Generatives Design

Was ist generatives Design?

Generatives Design ist eine computergestützte Designtechnik und eine Kategorie von Software, die KI zur Optimierung des Designprozesses nutzt. Ingenieure können generative Designsoftware verwenden, um schnell viele Designalternativen durchzugehen und anhand einer Reihe von Kriterien die beste auszuwählen.

Die Technik – manchmal auch als Designexplorationsprozess bezeichnet – wird in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Architektur, Luft- und Raumfahrt und Bauwesen. Sie hilft Ingenieuren in diesen Bereichen, mehr Ideen zu entwickeln, Ideen schneller zu generieren und Produkte schneller auf den Markt zu bringen.

Obwohl der Begriff am häufigsten im Zusammenhang mit Ingenieurwesen und computergestütztem Design (Computer-Aided Design, CAD) verwendet wird, kann generatives Design auch auf Kunstwerke angewendet werden. Tools wie Dall-E, Midjourney und Stable Diffusion entwerfen realistische Kunstwerke aus einfachen Textvorgaben. Generatives Design ist nur eine Variante der generativen KI.

Wie funktioniert generatives Design?

Generatives Design verwendet Algorithmen und KI-gestützte Tools, um eine Reihe von Entwürfen auf der Grundlage einer Reihe von Parametern und Vorgaben zu generieren. Ingenieure können generative Designsoftware verwenden, um eine Reihe von Designoptionen auf der Grundlage bestimmter Vorgaben und gewünschter Ergebnisse zu erstellen und diese dann zu iterieren, um die Projektanforderungen zu erfüllen. Generative Designsoftware nutzt maschinelles Lernen in Verbindung mit Benutzereingaben, um frühere Iterationen zu verbessern. Sie greift auch auf Daten aus Cloud-Computing-Anwendungen zurück, um ihre Entwürfe zu optimieren.

Beim traditionellen Design wird zunächst ein Modell manuell erstellt, das der Designer dann mit CAD-Software verfeinert. Beim generativen Design werden anhand vordefinierter Vorgaben automatisch mehrere Modelle generiert. Der Designer oder Ingenieur muss lediglich das Problem in Form von Parametern definieren, und die Software generiert Lösungen. Das generative Design umfasst mehrere Hauptschritte:

1. Vorgaben definieren. Der Designer definiert das zu lösende Problem, legt die grundlegenden Projektvorgaben fest und gibt die gewünschten Ergebnisse des Projekts an. Zu den Vorgaben können Material- oder Größenbeschränkungen gehören. Ein Beispiel für ein Ergebnis kann die Verbesserung der Effizienz eines bestimmten Objekts sein.
2. Verfeinern der Parameter. Ingenieure oder Designer verfeinern allgemeine Vorgaben und Ziele zu Daten und übersetzen diese in Softwareparameter wie Platzanforderungen, Materialanforderungen, Kostenbeschränkungen und Leistungsanforderungen. Dieser Schritt liefert umsetzbare Informationen, um mit der Generierung verschiedener Designoptionen zu beginnen. Der Designer verfeinert in dieser Phase auch die Projektziele und gewünschten Ergebnisse.
3. Ideenfindung. Die Software generiert mehrere Lösungen für das Problem, mit dem Ziel, die Ziele des Designers gemäß den festgelegten Parametern zu erreichen.
4. Analyse und Bewertung. Der Konstrukteur oder Ingenieur überprüft die generierten Entwürfe und bewertet sie anhand zuvor festgelegter Kriterien unter Verwendung simulierter Tests wie beispielsweise einer strukturellen Dynamikanalyse.
5. Iteration. Nach der Bewertung der generierten Lösungen wählt der Ingenieur die Entwürfe aus, die den Projektanforderungen am ehesten entsprechen. Anschließend kann er die Entwürfe manuell iterieren, um sie einer idealen Lösung anzunähern, oder sie durch Ändern der Parameter oder Vorgaben im generativen Konstruktionswerkzeug iterieren.
6. Validierung. Nach der Verfeinerung der ausgewählten Lösungen erstellt der Konstrukteur Prototypen der Entwürfe, um sie in der Praxis zu testen.
7. Produktion. Der Konstrukteur finalisiert den Entwurf für die Produktion.

In einigen Fällen können generative Designergebnisse die Art und Weise nachahmen, wie die Natur Systeme und Strukturen gestaltet. Dieses Konzept ist als Biomimikry bekannt. Es ist ein Beispiel dafür, wie generatives Design die Möglichkeiten für Konstrukteure erweitern kann, indem es neuartige Lösungen für Konstruktionsprobleme schafft.

Anwendungsfälle und Einsatzbereiche für generatives Design

Ingenieure können generative Designsoftware für folgende Zwecke nutzen:

• Entwerfen neuer Teile
• Entwerfen effizienterer Teile
• schnelleres Entwerfen von Teilen
• Entwerfen von Teilen zu geringeren Kosten

Generatives Design hat eine Vielzahl von Anwendungsfällen in verschiedenen Branchen. Hier einige Beispiele:

• Fertigung. In der Fertigung kann generatives Design genutzt werden, um neue Wege zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen zu finden. Es kann auch in Verbindung mit 3D-Druck und additiver Fertigung – dem industriellen Begriff für 3D-Druck – eingesetzt werden.
• Automobilindustrie. In der Automobilindustrie kann generatives Design genutzt werden, um neue Geometrien und Formen für Autoteile zu erforschen.
• Luft- und Raumfahrt. In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann generatives Design genutzt werden, um neue Flugzeugkonstruktionen zu entwickeln, die eine verbesserte Umweltverträglichkeit, Sicherheit und Gewichtsreduzierung zum Ziel haben.
• Architektur. In der Architektur kann generatives Design genutzt werden, um nachhaltigere und widerstandsfähigere Gebäude sowie zivile Bauwerke zu entwerfen.
• Konsumgüter. Alltägliche Konsumgüter wie Sportgeräte können so entworfen und hergestellt werden, dass ihre Leistung verbessert und ihre Kosten gesenkt werden.

Traditionelle Designtools vs. generative Designtools

Traditionelle Design-Tools und generative Designtools überschneiden sich teilweise. Oft sind generative Designfunktionen als Features oder Plugins in traditionellen CAD-Programmen enthalten.

Werkzeuge ohne generative Designfunktionen – traditionelle CAD-Programme – erfordern mehr Eingaben seitens des Benutzers als generative Designsoftware. Der Designer muss die Parameter und die Geometrie für jedes Design manuell anpassen. Generative Designwerkzeuge spielen eine aktivere Rolle im Designprozess und erstellen Designoptionen aus einer Reihe von anfänglichen Vorgaben – wie Materialien, Leistungsstandards und Fertigungsmethoden –, die vom Designer festgelegt werden.

Basierend auf Recherchen finden Sie hier einige Beispiele für CAD-Angebote mit generativen Funktionen:

• Autodesk Fusion
• Creo von PTC
• MSC Apex Generative Design von Hexagon
• NTop, ehemals NTopology
• NX von Siemens

Was sind die Vorteile des generativen Designs?

Zu den Vorteilen des generativen Designs gehören die folgenden:

• Gleichzeitige Exploration. Generative Design-Tools können viele Designiterationen – manchmal Hunderttausende – auf einmal erkunden.
• Massenanpassung. Generative Design-Tools ermöglichen in Verbindung mit Industrie 4.0-Techniken wie der additiven Fertigung eine effiziente Massenanpassung von Produkten und Teilen. Es ist einfacher, ein neues Design auszuprobieren oder Spezifikationen zu ändern.
• Schnellere Designs. Generatives Design automatisiert einige der routinemäßigen, zeitaufwendigen Aktivitäten, die mit der Ideenfindung und dem Design verbunden sind. Ingenieure und Designer können sich mehr auf die kontinuierliche Verbesserung und die genauere Definition von Problemen konzentrieren.
• Mehr Designoptionen. Generative Design-Tools erstellen mehrere Modelloptionen, aus denen Ingenieure wählen können.
• Einfaches Erlernen. Generatives Design verschafft Designern auf Einstiegsniveau einen Vorteil, da es ihnen ermöglicht, von Anfang an etwas zu schaffen, das funktioniert. Mit einigen Vorkenntnissen in CAD ist generatives Design leicht zu erlernen.

Was sind die Grenzen des generativen Designs?

Zu den Grenzen des generativen Designs gehören die folgenden:

• Voreingenommenheit. KI-Algorithmen können Voreingenommenheit verschleiern und deren Erkennung erschweren.
• Qualität. Generative Designsoftware kann eine große Menge an Designoptionen erstellen. Dies kann es schwieriger machen, zu bestimmen, welche Designs von akzeptabler Qualität sind und welche nicht. Die Software kennt den Unterschied nicht von Natur aus.
• Auswahlparadox. Wenn das Problem nicht klar definiert ist, kann das Auswahlparadox die Entscheidung für das richtige Design erschweren. Eine größere Auswahl kann davon ablenken, was für die Lösung eines Problems am wichtigsten ist. Beim generativen Design erfüllen viele der Designs die ursprünglichen Kriterien, die vom Ingenieur festgelegt wurden.
• Anleitung der Software. Der Designer muss der Software weiterhin die richtigen Parameter geben und Vorgaben machen, damit ihre Ergebnisse wertvoll sind.

Beispiele für generatives Design

Einige theoretische Beispielprobleme, auf die generatives Design angewendet werden kann, sind die folgenden:

• Entwurf eines Stadions, das Platz für viele Menschen bietet und allen eine gute Sicht auf das Geschehen ermöglicht.
• Entwurf einer Arbeitsplatte, um die Abfallmenge bei der Produktion zu minimieren.
• Entwurf eines nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Gebäudes.
• Reduzierung des Gewichts einer Flugzeugtriebwerkshalterung.
• Verbesserung der Tragbarkeit eines elektrischen Rollstuhls.

Einige reale Beispielprojekte, bei denen generatives Design zum Einsatz kam, sind die folgenden:

• Mondlandefähre. Die NASA verwendete generative Designsoftware von Autodesk, um eine Mondlandefähre der nächsten Generation zu entwickeln. Die Landefähre ist leichter als herkömmliche Landefähren.
• Ressourceneffizienter Stuhl. Philippe Starck entwarf einen Stuhl unter Verwendung von generativem Design. Sein Ziel war es, einen Stuhl zu entwickeln, der so wenig Material wie möglich verbraucht. Das Ergebnis war der erste von KI entworfene Stuhl.
• Laufendes Auto. Die Hyundai Motor Group entwarf mit generativem Design den Hyundai Elevate, ein Konzept für ein Auto, das sowohl laufen als auch fahren kann.
• Ressourceneffizienter Schuh. New Balance nutzte generatives Design, um ein internes Gitter für die Außensohle eines Schuhs mit einem organischeren Design zu entwickeln.
• Neues Gebäudedesign. Zaha Hadid Architects verwendete generatives Design, um das Heydar Aliyev Centre in Aserbaidschan zu entwerfen. Das Gebäude ähnelt einer fließenden Form, die sich aus der natürlichen Topografie der Landschaft ergibt.

Was ist der Unterschied zwischen Topologieoptimierung und generativem Design?

Der Begriff generatives Design wird oft synonym mit Topologieoptimierung verwendet. Die beiden Konzepte unterscheiden sich jedoch voneinander.

Topologieoptimierung ist eine ältere Technik, bei der ein von Menschen entworfenes CAD-Modell verwendet wird, um ein einziges optimiertes Modell für den Ingenieur zu generieren. Der Ingenieur gibt bestimmte Lasten und Einschränkungen vor, und die Software generiert ein Modell, indem sie die Materialanordnung entsprechend diesen Anforderungen optimiert.

Generatives Design benötigt keinen von Menschen erstellten Entwurf, um zu beginnen. Der Ingenieur muss der Software lediglich eine Reihe von Vorgaben machen, und die generative Designsoftware erstellt viele mögliche Entwürfe. Sie automatisiert die Ideenfindung beim Design.

Wie sieht die Zukunft des generativen Designs aus?

Anbieter von generativem Design werden sich weiterhin bemühen, Software anzubieten, die Ingenieure bei der Entwicklung neuer und verbesserter Produkt- und Komponentendesigns unterstützt. Derzeit ist generative Designsoftware ein Werkzeug im Arsenal eines Ingenieurs. Im Laufe der Zeit wird sich die Technologie weiter verbessern, neue Möglichkeiten schaffen und neue Hindernisse aufdecken. Generatives Design wird weiterhin verwendet werden, um Objekte zu schaffen, die effizienter, kostengünstiger und ästhetisch ansprechender sind.