{"id":283,"date":"2018-12-05T07:41:29","date_gmt":"2018-12-05T07:41:29","guid":{"rendered":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/?p=283"},"modified":"2021-03-24T12:20:11","modified_gmt":"2021-03-24T12:20:11","slug":"generative-design-suunnittelun-uusi-sukupolvi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/2018\/12\/05\/generative-design-suunnittelun-uusi-sukupolvi\/","title":{"rendered":"Generative design \u2013 suunnittelun uusi sukupolvi"},"content":{"rendered":"

Viime vuosien aikana markkinoille on tullut suunnitteluohjelmia, joiden toimintaperiaatteeksi kerrotaan “generative design”, eli generatiivinen suunnittelu. Niit\u00e4 mainostetaan topologian optimoinnin seuraavaksi sukupolveksi ja k\u00e4ytt\u00f6kohteina mainitaan erityisesti 3D-tulostettavat tuotteet.<\/p>\n

Generatiivisella suunnittelulla tarkoitetaan iteratiivista suunnitteluprosessia, jossa ohjelmisto luo tietyn m\u00e4\u00e4r\u00e4n ratkaisuvaihtoehtoja, jotka t\u00e4ytt\u00e4v\u00e4t ohjelmalle asetetut reunaehdot ja suunnittelukriteerit. Ohjelmistoa k\u00e4ytt\u00e4v\u00e4 suunnittelija rajaa vaihtoehtojen m\u00e4\u00e4r\u00e4\u00e4 s\u00e4\u00e4t\u00e4m\u00e4ll\u00e4 kriteerien raja-arvoja. Generatiivisen suunnittelun avulla voidaan k\u00e4yd\u00e4 l\u00e4pi suuri m\u00e4\u00e4r\u00e4 ratkaisuvaihtoehtoja ja optimoida tulosta haluttuun suuntaan. Suunnitteluprosessin luonne my\u00f6s pakottaa m\u00e4\u00e4ritt\u00e4m\u00e4\u00e4n suunnittelukriteerit huolellisesti ennen suunnittelun aloittamista. T\u00e4st\u00e4 syyst\u00e4 generatiivinen suunnittelu on vaativaa ja edellytt\u00e4\u00e4 ainakin jonkin verran mekaniikan ja materiaalien ominaisuuksien tuntemista sill\u00e4 tietokone tai teko\u00e4ly ei tee suunnitteluty\u00f6t\u00e4 kokonaan ihmisen puolesta t\u00e4ll\u00e4k\u00e4\u00e4n menetelm\u00e4ll\u00e4.<\/p>\n

Ratkaisujen \u201dhyvyys\u201d riippuu k\u00e4ytetyst\u00e4 ratkaisualgoritmista. Monesti suunnittelussa tavoitteena on toiminnallisuuden lis\u00e4ksi minimoida kappaleen massa jolloin my\u00f6s suunniteltavan kappaleen lujuustarkastelu on olennaista. Ainakin joihinkin generatiivisen suunnittelun ohjelmistoihin sis\u00e4ltyy my\u00f6s lineaaristen j\u00e4nnitysten FEM-laskenta. T\u00e4m\u00e4 voi joissain ei-kriittisiss\u00e4 kompakteissa rakenteissa olla riitt\u00e4v\u00e4, mutta suurempien, merkitt\u00e4v\u00e4\u00e4 kuormaa kantavien, riskialttiiden tai muuten kriittisten rakenteiden osalta on syyt\u00e4 tehd\u00e4 erillinen varsinainen lujuuslaskenta suunnitellun kappaleen vaatimustenmukaisuuden toteamiseksi. N\u00e4in voidaan varmistua kappaleen kuormankanto- ja muodonmuutoskyvyst\u00e4, stabiliteetista, v\u00e4r\u00e4htelyominaisuuksista sek\u00e4 v\u00e4symiskestosta.<\/p>\n

Savonialla testattiin Generatiivista suunnittelua Autodeskin Fusion 360 \u2013ohjelmistolla. Testattavaksi rakenteeksi valittiin selke\u00e4n ja hyv\u00e4n vertailukohdan saamiseksi kuvassa 1 esitetty fiktiivinen korvake, joka on muodoltaan ja rakenteeltaan varsin perinteinen metalliteollisuudessa k\u00e4ytetty osa. Savonian ALVO -projektissa testikappaleelle tehtiin topologiaoptimointi kahdella eri ohjelmistolla (PaReTo-Works ja SolidThinking Inspire). Korvake on siis my\u00f6s eri optimointimenetelmien vertailun mieless\u00e4 mielenkiintoinen. Allaolevassa kuvassa esitetty korvakkeen optimoitu versio on suunniteltu uudelleen kahden optimointikierroksen perusteella.<\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

\"\"
Kuva 1. Fiktiivinen korvake, josta tehtiin ALVO-projektissa topologia-optimoitu versio. Vasemmalla perusosa, oikealla optimoitu versio.<\/figcaption><\/figure>\n

Generatiivinen suunnittelu l\u00e4htee liikkeelle m\u00e4\u00e4ritt\u00e4m\u00e4ll\u00e4 suunnittelukriteerit. Aluksi on m\u00e4\u00e4ritelt\u00e4v\u00e4 suunniteltavan kappaleen materiaali tai materiaalivaihtoehdot, valmistusrajoitteet, tarvittavat toiminnalliset piirteet (s\u00e4ilytett\u00e4v\u00e4 geometria), liittyvien osien ja ty\u00f6kalujen tilavaraukset (estegeometria) sek\u00e4 k\u00e4ytett\u00e4v\u00e4t kuormat, varmuusluku kuormien suhteen ja reunaehdot. Kuvassa 2 on esitetty n\u00e4it\u00e4 suunnitteluvaiheita Autodesk Fusion 360 ohjelmassa.<\/p>\n

\"\"
Kuva 2. Korvakkeen generative design \u2013aihio, estegeometria (liittyv\u00e4t osat, luoksep\u00e4\u00e4st\u00e4vyys ty\u00f6kaluille jne.), s\u00e4ilytett\u00e4v\u00e4 geometria, k\u00e4ytetyt kuormat ja reunaehdot, valmistusrajoitteet ja materiaali<\/figcaption><\/figure>\n

L\u00e4ht\u00f6tietojen m\u00e4\u00e4ritt\u00e4misen j\u00e4lkeen suunnittelualgoritmi luo muuttujien m\u00e4\u00e4r\u00e4n perusteella joukon ratkaisuja. Korvake-esimerkiss\u00e4 muuttujana on vain tulostussuunta (kappale halutaan 3d-tulostaa). Tulostussuunta X, Y tai Z suuntaan 45 asteen s\u00e4\u00e4nn\u00f6n rajoittamana eli kappaleeseen ei saa muodostua tulostussuuntaan n\u00e4hden p\u00e4\u00e4lle kaatuvia eli negatiivisia pintoja yli 45 asteen kulmassa. Muita mahdollisia muuttujia voivat olla eri materiaalit tai eri valmistusmenetelm\u00e4t omine muuttuvine rajoitteineen. Kuvassa 3 on esitetty Fusion 360 ohjelmiston pilvess\u00e4 luomat ratkaisut korvakkeen muodoksi.<\/p>\n

 <\/p>\n

\"\"
Kuva 3. Ratkaisut<\/figcaption><\/figure>\n

Kuvissa 4 ja 5 n\u00e4kyv\u00e4t ratkaisujen 1 ja 2 3D-mallit ja asetettuja kuormia vastaava lineaarisen staattisen analyysin j\u00e4nnitystila. Fusion 360 \u2013ohjelmiston luomasta j\u00e4nnityskuvaajasta ei voida lukea paikallisia tarkkoja j\u00e4nnityksen arvoja, joten se on vain eritt\u00e4in karkea suuntaa antava analyysi jopa lineaariseksi j\u00e4nnitysanalyysiksi.<\/p>\n

\"\"
Kuva 4. Ratkaisu 1, j\u00e4nnitykset<\/figcaption><\/figure>\n
\"\"
Kuva 5. Ratkaisu 2, j\u00e4nnitykset<\/figcaption><\/figure>\n

Edell\u00e4mainitun testikappaleen lis\u00e4ksi alla on esitelty muutama kuva ohjelman tutoriaalin esimerkkikappaleesta. Autodeskin Fusion 360 tutorial-materiaaleista l\u00f6ytyy harjoituksia, joiden avulla generatiivisen suunnittelun kanssa p\u00e4\u00e4see hyvin alkuun. Kuvassa 6 on esitetty er\u00e4\u00e4ss\u00e4 harjoituksessa k\u00e4ytetty malli.<\/p>\n

 <\/p>\n

\"\"
Kuva 6. Autodeskin tutoriaalissa k\u00e4ytetty malli<\/figcaption><\/figure>\n

Edell\u00e4 esitetyn harjoitusmallin ratkaisuksi saadaan 16 eri vaihtoehtoista muotoa. Muodot on esitetty kuvassa 8. Harjoituksessa muuttujina on nelj\u00e4 eri materiaalia ja nelj\u00e4 eri valmistustapaa (3D-tulostus X, Y ja Z suuntiin sek\u00e4 rajoitteeton valmistusmenetelm\u00e4).<\/p>\n

\"\"
Kuva 7. Tutoriaalin kappaleen ratkaisut<\/figcaption><\/figure>\n

Fusion 360 ohjelmistossa on nelj\u00e4 erilaista tapaa tarkastella ohjelman luomia ratkaisuja: pikakuvakkeet, pikakuvakkeet ja ominaisuudet, parvikuvaaja sek\u00e4 taulukko. Eri tarkastelutavoilla on helppo verrata ratkaisujen ominaisuuksia kesken\u00e4\u00e4n ja painottaa tai rajata tiettyj\u00e4 ominaisuuksia. Kuvassa 9 esitetty ratkaisut taulukkomuodossa.<\/p>\n

\"\"
Kuva 8. Tutoriaalin ratkaisut, taulukko<\/figcaption><\/figure>\n

Korvakkeen ratkaisuista 1 ja 2 p\u00e4\u00e4tettiin tehd\u00e4 my\u00f6s koetulosteet Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa. Vertailun vuoksi tulostettiin my\u00f6s ALVO-projektin korvakkeet. Kaikki tulosteet onnistuivat hyvin, valmiit kappaleet on esitetty kuvissa 9 ja 10.<\/p>\n

\"\"
Kuva 9. Topologia-optimoitu korvake tulostettuna, versiot vasemmalta alkaen: alkuper\u00e4inen, 1. optimointi, 2. optimointi, 3.optimointi (alumiinituloste)<\/figcaption><\/figure>\n
\"\"
Kuva 10. Generatiivisella suunnittelulla aikaansaadut korvakkeet tulostettuna (ratkaisut 1 & 2)<\/figcaption><\/figure>\n

Generatiivinen suunnittelu on mielenkiintoinen lis\u00e4 suunnittelumenetelmiin. Erityisesti erikoisempaa design-tuotetta suunnitellessa menetelm\u00e4 on varmasti k\u00e4ytt\u00f6kelpoinen. My\u00f6s korkean teknologian tuotteet esimerkiksi ilmailuun, avaruustekniikkaan tai huippu-urheiluun liittyen ovat potentiaalisia k\u00e4ytt\u00f6kohteita. N\u00e4iss\u00e4 sovelluskohteissa kappaleen massan tai tilavuuden optimoinnilla voi olla huomattavasti suurempi merkitys kuin suunnittelu- tai valmistuskustannuksilla. My\u00f6s kalliimpien valmistusmateriaalien tapauksessa massan optimointi voi olla kannattavaa korkeista suunnittelu- ja valmistuskustannuksista huolimatta.<\/p>\n

Menetelm\u00e4 on kuitenkin monimutkainen ja ty\u00f6l\u00e4s k\u00e4ytt\u00e4\u00e4, joten sen k\u00e4ytt\u00f6 yksinkertaisiin ja karkeisiin teollisuuden tuotteisiin ei ole tarkoituksenmukaista. Suunnitteluprosessin tuotoksena syntyvien kappaleiden monimutkaiset muodot puolestaan rajaavat valmistusmenetelm\u00e4t k\u00e4yt\u00e4nn\u00f6ss\u00e4 valu- ja 3D-tulostusmenetelmiin.<\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

Simo M\u00e4kinen
\nTKI-asiantuntija
\nSavonia-ammattikorkeakoulu<\/p>\n

 <\/p>\n\n\n

\"\"<\/figure>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Viime vuosien aikana markkinoille on tullut suunnitteluohjelmia, joiden toimintaperiaatteeksi kerrotaan “generative design”, eli generatiivinen suunnittelu. Niit\u00e4 mainostetaan topologian optimoinnin seuraavaksi sukupolveksi ja k\u00e4ytt\u00f6kohteina mainitaan erityisesti 3D-tulostettavat tuotteet. Generatiivisella suunnittelulla tarkoitetaan iteratiivista suunnitteluprosessia, jossa ohjelmisto luo tietyn m\u00e4\u00e4r\u00e4n ratkaisuvaihtoehtoja, jotka t\u00e4ytt\u00e4v\u00e4t ohjelmalle asetetut reunaehdot ja suunnittelukriteerit. Ohjelmistoa k\u00e4ytt\u00e4v\u00e4 suunnittelija rajaa vaihtoehtojen […]<\/p>\n","protected":false},"author":4267,"featured_media":285,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,1],"tags":[5,24],"class_list":["post-283","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-liva","category-uncategorized","tag-3d-tulostus","tag-topologian-optimointi"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/283","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4267"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=283"}],"version-history":[{"count":7,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/283\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":986,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/283\/revisions\/986"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media\/285"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=283"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=283"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=283"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}