GENERATIVE DESIGN - DER NEUE BAHNBRECHENDE WEG ZU BESSEREN PRODUKTEN

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1 GENERATIVE DESIGN - DER NEUE BAHNBRECHENDE WEG ZU BESSEREN PRODUKTEN Marco Arnold Dipl.-Ing.(FH), Geschäftsführer Arnold IT Systems GmbH & Co. KG Join the conversation #AU2017 #AUGermany

2 Sprecherprofil K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Marco Arnold Position Location Geschäftsführer Freiburg m.arnold@arnold-it.com o 33 Jahren mit Autodesk Software in den Bereichen CAD, CAM, PDM, ERP-Kopplungen und Simulation tätig 29 Jahre Beratung erfolgreicher Unternehmen bei der Auswahl, Einführung, Modernisierung und Expansion dieser Systeme bis hin zu global vernetzten Umgebungen 2007 von Autodesk als geschäftsführender Gesellschafter der Arnold IT Systems GmbH & Co. KG als einer von 12 Systemhäusern weltweit für sein Schaffen ausgezeichnet Praktische Erfahrungen erwarb Marco Arnold nach einem Software-geprägten Feinwerktechnik-Studium zunächst als Entwicklungsingenieur für Luftfahrt-Technik. Dabei war er maßgeblich an einem Forschungsauftrag für den Euro-Fighter beteiligt, modifizierte FEM- und CFD-Programme zur Berechnung von Navigationssystemen für Atom-U-Boote und entwickelte hochsensible Laser-Messtechnik Als Planungs- und Konstruktionsleiter mitverantwortlich für die Einführung von ISO 9001, lernte er als die Gestaltung, Verbesserung und praktische Umsetzung der Prozesse in einem weiteren Unternehmen kennen Aufbau eines CAD-Systemhaus, das er später nach der Gründung seines eigenen Unternehmens erfolgreich integrierte. Seit 2014 arbeitet Marco Arnold aktiv mit namhaften Forschungs-Instituten an neuen Lösungen für IoT und Industrie 4.0

3 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bisher wusste der erfahrene Taxifahrer den besten Weg vom Bahnhof zum Hotel Heute das Navi oder der erfahrene Taxifahrer zusammen mit dem Navi Bisher weiss der erfahrene Entwickler die beste Form eines Bauteils Morgen das Generative Design oder der erfahrene Entwickler zusammen mit Generative Design

4 Agenda K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Was ist Generative Design? Mit was kann man es vergleichen? Was sind mögliche Anwendungs-Optionen? Was steckt dahinter? Aktuelle Anwendung an Beispielen Bremszange Gabelbrücke Rahmen Schwinge

5 Was ist der Grund-Gedanke hinter Generative Design? K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Aktueller Ablauf: Die verantwortlichen Menschen erfassen eine Vielzahl an technischen, kaufmännischen und terminlichen Randbedingungen für das gewünschte Ergebnis einer Lösung. Meist werden diese dann in einem Pflichtenheft und den Auftragspapieren zusammengefasst. Danach erfolgt das Ausarbeiten der Lösung mit meist hohem Ressourcen- und Zeit-Aufwand. Unglücklicherweise ändern sich Randbedingungen während der Ausarbeitung (auf Wunsch des Kunden oder des Lösungs-Anbieters) oder neue kommen hinzu, was den Ressourcen- und Zeit- Aufwand weiter erhöht und am Ende oft zu Kosten- und Termin-Problemen führt. Schlussendlich liegt die richtige Lösung vor, die alle Randparameter erfüllt. Es sei denn, man hat einen wesentlichen vergessen: Inakzeptabel, dass der ganze Stahl rostet, weil nicht bekannt war, dass das umgebende Wasser mit Chlor gereinigt wird Angedachtes Ziel: Im Grunde zunächst alles wie oben. Jedoch nutzt man die Software zur Berechnung der Lösung, die das Optimum aus allen bekannten Randbedingungen darstellt. Das spart einen großen Teil der oben genannten Ressourcen- und Zeit-Aufwände. Sowohl bei der Erstellung der Lösung als auch bei nachfolgenden Änderungen.

6 Vergleich der Entwicklungsprozesse K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Simulation Heute und in Zukunft Bisher und heute Quelle: Autodesk

7 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Was ist der Grund-Gedanke hinter Generative Design? Allgemein: Man gibt der Software die Rahmenbedingungen (derzeit aus der aktuellen Systemumgebung oder evtl. aus einem Pflichtenheft) vor. Dann beschreibt man das gewünschte Ziel und lässt sich das Ergebnis berechnen. Aktuell: Man gibt den Bauraum sowie Lager und Kräfte an. Dann lässt man sich das gewünschte Gewicht und damit die optimale Material-Anordnung berechnen.

8 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Was ist der Grund-Gedanke hinter Generative Design? Konkret: Bei Berechnungen anhand der Finite Elemente Methode gibt man schon viele Jahre die Form, das Material, die Lagerung sowie statische und dynamische, mechanische und thermische Belastungen an. Dann lässt man sich die Belastung des Bauteils berechnen. Um die daraus resultierenden Auswirkungen wie z.b. die Verformung abzuleiten. Neu: Wenn die FEM-Software schon die Belastung in den einzelnen Bauteil- Bereichen errechnen kann, kann sie daraus Material in den Bereichen entfernen, in denen die Belastung gering ist. Oder künftig sogar dort Material anhäufen, wo die Belastung hoch ist.

9 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Generative Design kann man recht gut mit dem Navigations-System vergleichen Vorgabe Navi Generative Design Basis Strassenkarte Bauraum Randbedingung 1 Fahrzeug Material Randbedingung 2 Route (kurz oder schnell) Lager Randbedingung 3 Staus Kräfte Randbedingung 4 Ausgeschlossene Wege Ausgeschlossene Bereiche Ausgangs-Situation Start-Ort Start-Gewicht Gewünschtes Ergebnis Ziel-Ort Optimales Gewicht

10 Gestalt einer Brücke mit Generative Design K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Quelle: Autodesk

11 Ziel dieser neuen Technik K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Was ist das generell? Shape Generator = Form-Erzeuger Zusammen mit Generative Design ein Schritt zum Goal Driven Design Derzeit zunächst der nächste logische Schritt nach FEM In Zukunft soll der Computer die geometrische Form vorschlagen Was will man damit erreichen? Aktuell zunächst Material und Gewicht sparen In Zukunft die ideale Form für alle Anforderungen errechnen Was ist die Herausforderung? Die günstigste Lösung zu finden, die allen Anforderungen entspricht

12 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Wie passt der Shape Generator in Future of Making Things?

13 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Quelle: Autodesk

14 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Welche Vorteile können entstehen? Kleinere Dimensionierung von Motoren und anderen Bauteilen Verbesserung der Maschinengenauigkeit Geringerer Energieverbrauch Ansprechende und innovative Bauteile Abwägen verschiedener Herstellprozesse Quelle: Autodesk

15 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Generative Design Übersicht der Möglichkeiten

16 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Entwicklung des Goal Driven Design Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Scripted, Automated, Customizable Dreamcatcher `` Nastran Topology Optimization Topology Generative Gitter Design Topology Generative Gitter Quelle: Autodesk

17 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Generative Design - Erforschung des Unendeckten Erfordert vom Entwickler ein Umdenken Quelle: Autodesk

18 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Topologie-Optimierung mit Inventor

19 Shape Generator = Topologie Optimierung K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Quelle: Autodesk

20 Bsp. ASKA: Wettbewerb in der Cloud K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Quelle: Autodesk

21 Ergebnis Cloud vs. Shape Generator K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n 1. Platz aus 105 Vorschlägen Inventor Shape Generator St Quelle: Autodesk

22 Workflow Shape generator K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Für den Bauraum (Bauteil) wird eine mechanische Beanspruchung definiert. Material zuweisen Lager definieren Belastung aufbringen Auszuschließenden Bereich definieren Ggf. Symmetrie definieren Ziel angeben: Gewichtsreduktion, Zielgewicht, Netzauflösung Shape Generator Studie berechnen lassen Quelle: Autodesk

23 Ausgangssituation K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Schwer 100 kraft 0 N fixie rt 300 N 20 mm 2015 Autodesk Quelle: Autodesk

24 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Autodesk Quelle: Autodesk

25 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Vorgaben für die Berechnung Maximale Variantengröße Symmetrie Quelle: Autodesk

26 Mesh Resolution = 3 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Autodesk Quelle: Autodesk

27 Mesh Resolution = 2 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Autodesk Quelle: Autodesk

28 Mesh Resolution = 1 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Autodesk Quelle: Autodesk

29 Mesh Resolution = 0,5 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Autodesk Quelle: Autodesk

30 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Einige Beispiele zur Topologie-Optimierung

31 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbens: Langhuber mit starker Kolbenlast 2016 Marco Arnold

32 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bsp. Analyse eines einfachen Kolbens: CAD-Modell + FEM-Bedingungen 2016 Marco Arnold

33 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Innere Spannung und Verformung 2016 Marco Arnold

34 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Ergebnis nach 3 Verbesserungen 2016 Marco Arnold

35 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Studie mit Shape Generator 2016 Marco Arnold

36 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Redesign entsprechend der Studie 2016 Marco Arnold

37 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Check der Studie per FEM => viel besser 2016 Marco Arnold

38 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines Bremssattels: Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht Quelle: azureedge.net

39 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bsp. Analyse eines einfachen Kolbens: CAD-Modell + Rand-Bedingungen 2017 Marco Arnold

40 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines Bremssattels: Studie mit Shape Generator 2017 Marco Arnold

41 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse einer Gabelbrücke: Stabilere Vordergabel bei geringem Gewicht Obere Gabelbrücke Untere Gabelbrücke Quelle: Wikipedia

42 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bsp. Analyse einer Gabelbrücke: CAD-Modell + Rand-Bedingungen 2017 Marco Arnold

43 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse einer Gabelbrücke: Studie mit Shape Generator 2017 Marco Arnold

44 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines Motorrad-Rahmens: Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht Quelle: motorradonline.de

45 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bsp. Analyse eines Motorrad-Rahmens: CAD-Modell + Rand-Bedingungen 2016 Marco Arnold

46 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines Motorrad-Rahmens : Studie mit Shape Generator 2017 Marco Arnold

47 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse einer Hinterrad-Schwinge: Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht Quelle: Wikipedia

48 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n Bsp. Analyse einer Hinterrad-Schwinge : CAD-Modell + Rand-Bedingungen 2016 Marco Arnold

49 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Bsp. Analyse eines einfachen Kolbes: Studie mit Shape Generator 2017 Marco Arnold

50 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Viel Bauteile für ein E-Motorrad-Konzept: Bremse, Gabelbrücke, Rahmen und Schwinge 2017 Marco Arnold

51 K n o w - h o w f ü r b e s s e r e L ö s u n g e n. Herzlichen Dank für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit Haben Sie noch Fragen??

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