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Generatives Design – frei geformte 3D-Objekte

Generatives Design – frei geformte 3D-Objekte
Form follows software

Das generative Design verändert nicht nur die Form von Designobjekten, sondern auch Entwurfs-, Planungs- und Fertigungsprozesse. Die künstliche Intelligenz (KI) kann sogar Entwürfe optimieren.

Marian Behaneck

Die gerade Linie, die ebene Fläche oder der rechte Winkel sind nicht nur Stilmittel einer modernen, puristischen Designsprache, sondern teilweise auch auf die Beschränkungen von Planungswerkzeugen, Produktions- und Montageverfahren zurückzuführen. Bauteile mit geraden Kanten, ebenen Flächen und rechtwinkligen Anschlüssen lassen sich nicht nur einfacher planen, sondern auch fertigen und montieren. Neue 3D-Modellierwerkzeuge und Fertigungsmethoden heben diese kreativen Beschränkungen auf. Sie ermöglichen auch Laien, frei geformte 3D-Objekte mit weich fließenden oder kantigen, konkaven oder konvexen, einfach oder mehrfach gekrümmten Flächen relativ einfach digital zu planen und zu realisieren.

Krumm statt gerade

Möglich macht das eine besondere Methode zur Beschreibung dreidimensionaler Formen: Komplexe 3D-Objekte werden nicht – wie mit CAD-Programmen üblich – durch eine Verschneidung geometrischer Grundkörper oder ein Netz von Dreiecken, Punkten oder polygonalen Flächen konstruiert, sondern durch mathematische Funktionen beschrieben. Dazu muss der Anwender aber keine einzige Programmzeile schreiben. Er modifiziert die Objektform einfach durch die grafische Manipulation miteinander vernetzter Parameter. Diese „generative“ Entwurfsmethode eröffnet Architekten, Innenarchitekten, Möbel-, Messe- oder Produktdesignern bisher unbekannte Möglichkeiten bei der Formfindung und Gestaltung – ganz ohne Programmierkenntnisse.

Auf mathematischen Algorithmen basierende Gestaltungsprogramme spielen in vielen Kreativbereichen eine zunehmend wichtige Rolle, die mit ihren nahezu unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten insbesondere eine junge Designergeneration inspiriert und Designtrends setzt.

Komplex geformt, einfach erzeugt

Die dahinter stehenden mathematischen Modelle sind zwar komplex, aber die Programmbedienung ist relativ einfach: Gestalt und Form werden durch die Eingabe und Modifikation alphanumerischer Parameter oder durch die Manipulation grafischer, miteinander vernetzter Objekte definiert, was als „Visual Scripting“ bezeichnet wird. Dadurch können auch ungeübte Anwender bislang als unplanbar geltende Formen planen und auch sehr anspruchsvolle Gestaltungsideen realisieren.

Da beim Visual Scripting nicht einzelne Geometrien, sondern Generierungsprozesse beschrieben werden, führen Änderungen bei einer Systemkomponente automatisch zu Änderungen bei allen mit ihr verknüpften Komponenten. Das vereinfacht die Bearbeitung auch sehr komplexer Strukturen, die mit nur wenigen Mausklicks relativ einfach und so lange modifiziert werden können, bis man die gewünschte Form erhält. Die dabei entstehenden Objekte lassen sich über 3D-Desktopdrucker als Modell, über 3D-Großformatdrucker als Prototyp im Maßstab 1:1 ausgeben oder über CNC-Bearbeitungszentren oder andere Fertigungsverfahren auch in größeren Stückzahlen produzieren.

Was bietet der Markt?

Wer mehr Freiheiten beim Gestalten ungewöhnlicher Geometrien jenseits der herkömmlichen Formensprache erwartet, muss aktuell auf spezielle generative 3D-Modelliersoftware zurückgreifen. Dazu gehören beispielsweise Catia GSD, Generative Components oder Rhino. Insbesondere Rhino ist in der Designerszene weit verbreitet und bietet eine umfangreiche Palette an Funktionen für das generative Design, die Konstruktion und Darstellung. Mit der kostenlosen Rhino-Erweiterung Grasshopper lassen sich auch sehr anspruchsvolle Strukturen mithilfe von Variablen visuell programmieren. Darüber hinaus ist über entsprechende Plug-ins oder Skripts unter anderem auch eine statische Optimierung der entworfenen Strukturen und Objekte möglich.

Um die Objekte weiterbearbeiten und auswerten zu können, müssen sie über die Formate DXF, IGES, STEP, VRML oder IFC in Branchen- oder CNC-/CAM-Programme importiert werden, was allerdings Informationsverluste und eine Daten-Nachbearbeitung zur Folge hat. Auch einige CAD-Programme für die Architektur-/Innenarchitektur- oder Fassadenplanung verfügen über Basisfunktionen oder Module für die generative Gestaltung, beispielsweise Allplan, Apollon, Archicad, Revit, Solidworks oder Vectorworks. Einen integrierten Design-, Modellierungs- und Fertigungsprozess von Produkten verspricht Autodesk mit der cloudbasierten Softwareplattform Fusion 360.

KI und FEM erweitern die Möglichkeiten

Der Entwurfprozess ist sowohl ein kreativer Vorgang, bei dem zahlreiche Randbedingungen, formale und ästhetische Anforderungen ebenso berücksichtigt werden müssen, wie die Vorgaben und Beschränkungen des Materials, des Budgets und so weiter. Die Entwurfsarbeit umfasst aber auch eine „mechanische“, sich wiederholende Komponente, bei der ständig Entwurfsvarianten entwickelt, bewertet, verworfen oder weiterentwickelt werden. Der Computer und auf Grundsätzen der künstlichen Intelligenz (KI) basierende Algorithmen sind in der Lage, sowohl kreative als auch mechanische Entwurfsabläufe zu unterstützen.

Wird das generative Design mit Algorithmen der KI respektive des maschinellen oder mehrschichtigen Lernens (Deep Learning) verknüpft, lassen sich auch sehr komplexe Entwurfsvorgaben berücksichtigen und die Anzahl der Entwurfsvarianten steigern. Damit können sowohl Designprozesse beschleunigt als auch die Qualität der Ergebnisse optimiert werden. Auch die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten, Gestaltungs- und Entscheidungsprozesse lassen sich beschleunigen, weil Änderungswünsche sehr schnell, quasi „live“ realisiert werden können.

Mithilfe der Finite-Element-Methode (FEM) können die Entwürfe zusätzlich statisch überprüft werden. FEM ist ein numerisches Berechnungsverfahren, mit dem örtliche Beanspruchungen, Spannungen und Verformungen als Folge einer äußeren Belastung während des Planungsprozesses simuliert werden können. Damit lassen sich Designobjekte wie Stühle oder Tische in Bezug auf die Statik, das Gewicht, die Materialausnutzung oder die Wirtschaftlichkeit analysieren und optimieren.

Generatives Design fertigen

Das generative Design verändert auch die Fertigung. Neben aufwendigen Produktionsverfahren sind große Materialverluste und aufwendige Montageverfahren bisher ein wesentlicher kostentreibender Faktor kompliziert geformter Objekte. Mithilfe additiver Fertigungstechniken (3D-Druck) können auch sehr schwierige, filigrane Formen praktisch ohne Materialverlust und auch in geringen Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden.

Im Unterschied zu konventionellen Herstellungsverfahren werden Objekte dabei nicht durch Umformen, Trennen oder Zerspanen eines Werkstücks, sondern additiv aus einem flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangsmaterial aus Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Metall oder anderen Materialien mithilfe chemischer und/oder physikalischer Prozesse Schicht für Schicht aufgebaut (BM 9/17: Schreiner machen Druck).

So können mit konventionellen Methoden nicht oder nur sehr aufwendig herzustellende Objekte realisiert werden. 3D-Druckobjekte sind mehrfach reproduzierbar und in Kleinserien bis zu einer bestimmten Stückzahl wirtschaftlicher als konventionell hergestellte Produkte. Das gilt insbesondere für außergewöhnliche Formen, denn die Wirtschaftlichkeit additiver Fertigung steigt mit der Komplexität der Objektform. Die Überführung der Geometriedaten in Fertigungsdaten setzt allerdings viel Know-how voraus. Deshalb haben sich inzwischen einige Unternehmen auch aus dem Holzhandwerk auf die generative Planung und digitale Produktion spezialisiert.


Gut zu wissen

Was ist generatives Design?

Unter dem Begriff „generatives Design“, auch generative Gestaltung oder parametrisches Design genannt, versteht man einen Gestaltungsprozess, bei dem das Ergebnis durch einen Algorithmus in Form eines Computerprogramms generiert wird. Dabei werden nach einem bestimmten Schema ablaufende Rechenvorgänge mit regelbasierten Prozessen überlagert, was Eingriffmöglichkeiten zur experimentellen Veränderung der Objektparameter ermöglicht. Das erzeugt innerhalb geordneter Strukturen ein vom Anwender gewünschtes „kreatives Chaos“, das die Gesamtform interessanter macht. Dadurch lassen sich in einem quasi experimentellen Prozess auch sehr außergewöhnliche Formen entwickeln – beispielsweise organische oder bionische, von der Natur inspirierte Strukturen.


Generatives Design in der Praxis

„Ohne Know-how und Engagement geht es nicht!“

Benjamin Löw, Dipl.-Ing. (FH) und Schreinermeister bei der Löw Breidenbach Möbelbau GbR aus dem badischen Elchesheim-Illingen, hat bereits mehrere anspruchsvolle Designprojekte mit generativen respektive parametrischen Designwerkzeugen realisiert, darunter eine Empfangstheke und einen Küchenblock. Dabei schätzt er die kreativen Konstruktions- und Gestaltungsmöglichkeiten, die 3D-fähiges Schreiner-CAD normalerweise nicht bietet: „Bisher konnten wir leider kein Schreiner-CAD finden, mit dem wir die gesamte Bandbreite unserer Anforderungen abdecken konnten. Daher setzen wir für die verschiedenen Aufgaben unterschiedliche Werkzeuge ein: ein 3D-Modellierwerkzeug (Rhino) für die Gestaltung von Freiformen und die Aufbereitung der Daten aus dem 3D-Laseraufmaß (Leica 3D-Disto), ein Scripting-Werkzeug (Grasshopper) für das parametrische Design, einen Korpusmöbel-Konfigurator (Smartwop) für die Planung und ein Schreiner-CAD (Palettecad) zum Visualisieren der Projekte.“

Dass bei so vielen beteiligten Werkzeugen die Datenübergabe manchmal etwas holprig ist, ist für Löw dabei eine lästige Begleiterscheinung, die er aber als sportliche Herausforderung sieht: „Während an den Korpusmöbel-Konfigurator eine perfekte Übergabe ohne weitere Bearbeitung möglich ist, inklusive Stücklisten und fertigen CAD-Daten, hakt es vor allem bei der Übergabe der 3D-Daten im STEP-Datenformat an die CNC-Maschinensteuerung (Woodwop oder Mastercam). Das setzt viel programmtechnisches Know-how voraus und für knifflige Datenaufbereitungen können wir auch auf ein Netzwerk von Spezialisten wie Bächer und Bergmann aus Köln zurückgreifen.“ Als weitere Herausforderung sieht Löw die Notwendigkeit der manuellen Bearbeitung und Programmierung jedes zu fertigenden Bauteils und die Tatsache, dass auch alle Stücklisten manuell erstellt werden müssen. Auch bei der Aufbereitung und Überführung der Scandaten in ein CAD-konformes Vektorformat sieht er noch Optimierungsbedarf: „Die Überführung der Scandaten in CAD-Objekte und Flächen ist arbeitsaufwendig. Hier könnten die KI und die maschinelle Objekterkennung eine Entlastung bieten.“

www.lb-moebelbau.de


Software und Anbieter*

Catia GSD, www.3ds.com

Fusion 360, www.autodesk.de

GenerativeComponents. www.bentley.com/gc

Grasshopper, www.grasshopper3d.com

Revit, www.autodesk.de/products/revit/features

Rhino/Rhino Script, www.de.rhino3d.com

* Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit


Der Autor

Dipl.-Ing. Marian Behaneck ist freier Journalist mit den Schwerpunkten Software, Hardware und IT im Baubereich.


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