Künstliche Intelligenz schlägt Konstruktionslösungen vor

Beim generativen Design erzeugt künstliche Intelligenz mit Algorithmen der Natur eine Vielzahl von Lösungsvarianten für eine Konstruktionsaufgabe. Das verhilft den Konstrukteuren zu neuen Designansätzen – immer auf der Suche nach einer noch besseren Lösung.

Seit vor über 30 Jahren die ersten CAD-Programme für PCs auf den Markt kamen, hat sich die Technologie rapide weiterentwickelt: von 2D zu 3D, vom reinen Zeichentool zum Werkzeug für Digitale Prototypen mit vielen weiteren Features wie Simulation, Datenverwaltung und Cloud-Anbindung. Immer intelligentere Systeme ebnen den Weg in smarte Fabriken, die sich selbst organisieren und individuell konfigurieren lassen.

Entwerfen und Konstruieren folgen jedoch meist den alten Prinzipien: Am Anfang steht das leere Blatt beziehungsweise der leere Bildschirm. Geometrien werden aufgebaut und mit vielen sich wiederholenden Feinarbeiten und Berechnungen sowie über zahlreiche verworfene Varianten zum fertigen Modell ausgearbeitet. Der Konstrukteur ist stets auf der Suche nach dem optimalen Design, zum Beispiel zur idealen Balance von Gewicht, Stabilität und Materialverbrauch.

Durch immer ausgefeiltere Simulationssoftware bekommt man in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen einen besseren Einblick, wie sich die Entwürfe in der Wirklichkeit verhalten und ob sie den Anforderungen standhalten. Und dennoch: 99 Prozent der Dinge in der Welt sind schlecht konstruiert, stellte Jordan Brandt, Future Technologist bei Autodesk, kürzlich fest.

Warum nicht von Mutter Natur lernen, die über Millionen von Jahren Flora und Fauna so perfektioniert hat, dass jeder Baustein eines Organismus genau auf dessen Lebensraum und eine bestimmte Funktion angepasst ist? Der Schulp eines Tintenfisches oder ein kalkhaltiges Auftriebsorgan ist ein Meisterwerk hinsichtlich Stabilität und Gewicht. Das Stützskelett besteht aus dünnen, mikroskopisch kleinen Platten, die mit zahlreichen Minisäulen gegeneinander abgestützt werden. Und es dient Bionikern beim Bau von Gebäuden als Vorlage.

Bionik für Fortgeschrittene

Links: Bis auf die verkürzte Lehne ist dies ein „traditioneller“ Stuhl mit vier geraden, massiven Beinen. 10,3 Kilogramm wiegt das gute Stück. Bei dieser Konstruktion ist in puncto Gewicht noch Luft nach oben.
Mitte: Leichtbau-Strukturen innerhalb der Beine und Sitzfläche machen die Sitzgelegenheit schon deutlich sparsamer im Gewicht: Nur noch 4,1 Kilogramm bringt dieses Modell auf die Waage.
Rechts: Warum eigentlich gerade, paralelle Beine, wenn eine andere Struktur die gleiche Kraft mit viel weniger Masse stemmen kann? Das Sitz-Gitter ist mit 2,9 Kilogramm im Vergleich ein Fliegengewicht (Bild: Autodesk).

Die Bionik untersucht schon lange, welche Prinzipien und Materialeigenschaften sich von der Natur auf von Menschen entworfene Gebilde übertragen lassen. Flugzeuge, Fenster mit Lotuseffekt oder Saugnäpfe sind schon erfolgreich übernommene Beispiele. Doch momentan stößt man bei sehr komplexen Formen, beispielsweise unregelmäßigen kristallinen Formen, an Grenzen. Denn der tatsächliche Aufbau ist konstruktionstechnisch kaum nachzubilden oder nur mit sehr großem Aufwand. Oft erhält man nur eine Kopie, die nie die Perfektion des biologischen Vorbilds erreicht.

Dieser Herausforderung nimmt sich das sogenannte generative Design an. Es macht sich die Ergebnisse der synthetischen Biologie zu Nutze, die untersucht, welchen Prinzipien das Wachstum von Molekülen folgt. Systeme mit künstlicher Intelligenz arbeiten mit diesen Algorithmen der Natur, um sie auf konstruktive Anforderungen zu übertragen.

So imitieren die neuen Reifen des Mclaren P1, ein hybrider Supersportwagen, das Wurzelgeflecht eines Baumes. Ein wabenartiges, unregelmäßiges Muster erzielt höchstmögliche Stabilität bei möglichst wenig Materialverbrauch. Ein Computer berechnet die optimale Anordnung und Wandstärke der Waben, damit die Reifen trotz des unregelmäßigen Musters perfekt ausbalanciert sind. Autodesk arbeitet mit dem Projekt Dreamcatcher an einem Tool für generatives Design und bringt dabei zwei Technologien ins Spiel, die für das Unternehmen von sehr großer Bedeutung sind: Cloud und 3D-Druck.

Cloud und 3D-Druck machen‘s möglich

Künstliche Intelligenz und Bionik sind an sich nichts Neues. Schon lange forschen Biologen, Informatiker und Materialwissenschaftler in diesen Gebieten. Aber Cloud und 3D-Druck bringen eine neue Dynamik und sorgen dafür, dass das Konzept des generativen Designs auch außerhalb der Labors zur Anwendung kommt. Die Arbeit mit künstlicher Intelligenz war bisher nur Forschungseinrichtungen mit Supercomputern vorbehalten. Selbst dann dauerte die Berechnung von Konstruktionsvarianten oder die Simulation von Molekülwachstum mehrere Tage. Die Cloud mit ihrer nahezu unbegrenzten Rechenleistung gestattet es jedem Konstrukteur mit einem herkömmlichen CAD-Rechner, solche Berechnungen durchzuführen.

Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck ermöglichen es schließlich, die erzeugten komplexen Formen zu produzieren. Ein feinverzweigtes Formengeflecht mag zwar am Bildschirm die optimale Lösung für eine Verbindung zwischen einer Achse und einer Karosserie sein; doch die Form in die Realität umzusetzen, ist mit herkömmlichen Verfahren wie Spritzguss oder Fräsen entweder nicht möglich oder sehr teuer.

Generatives Design: Konstruktion ohne Konstrukteure?

Ganz klar: Software für generatives Design wie Autodesk Dreamcatcher wird den Konstrukteur keineswegs ersetzen. Es soll ihm eher die lästigen Basisarbeiten abnehmen. Die Software verhilft ihm zu einer ersten Konstruktionsgrundlage, von der ausgehend er am Modell weiterfeilen kann. Er muss also nicht bei null beginnen, geometrische Formen anlegen oder Rippenstrukturen manuell formen. So bleibt ihm mehr Zeit für wichtigere Aufgaben, zum Beispiel einer neuen Konstruktionsidee zu folgen und zu experimentieren – und letztendlich Innovationen voranzutreiben.

Ein beispielhafter Rechenlauf hat verschiedene Varianten von Sitzgelegenheiten erbracht, die mit Angaben zu den eingegebenen Parametern gezeigt werden. Die Konstrukteure definieren die Rahmenbedingungen für die Berechnung im Vorfeld, beispielsweise Funktionsanforderungen, Performancekriterien, Material und Kostenvorgaben (Bild: Autodesk).

Generatives Design verändert den Denkansatz, mit dem ein Konstrukteur seine Arbeit angeht, sowie den Konstruktionsprozess selbst. Letzterer geht nun von der Problemdefinition aus, nicht von der Formgebung. Statt sich zu fragen, mit welcher Form der Konstrukteur beginnt, muss er sich zunächst überlegen, mit welchen Parametern die künstliche Intelligenz arbeiten soll. Er muss sich also darüber im Klaren sein, welches Problem er mit seiner Konstruktion lösen will. Muss das Produkt möglichst leicht sein oder besonders stabil? Darauf aufbauend erhält er von der Software unterschiedliche Konstruktionslösungen, die im nächsten Schritt zu evaluieren sind.

Viele der generierten Varianten entsprechen vielleicht nicht den Vorstellungen des Konstrukteurs oder sind aus anderen Gründen nicht realisierbar. Faktoren wie Ästhetik oder Funktionalität sind Aspekte, für deren Beurteilung es des geschulten Auges eines Konstrukteurs bedarf. Doch der Output einer Software wie Dreamcatcher ist auch nicht unbedingt als fertiges Endprodukt gedacht, sondern als qualifizierte und validierte Arbeitsgrundlage. Die Entwickler im Autodesk Research Team haben herausgefunden, dass die Konstrukteure die generierten Varianten vielmehr als Anregungen für die weitere Konstruktion nutzen. Ein Stuhl sollte immer noch eine Sitzfläche und eine Lehne haben und halbwegs bequem sein. Aber muss er wirklich vier Beine haben, die relativ parallel zueinander sind?

So wie 3D-CAD, 3D-Druck oder die Cloud wird auch das generative Design die Konstrukteurswelt bewegen und revolutionieren. Durch die Verbindung von Prinzipien der Natur, künstlicher Intelligenz und Kreativität des Konstrukteurs wird so den Produkten mehr Leben eingehaucht. Autodesk stellt auf der Hannover Messe in Halle 7, Stand C18 aus. do

Autor: Christoph Sahner, Autodesk