Generatives Design – Basis der modernen Fertigung

Generatives Design gewinnt heutzutage immer mehr an Bedeutung. Das generative Verfahren findet z. B. im 3D-Druck breite Anwendung. Es ermöglicht Formen von Werkstücken, die mit einem spanenden Fertigungsverfahren wie Drehen oder Fräsen nicht möglich wären. Die Ausgangsbasis für ein Bauteil oder ein Werkstück bildet dabei das CAD-Programm. Dort können alle Parameter definiert und ein virtuelles Modell des CAD-Designs am Computer erzeugt werden. Eine weit verbreitete CAD-Software ist dabei Solid Edge von der Firma Siemens. In der Maschinenbau-Branche hat sich Solid Edge etabliert und aufgrund des umfassenden Funktionsumfangs kommt diese CAD-Software bei vielen Fertigungsunternehmen zum Einsatz.

Generatives Design – Hintergrund und Zukunft

Allgemein lässt sich durch ein generatives Verfahren ein Produkt oder ein Bauteil sehr präzise und vor allem einfacher fertigen. Es gibt verschiedene Entwürfe und Funktionen, die dabei helfen können, die Produkte effizient zu modellieren. Beispielsweise können Parameter wie das Gewicht optimiert werden. Dies vermeidet, vor allem im Leichtbau, hohe Kosten. Gleichzeitig müssen die einwirkenden Kräfte auf das Bauteil berücksichtigt werden. Dies wurde vor rund 50 Jahren noch von Hand und ohne die Unterstützung von CAD-Programmen wie Solid Edge durchgeführt. Dadurch mussten viele Entwickler gleichzeitig an einem Produkt arbeiten, was zusätzliche Kosten verursacht hat und den Zeitfaktor für ein Produkt nach oben trieb.

Generative Designverfahren gehen noch einen Schritt weiter als das herkömmliche CAD-Modellieren von Bauteilen oder Baugruppen für die spanende Fertigung. Der Gestaltungsprozess für die Produktentwicklung mittels generativen Designs setzt sich aus der Idee zusammen, sich Entwurfs- und Konstruktionsvarianten aus einem Designansatz der Natur zunutze zu machen. Dabei orientieren sich die Programme, die von einem Konstrukteur oder Ingenieur bedient werden, an gegebenen Bauarten. Diese werden in Kombination mit der bestmöglichen Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall (z. B. Kräfteoptimierung oder Strukturoptimierung) automatisch in Einklang gebracht. Anschließend folgt häufig ein additives Fertigungsverfahren, das die Möglichkeiten im Vergleich zur konventionellen spanenden Fertigung in Sachen Flexibilität und Geometriedesign sprengt.

Wie funktioniert generatives Design und was ist der Unterschied zu generativem Engineering?

Bei diesem Verfahren formuliert ein Konstrukteur mit einem Entwickler im ersten Schritt das zu erreichende Designziel in Abhängigkeit von den Modellparametern (z. B. Werkstoff, Größe, Gewicht, etc.). Auch ein Kostenziel kann in die Software eingegeben werden. Anschließend erzeugt die Software mit den Vorgaben des Konstrukteurs ein Modell bzw. mehrere Konstruktionsvarianten. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Designprozess ist der Computer bei diesem Verfahren dazu in der Lage, maschinell zu lernen und in Bezug auf die Designvorgaben immer besser passende Konstruktionslösungen anzubieten. Der Mensch ist in dieser Rolle nur noch die „ausführende“ Gewalt, die sich auf die Empfehlungen des Computers stützt. Der Unterschied zu generativem Engineering ist dabei, dass beim generativen Engineering der gesamte Produktentwicklungsprozess berücksichtigt wird. Die einzelnen Schritte der Entwicklungskette sind gekoppelt, dies betrifft auch Faktoren wie die Geometrie oder die Eigenschaften des Produktes. Der generative Designprozess ist dann nur ein Teil dieser Kette und somit nur ein Teil vom generativen Engineering.

Welche Vorteile hat generatives Design?

Das Verfahren bietet eine Vielzahl an Vorteilen. Ein wichtiger Faktor ist die Zeitersparnis. Der Konstrukteur muss nur noch die, vom Programm vorgeschlagenen, Bauteilgeometrien auswählen, die für den Anwendungsfall unter verschiedenen Gesichtspunkten (z. B. die Gestaltung oder die Festigkeit eines Bauteils) am besten passen. Für diesen Schritt musste ein Konstrukteur vor einigen Jahren noch viel Arbeit und Zeit investieren und eine Geometrie oder eine Form mit einem Finite-Elemente-Programm von Hand optimieren.

Hier die Vorteile im Überblick:

• Einsparung von Kosten
• Anpassungen sind flexibel möglich und können im Nachhinein durchgeführt werden
• Daten vom CAD-Modell können an Fertigungsmaschinen im nachgeschalteten Fertigungsprozess übermittelt werden
• Auswahl von Material für das Bauteil
• Auswahl von Parametern für das Bauteil
• Kräfteberechnungen
• Übersicht über die Form und sogar die Farbe des Bauteils
• Kollisionsanalyse für Baugruppen
• Auswertung und Spannungsanalysen für die Belastungszustände

Die CAD-Lösung Solid Edge – Allgemeines zu Solid Edge

Das Programm Solid Edge ist bereits dem Jahr 1995 auf dem Markt und wird seitdem ständig weiterentwickelt.

Seit der Version Solid Edge ST10 sind Funktionen für generatives Design in der Software eingebunden. Solid Edge berechnet beispielsweise wie oben aufgeführt die Parameter für eine Konstruktion, die in Abhängigkeit der äußeren Einflussfaktoren notwendig sind. Beispielsweise die Einspannsituation oder die einwirkenden Kräfte auf ein Bauteil.

Vorteile von Solid Edge

Solid Edge berücksichtigt durch verschiedene Module im Programm unterschiedliche Einflussfaktoren auf die Konstruktion oder das Bauteil. Dies spart viel Zeit und reduziert nachweislich die Kosten, die für die Entwicklung oder die Anpassung eines Bauteils bzw. Produktes entstehen.

Zudem bietet Solid Edge flexible Konstruktionswerkzeuge an, mit denen Elemente bearbeitet werden können. Solid Edge ist im Bereich der Direktmodellierung in Bezug auf die Bedienung und die Geschwindigkeit führend und ermöglicht parametrische Konstruktionen. Es zeichnet sich durch die Synchronous Technology aus und komibiniert die direkte Modellierung mit der parametergesteuerten. Somit vereint Solid Edge ‚das Beste aus zwei Welten.‘ Des Weiteren bietet Solid Edge eine Vielzahl an Funktionen für die 2D-Zeichnungserstellung, Produktkonfigurationen, Blechkonstruktionen, Flächenmodellierung, Schweißkonstruktionen, Simulationen und fotorealistisches Rendering, eine Topologie-Optimierung oder eine Technische Dokumentation. Das Programm ist erweiterbar und lässt sich in vielen Anwendungsfällen zielgerichtet einsetzen.