L'abc del design generativo

Il design generativo ("generative design" in inglese) è l'ultima frontiera della progettazione CAD per gli ingegneri che lavorano in modo virtuale in tutti i settori della produzione. Sfrutta il potere dell'intelligenza artificiale (AI) per sviluppare nuove iterazioni di design ad alte prestazioni che contribuiscono a risolvere sfide complesse, a ridurre il peso dei componenti e i costi di produzione, a incrementare la personalizzazione e a ottimizzare le prestazioni.

Anche se i design con fitti reticolati e particolari estremamente elaborati possono sembrare stravaganti, oggi il design generativo ha un numero sempre maggiore di applicazioni pratiche.

In questa guida completa scoprirai come funziona il design generativo, quali sono i suoi vantaggi e le sue applicazioni, e approfondirai l'importante ruolo della stampa 3D nel trasformare in realtà questi design incredibili. Scopri come puoi cominciare a usarlo oggi stesso con casi di studio reali e consigli pratici.

Il design generativo è un processo di esplorazione del design iterativo che si serve di un software a intelligenza artificiale per generare una gamma di soluzioni di design che soddisfano una serie di vincoli. A differenza del design tradizionale, in cui il processo parte da un modello che si basa sulle conoscenze di un ingegnere, il design generativo prende avvio da parametri di design e utilizza l'intelligenza artificiale per generare il modello.

Modificando i parametri di design in un ciclo di feedback sempre più sofisticato, gli ingegneri possono trovare soluzioni di design personalizzate ed estremamente ottimizzate per un'ampia gamma di sfide ingegneristiche, come quella di rendere i componenti dei prodotti più leggeri, più resistenti e meno costosi.

Il design generativo e l'ottimizzazione topologica sono diventati termini inflazionati nell'ambito della progettazione CAD, ma spesso vengono erroneamente scambiati per sinonimi. 

L'ottimizzazione topologica non è un concetto nuovo. È in circolazione da almeno 20 anni ed è disponibile in molti dei più comuni strumenti software CAD. L'avvio questo processo richiede che una persona (solitamente un ingegnere) crei un modello CAD, applicando molti vincoli che tengano in considerazione i parametri del progetto. Dopo di che il software genera un unico concetto di modello mesh, ottimizzato e pronto per la valutazione dell’ingegnere. In altre parole, perché l'ottimizzazione topologica funzioni, c’è bisogno di un modello iniziale progettato da un utente, il che rappresenta un limite per il processo, per i suoi esiti e per le sue applicazioni su larga scala. 

In un certo senso l'ottimizzazione topologica funge da base per il design generativo. Il design generativo porta il processo un passo avanti ed elimina la necessità del modello iniziale progettato dall'utente, assumendosi il ruolo di designer in base a una serie di vincoli prestabiliti.

Il ruolo dell'ingegnere si è evoluto di pari passo con la tecnologia. Man mano che il design si affida sempre più a software informatici, capire come servirsi degli strumenti digitali per risolvere sfide di design è diventato un requisito fondamentale per gli ingegneri di ogni settore. Prima del design generativo, gli ingegneri avrebbero concettualizzato e testato iterazioni con modelli e schizzi realizzati a mano.

Ora, grazie ai software di design generativo, gli ingegneri specificano i requisiti per prestazioni ad alto livello e linee guida generali per il design e possono lasciare che il software si occupi dei dettagli. Il processo di definizione di questi parametri può rivelarsi particolarmente complesso quando si caratterizzano nuovi materiali o si desidera creare modelli relativi a problemi e possibili soluzioni che sono difficili da definire.

Il cambiamento fondamentale rispetto ai processi di design tradizionali sta nel fatto che gli ingegneri non avranno più la necessità di creare da soli soluzioni di design. Grazie al design generativo infatti potranno articolare e rifinire l'ambiente in cui le soluzioni di design possono essere applicate con successo. Lasciando che siano i computer a "pensare", il design generativo permette agli ingegneri di concentrarsi sull'innovazione e sulla risoluzione di problemi di alto livello.

Il design generativo ha applicazioni in molti settori: da quello aerospaziale, all'architettura, fino alla produzione e ai beni di consumo. Spesso gli ingegneri si servono del design generativo per tentare di risolvere sfide ingegneristiche complesse. Alcune di queste sono la riduzione del peso e dei costi di produzione dei componenti, la più diffusa produzione di articoli personalizzati e l'ottimizzazione delle prestazioni.

Ad esempio, nel settore della produzione automobilistica, gli ingegneri utilizzano il design generativo per ridurre il peso dei componenti, migliorare le aree di design più deboli, ridurre i costi di produzione consolidando i componenti e velocizzare il lancio sul mercato di nuovi prodotti.

Allo stesso modo, nel settore delle attrezzature sportive, i designer sfruttano il design generativo per portare i prodotti a nuovi livelli di prestazione riducendo al minimo i costi di produzione. Nel settore aerospaziale il design generativo consente ai produttori di aeromobili di ridurre il peso e migliorare la resistenza dei componenti, aiutando le linee aeree a ridurre il consumo di carburante e, di conseguenza, ad abbassare spese ed emissioni.

Indagine simultanea: un vantaggio significativo del design generativo è quello di permettere l'indagine simultanea, la validazione e il confronto di centinaia o migliaia di opzioni di design. Il software può mostrare e confrontare le opzioni di design così da consentire agli ingegneri di scegliere le più adatte ai parametri e alle esigenze del progetto in modo rapido ed efficiente.

Tempi più rapidi per il design: quando i team ingegneristici si servono dell'intelligenza artificiale per scoprire e testare nuove iterazioni di design complessi in modo rapido ed efficiente e su larga scala, possono ridurre drasticamente i tempi di ricerca e sviluppo per i nuovi prodotti. Di conseguenza le aziende che utilizzano il design generativo possono acquisire un grande vantaggio competitivo nel velocizzare il lancio sul mercato dei prodotti.

Processi di fabbricazione avanzati: il design generativo può creare strutture complesse come dettagli organici e reticolati interni, così da trarre il massimo dall’eccezionale libertà di design consentita dalle tecnologie di produzione additiva. Inoltre, offre la possibilità di consolidare le parti. In questo modo, una singola geometria complessa creata da un algoritmo generativo e stampata in 3D può sostituire assemblaggi costituiti da decine di parti separate. 

Per coloro che hanno esperienza con CAD il passaggio ai software di design generativo è molto semplice. Oltre ai programmi specifici per il design generativo, oggi molti software CAD offrono strumenti integrati o plug-in per il design generativo.

Tuttavia i software di design generativo offrono agli utenti maggiori funzionalità rispetto a quelle dei software CAD tradizionali. Questi strumenti consentono agli utenti di inserire informazioni sulle forze, sui materiali, sui costi e su altri parametri nei profili di design, nonché di ordinare i parametri in base alla priorità e di rifinirli in base a rappresentazioni grafiche delle soluzioni di design. 

Ecco una lista non esaustiva dei software comuni che offrono funzionalità di design generativo: 

1. Fusion 360 di Autodesk:Fusion 360 offre agli utenti una serie di potenti strumenti di modellazione, come gli schizzi, la modellazione diretta, la modellazione di superfici, la modellazione parametrica, la modellazione di mesh, i rendering e molto altro. Le sue funzionalità di design generativo permettono agli utenti di identificare i requisiti, i vincoli, i materiali e le opzioni di realizzazione per generare design pronti alla produzione, sfruttando al tempo stesso il potere dell'apprendimento automatico e dell'intelligenza artificiale, così da poter valutare esiti progettuali generati da cloud in base a somiglianze visive, aree e filtri.

2. Creo Generative Design di PTC: sfruttando il cloud, questo software consente agli utenti di creare concetti di design ottimizzati e di esplorare e testare simultaneamente numerose iterazioni di design in tempi rapidi. Evidenzia le iterazioni che corrispondono meglio agli obiettivi dell'utente in base a parametri di design stabiliti dall'utente. All'interno dell'ambiente di design di Creo, il software garantisce la possibilità di generare design per la produzione di alta qualità, a basso costo e in meno tempo rispetto ai principali concorrenti.

3. nTop Platform di nTopology:il software nTop Platform promette agli utenti il controllo completo su ogni aspetto del processo di ottimizzazione e sui suoi esiti. Servendosi di strumenti generativi avanzati, gli utenti possono creare workflow personalizzati, riutilizzabili e su misura per i requisiti specifici di una determinata applicazione. Le funzionalità di questo programma comprendono la creazione di modelli infrangibili e le operazioni di reticolazione, l'ottimizzazione topologica, i workflow di design riutilizzabili, i design basati sullo spazio e simulazioni analitiche di elementi meccanico-termici finiti.

4. NX di Siemens: oltre al design generativo, la principale funzionalità di NX è la tecnologia “digital twin”, che promette agli utenti una soluzione flessibile, efficace e integrata per semplificare il design e la realizzazione di prodotti migliori. NX coniuga l'interoperabilità del design, la validazione, la definizione in base a un modello e molto altro per aiutare gli utenti a portare i prodotti dalla fase di ricerca e sviluppo alla produzione in modo più veloce e a un costo più basso, migliorando al tempo stesso la qualità.

5. MSC Apex Generative Design di MSC Software: questo programma assicura agli utenti una soluzione completa per realizzare componenti metallici ad alta precisione più velocemente e con meno intervento umano rispetto ai concorrenti. Secondo MCS Software gli utenti riscontrano una riduzione fino all'80% del tempo iniziale di design e preparazione. A un primo sguardo il software coniuga in un unico processo semplicità, design automatizzato, importazione e validazione, e output diretto.

Spesso gli algoritmi di design generativo creano forme organiche ad alta efficienza con strutture reticolari di supporto costose o addirittura impossibili da realizzare con le tecnologie di produzione convenzionali, ad esempio lo stampaggio a iniezione o gli strumenti di produzione sottrattiva come la lavorazione meccanica CNC. Gli strumenti di produzione avanzati quali la stampa 3D, che prendono il nome di produzione additiva, sono essenziali per le tipologie di applicazioni orientate alle prestazioni, dove l'ottimizzazione è fondamentale.

La stampa 3D funziona bene con il design generativo perché rappresenta un metodo di produzione veloce versatile per modelli tridimensionali ad alta risoluzione di una o più iterazioni di design, consentendo un prodotto finale conveniente. In generale, dal punto di vista economico, la convenienza della stampa 3D è direttamente proporzionale alla complessità di un'iterazione di design.

La stampa 3D è molto più competitiva a livello di costi per bassi volumi di produzione, infatti non è necessario raggiungere un'economia di scala per compensare i costi iniziali. Inoltre, facilita la personalizzazione di massa consentita dal design generativo. Man mano che il costo della stampa 3D si riduce e la varietà di materiali aumenta, la stampa 3D è sempre più adatta a parti di piccolo e medio volume utilizzabili in un numero sempre maggiore di applicazioni.

Prendiamo in considerazione tre esempi che dimostrano come il design generativo e la stampa 3D siano complementari in applicazioni tratte dalla vita reale.

WHILL, produttore giapponese di veicoli elettrici, si è posto la sfida di creare una sedia a rotelle motorizzata più facile da trasportare alleggerendo la parte più pesante: l'alloggiamento della batteria. Con il software di design generativo Fusion 360 di Autodesk, gli ingegneri di WHILL sono stati in grado di creare un nuovo design che ha ridotto il peso dell'alloggiamento della batteria del 40%.

Quindi il team di sviluppo del prodotto ha adottato un nuovo processo di fabbricazione per dare vita al design. Il team ha diviso il design in quattro parti per riuscire ad adattarlo al volume di stampa di una stampante 3D stereolitografica desktop di Formlabs e ha stampato le parti in Castable Wax Resin per la fusione a cera persa. Gli ingegneri hanno poi unito le parti e colato in sabbia il design per una parte fusa finale in metallo. A processo ultimato, il team ha raggiunto un importante punto di svolta grazie alla stampa 3D in-house e al design generativo, riducendo i costi finali di produzione della sedia a rotelle WHILL, con una diminuzione del numero totale delle parti che compongono il prodotto.

Come WHILL, New Balance, azienda produttrice di calzature, ha ottenuto risultati rivoluzionari con il design generativo e la stampa 3D. Con uno sguardo lungimirante e attento all'innovazione per la sua linea di scarpe personalizzate, nel 2015 New Balance ha avviato una collaborazione con lo studio di design Nervous System con l'obiettivo di utilizzare un processo di design generativo per sviluppare un'intersuola più adattabile alle prestazioni dei runner.

Poi, nel 2017, New Balance ha avviato una collaborazione con Formlabs per sviluppare la Rebound Resin, una resina fotopolimerica brevettata pronta per la produzione, con il quintuplo della resistenza alla lacerazione, il triplo del carico di rottura e il doppio dell'allungamento rispetto agli altri materiali elastomerici per la stampa 3D di livello industriale presenti sul mercato. Insieme, New Balance e Formlabs hanno fatto notevoli passi avanti nella produzione di scarpe e sono riuscite a fornire prodotti migliori agli utenti finali. 

Le due aziende continuano a collaborare con lo scopo finale di produrre in serie scarpe da corsa personalizzate, realizzate su misura per ciascun cliente grazie al design generativo e ai nuovi materiali di stampa 3D.

Ti chiedi da dove cominciare? Ecco alcuni consigli fondamentali che ti aiuteranno a trovare la strada giusta:

Iniziare è semplice. Se hai dimestichezza con CAD, non sarà difficile sperimentare il design generativo. Il design generativo è semplice da approcciare per problemi circoscritti e ben definiti. Ormai è integrato in molti pacchetti CAD che offrono prove gratuite di 30 giorni.

Alleggerire una parte esistente è un ottimo progetto per cominciare. Alleggerire una parte è un buon punto di partenza per ottimizzarla in modo che pesi poco senza rinunciare alle prestazioni, a patto che i carichi siano ben definiti.

Suddividi la visione di lungo termine in progetti di ricerca e sviluppo più piccoli. Per essere efficaci, il design generativo e la produzione additiva richiedono prospettive e workflow diversi da quelli tradizionali. Non si può ottenere un prodotto personalizzato stampato in 3D con prestazioni ottimizzate, disponibile a livello globale su larga scala, da un giorno all'altro. I progetti di maggiore successo si articolano in una serie di progetti iterativi e strategici distribuiti in un certo lasso di tempo.

Rivolgiti a partner nel settore tecnologico per ricevere consigli e assistenza. Molte aziende di software e produzione additiva hanno team specializzati per darti assistenza, come Formlabs Factory Solutions. Cerca modi per trarre vantaggio dalla loro esperienza, così da muovere i primi passi e imparare in fretta.

Il design generativo ricopre un ruolo sempre più centrale nel design di prodotto in un'ampia varietà di settori. Che un'azienda stia cercando di ridurre il peso del supporto del motore di un aereo, di rendere una sedia a rotelle elettrica più semplice da trasportare o di personalizzare una scarpa da corsa, il design generativo e la stampa 3D stanno aprendo le porte a un futuro pienamente ottimizzato e personalizzato.

Man mano che i progressi dell'intelligenza artificiale nella produzione additiva allargano sempre più l'orizzonte di possibilità per il design generativo, queste tecnologie innovative e rivoluzionarie presenteranno nuove applicazioni e vantaggi. 

Vuoi saperne di più sul design generativo? Guarda il nostro webinar "Introduzione al design generativo per la produzione di parti leggere con la stampa 3D“. Ti offrirà altri esempi e un tutorial dettagliato sull’uso di Fusion 360 per produrre un attacco leggero.