Перспективные тенденции в аддитивном дизайне изделий

Автор: Евгений Болховецкий 
Ведущий инженер-конструктор

 

Многообразие геометрических структур и бионические формы, поражающие воображение человека — лишь краткая характеристика аддитивных изделий. Создавать такое творение классическим методом невозможно, эта задача под силу только аддитивному производству. Но 3D- печать изделий — лишь одна часть технологического процесса. Другая, более весомая половина работы заключается в их проектировании. Рассказываем о том, какими методами и инструментами пользуются инженеры при разработке деталей со сложной геометрией, и как искусственный интеллект помогает воплотить в жизнь даже самые необычные идеи.

Параметрическая геометрия и программирование

В процессе технической проработки изделия специалист по аддитивным технологиям может сталкиваться как с простыми, так и со сложными задачами. Иногда приходится создавать сложную параметрическую геометрию, а иногда выполнять повторяющиеся действия.

Параметрическая геометрия моделируется в системах автоматизированного проектирования. В ней даже самые сложные изделия представляют собой комбинации простых элементов – плоскость, параллелепипед, цилиндр, конус, сфера или их части. Эти элементы формируются кривыми, которые описаны математическими формулами. В этих формулах через интерфейс задаются определенные параметры, отсюда и название – параметрическая.

Мы вводим координаты точек, длины прямых, радиусы кривизны дуг, диаметры окружностей, значение углов и т.д. Таким образом, в отличие от полигональной геометрии (в дизайне и кино), где геометрия образуется многоугольниками, как мозаика, поверхности в параметрической 3D модели получаются “гладкими” и “цельными”. Но даже с учетом широких возможностей современных САПР конструктору приходится делать почти все эти операции моделирования вручную, самостоятельно формируя конечную 3D-модель. Назовем это явным моделированием.

Для того, чтобы не повторять многочисленные операции по созданию похожих геометрических элементов, в системы автоматизированного проектирования интегрированы элементы программирования. Сначала инженеры начали писать код и создавать определенные сценарии (скрипты) и макросы, для автоматизирования тех операций, которые в САПР были изначально не предусмотрены. Теперь этот элемент программирования при проектировании изделий пошел еще дальше.

Алгоритмическое моделирование

Визуальное программирование (программирование нодами) и алгоритмическое моделирование позволило сделать процесс более наглядным, эргономичным и простым. Сложные параметрические формы здесь формируются с помощью алгоритмов и формул, собранных в одну функцию, как шаблон. Иными словами, геометрия формируется не ручным выполнением операций конструктором, а за счет написанного им визуального кода.

 

Визуальное программирование – способ создания программы путем манипулирования графическими элементами, а не посредством печати текстовых команд

 

Это моделирование можно назвать неявным. Его также можно применять многократно и для разных изделий. Это направление особенно сильно отражено в архитектурном дизайне. Одни из самых выдающихся примеров – футуристические здания с изогнутыми поверхностями, спроектированные ирако-британским архитектором Захой Хадид. В России ее работа представлена в виде бизнес-центра Dominion Tower (Пересвет-Плаза) на юго-востоке Москвы. Параметрическая архитектура является неким промышленным стандартом в дизайне – особенно, когда речь идет о создании сложных материалов, рендеринга и текстур, анимации и спецэффектов.

В аддитивных изделиях, как и в архитектуре деконструктивизма, много сложных форм и операций: элементы поддержек, технологическая геометрия, предеформация, электронная рихтовка и т.д.

 

Деконструктивизм — направление в современной архитектуре, для которого характерны зрительная усложнённость, неожиданные изломанные и нарочито деструктивные формы

 

Некоторые элементы (например, решетчатые структуры, пористость и т.п.) гораздо быстрее можно получить с помощью алгоритмического моделирования, чем выполнять вручную в современных САПР. Однако, это очередной вызов для инженера. Чтобы стать эффективным пользователем таких инструментов, ему нужно повышать компетенции в математике, геометрии и кодинге, но затраченные усилия того стоят..

Искусственный интеллект 

Внедрение алгоритмического моделирования уже изрядно помогает инженерам, а что будет, если некоторые процессы аддитивного производства возьмет на себя искусственный интеллект? Он сможет анализировать прошлый производственный опыт и эмпирические данные, минимизируя при этом человеческий фактор, например, проблемы субъективности мышления и несовершенства памяти.

Несмотря на основательный и подробный расчёт при проектировании, во время печати изделий всё ещё могут возникать дефекты из-за совпадения нескольких случайных факторов. Чем сложнее геометрия аддитивного изделия, тем труднее все учесть и спрогнозировать, поэтому некоторые компании задумались о внедрении ИИ.  Например, проект AMAI от Европейской компании EIT Manufacturing стремится вывести на рынок новое решение для обнаружения геометрических ошибок и искажений на месте и в процессе производства во время сварки порошкового слоя (PBF). Этот метод основан на камерах, которые уже доступны в большинстве аддитивных установок PBF, но представляет собой совершенно новую комбинацию расширенной обработки изображений и анализа данных. Инструмент сможет точно восстанавливать геометрию каждого произведенного слоя и обнаруживать возможные геометрические отклонения от номинальной формы. Благодаря этой инновационной возможности геометрические ошибки и искажения могут быстро выявляться во время производства детали, что позволит заранее выявить несоответствия и сократить брак. Инструмент может быть легко установлен на существующие аддитивные установки, как на лазерные, так и на электронно-лучевые.

Уже сейчас некоторые производители предлагают промышленные решения мониторинга – анализ качества нанесенного слоя, снятие излучения ванны расплава инфракрасными датчиками. Все это позволяет интерпретировать и оценивать качество изделия по уже самому процессу синтеза.

«Низвержение в Мальстрем»

У Эдгара Алана По есть произведение «Низвержение в Мальстрем». По сюжету главный герой вместе с двумя братьями ловит рыбу на парусном судне, и, после урагана их корабль затягивает прямо в водоворот. В популярной компьютерной игре Cyberpunk 2077 по этому произведению сделали одноименный квест, где есть 6 способов прохождения и 3 разных концовки, среди которых нет ни плохой, ни хорошей. Для инженера-конструктора погружение в сферу аддитивных технологий — это погружение в водоворот множества возможностей. Когда он создает аддитивное изделие, для него тоже есть несколько вариантов решения этого кейса и ещё больше разновидностей финала со своими последствиями. Из всего множества вариаций инженер выбирает одну, отдавая предпочтения определенным качествам будущего изделия, но из-за этого проигрывает в других. Не существует абсолютно правильного и абсолютно неправильного решения, чтобы выбраться из водоворота, нужно просто выбирать оптимальное. В этом инженеру помогают его знания и навыки, обмен опытом с коллегами и анализ новейших разработок и мировых тенденций.