базы данных, которые затем, используя алгоритмы машинного обучения, предлагают материал, наиболее подходящий для этой цели. Модели машинного обучения также позволяют делать прогнозы относительно поведения и производительности материала в различных условиях. В результате инженеры могут принимать обоснованные решения и с большей уверенностью выбирать материалы и проектировать детали.
Достижения такого рода могут также помочь уменьшить потребность в обширной последующей обработке, тем самым значительно сокращая необходимое время производства. Кроме того, разрабатываются автоматизированные решения для постобработки для оптимизации и улучшения процесса постобработки.
Искусственный интеллект также может играть роль в профилактическом обслуживании самого принтера, отслеживая жизненный цикл и прогнозируя потребности в обслуживании на основе исторических данных.
Генеративный дизайн и 3D-печать уже сегодня совершают революцию в проектировании и производстве, используя искусственный интеллект в создании инновационных проектов. Авиастроение, космонавтика, автомобилестроение, медицина, производство различных спортивных товаров, предметов декора и элементов архитектуры — во всех этих и многих других сферах поощряют применение в своей практике чрезвычайно высокопроизводительных компьютерных вычислений, способствующих ускорению разработки продукции и улучшению её потребительских свойств, снижению расхода материалов, повышению производительности при изготовлении компонентов.
Генеративное проектирование находится сегодня на переднем крае производственной революции. В нём используются вычислительные алгоритмы для создания оптимизированных по определённым критериям моделей, которые почти всегда превосходят возможности человеческой инженерии. Генеративный дизайн в сочетании с технологиями 3D-печати переворачивает концептуальное мышление, проектирование и производство продуктов, открывая новую эпоху эффективности, творчества и инноваций.
В этом цикле статей мы исследуем основные принципы генеративного дизайна, его применение в 3D-печати, глубокое и часто революционное влияние на различные отрасли промышленности, жаждущие инноваций. Пришло время быть на шаг впереди. Вы готовы?
Что такое генеративный дизайн?
Генеративное проектирование или порождающее моделирование — это метод использования компьютерных алгоритмов ИИ, машинного обучения и автоматизированного проектирования для быстрого создания множества (сотен и тысяч) вариантов ви́дения продукта на основе описания инженером параметров и ограничений.
Делегирование человеком части процесса компьютерным технологиям приводит к созданию оптимизированной модели с уменьшением объёма материала, количества деталей, и, как следствие, массы и стоимости производства, а форма изделий начинает походить на природные бионические структуры (биомимикрия). Генеративное проектирование формирует новые требования к современным и будущим САПР для инженеров и дизайнеров в различных отраслях промышленности.
Рис. Биомимикрия из самого лона природы
В отличие от традиционных методов проектирования, которые полагаются на опыт, интуицию разработчика, а также бесконечную ручную оптимизацию параметров после натурных экспериментов, генеративное проектирование использует возможности быстрых и сложных вычислений для аналитики компонентных взаимосвязей и поиска инновационных решений, результатом которых становится появление нетрадиционных, воодушевлённых природой высокоэффективных форм. Поэтому несмотря на свою сложную природу, генеративное проектирование приобретает всё большую практическую значимость и всё более активно применяется в различных областях техники и дизайна.
Рис. Форма самолета, подсказанная птицей
Разница между топологической оптимизацией и генеративным проектированием
Возможности генеративного проектирования и топологической оптимизации в последнее время привлекают пристальное внимание учёных из вузов и исследовательских институтов, а также инженеров из предприятий и КБ. Однако очень важно различать эти два понятия, поскольку их часто ошибочно отождествляют.
Топологическая оптимизация не является новой концепцией, она используется более двух десятилетий в САПР и полностью зависит от опыта инженера-расчётчика, задающего нагрузки и ограничения на деталь в соответствии с условиями эксплуатации изделия. Топологическая оптимизация входит в состав CAE (англ. Computer-aided engineering) – программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. По требованию инженера CAE «разбивает» модель на конечные элементы (КЭ) методом триангуляции и применяет численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. В результате упрощённая сетчатая модель гораздо легче поддаётся вычислениям, особенно если для расчётов используется вычислительный кластер (суперкомпьютер).
Генеративное проектирование — это более объёмное понятие, включающее в себя ряд инновационных подходов к проектированию, а топологическая оптимизация является его частью. Для генеративного проектирования не требуется модель, разработанная человеком, ведь оно само берёт на себя роль инженера или дизайнера, ставя себе задачу разработки ряда вариантов в соответствии с техническим заданием, полученным от человека.
Понимание этапов генеративного проектирования
Когда инженеры и дизайнеры работают над проектом, им обычно приходится создавать изделие с самого начала, учитывая различные требования. Однако этот процесс отличается от процесса генеративного проектирования. Вот подробное пошаговое описание того, как работает генеративный дизайн:
Задание параметров проектирования. Вместо традиционного подхода с проектированием в CAD с нуля вы задаёте цель и параметры проектирования в ПО для генеративного проектирования, например, вводите ограничения, такие как вес, размер и габариты пространства для функционирования деталей.
Силы, давление и нагрузки. Необходимо задать подробную информацию о силах, давлении и нагрузках, которые должна выдержать деталь. Эта информация помогает компьютерным алгоритмам рассчитывать форму детали, усиливая слабые места с высоким напряжением и удаляя излишки материала там, где его количество избыточно.
Материал. Выбирается материал для создания модели. Этот ответственный шаг позволяет программе оперировать ограничениями, не выходя за возможности материала и оптимизируя его количество с учётом областей напряжений.
Производственный процесс. На этом этапе требуется описать производственный процесс, например, аддитивное производство или обработку на станках с ЧПУ, поскольку каждый метод имеет свои особенности, которые ПО для генеративного проектирования должно учитывать для обеспечения технологичности производства.
Вариативность конструкций. ПО для генеративного проектирования использует алгоритмы искусственного интеллекта для поиска лучшего дизайна на основе предоставленных на предыдущих шагах ограничений.
Анализ и выбор. После произведённого расчёта предлагается множество вариантов геометрии, каждый из которых удовлетворяет требованиям, заданным ранее. Затем инженеры или дизайнеры анализируют предложенное ПО и выбирают конструкцию, которая лучше всего соответствует их конкретным критериям, опыту и текущим производственным возможностям.
Рис. Рабочий процесс проектирования детали с помощью генеративного дизайна в 3DEXPERIENCE (Dassault Systemes)
ПО для генеративного проектирования обычно использует облачные вычисления и машинное обучение для поиска новых решений, анализа и обучения на многочисленных итерациях и оптимизированных вариантах. Таким образом имитируется эволюционный подход природы к дизайну, но с использованием возможностей ИИ и машинного обучения.
Эволюция генеративного проектирования
Чтобы лучше понимать инновационность генеративного проектирования и его перспективы, давайте коротко рассмотрим его эволюцию.
1960—1970-е годы: зарождение генеративного проектирования приписывают новаторскому вкладу таких математиков, как Джон Конвей и Бенуа Мандельброт. Их реализация передовых математических моделей и алгоритмов проложила путь к созданию сложных проектов, в первую очередь в архитектуре и искусстве.
1980-е годы: появление САПР изменило правила игры в сфере проектирования. Это позволило инженерам создавать цифровые модели и манипулировать ими с беспрецедентной лёгкостью. Несмотря на первоначальные ограничения по сложности, эти ранние САПР заложили основу для будущих разработок.
1990-е годы: появление параметрического проектирования, в котором инженеры могли работать с проектами на основе параметров и правил. Этот новый подход обеспечил повышенную гибкость и вариативность, а изменения в параметрах тут же отражались на всей модели.
Начало 2000-х: исследователи углубились в область генетических алгоритмов для решения проблем оптимизации и автоматизации процесса проектирования.
2010-е годы: появление ПО для генеративного проектирования — многообещающего сочетания передовых алгоритмов и ИИ. Используя вычислительные возможности облачных вычислений, эти инструменты могут охватывать обширные пространства проектирования и извлекать информацию из предыдущих проектов, предлагая заглянуть в будущее эффективности и результативности проектирования.
2020-е годы: современные инструменты генеративного проектирования развились и стали включать в себя сложные возможности моделирования. Теперь проектировщики могут оценивать и уточнять проекты по множеству критериев, включая структурную целостность, тепловую динамику и движение жидкости. Сегодня — это вершина эволюции генеративного дизайна.
В следующей статье цикла мы подробно рассмотрим преимущества генеративного проектирования, стоящие пред ним вызовы и расскажем о том, как оно применяется в различных сферах.
