Produktentwicklung Was ist eigentlich Generative Engineering?

Hinter Elise steckt eine Plattform, die die Produktentwicklung revolutionieren soll: Das Generative Engineering nutzt intelligente Algorithmen für die Entwicklung und Konstruktion technischer Produkte. Wie das Prinzip der automatisierten Bauteilfindung funktioniert.

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Verschiedene Softwarelösungen und Schritte im Produktentstehungsprozess verlustfrei vernetzen und die Produktentwicklung automatisieren – das ist das Ziel der Software Elise.
Verschiedene Softwarelösungen und Schritte im Produktentstehungsprozess verlustfrei vernetzen und die Produktentwicklung automatisieren – das ist das Ziel der Software Elise.
(Bild: ©Pixels Hunter - stock.adobe.com.jpeg)

Wie sieht sie aus – die Zukunft der Produktentwicklung? Wenn es nach dem jungen Unternehmen Elise geht, werden Ingenieure dank durchgehend automatisierter Abläufe in kürzerer Zeit bessere Produkte entwickeln. Der Schlüssel ist Automatisierung mit Generative Engineering. Dazu hat Elise die gleichnamige grafische Low-Code-Plattform entwickelt, die intelligente Algorithmen nutzt und wiederkehrende Prozesse automatisiert.

Wie sieht der Produktentwicklungsprozess heute aus?

Doch zunächst zu den Problemen, mit denen Konstrukteure und Entwickler im heutigen Produktentstehungsprozess häufig konfrontiert sind.

  • Entwicklungsingenieure verbringen einen Großteil ihrer Arbeitszeit mit wiederkehrenden, alltäglichen Aufgaben und der Koordination von Schnittstellen.
  • Es gibt zwar sehr leistungsfähige Tools in der digitalen Produktentwicklung – von CAD-Systemen mit generativem Design über FEM-Simulation mit hochspezialisierten Solvern über Visualisierungs- und DMU-Lösungen bis hin zu PDM/PML-Systemen. Doch unterstützen diese Tools den Entwickler lediglich in Teilbereichen.
  • Jede Abteilung nutzt ihre eigene, auf sie optimierte Software-Umgebung, die häufig nicht mit den anderen Lösungen kommunizieren kann, da ihnen eine einheitliche Sprache fehlt.
  • Die unterschiedlichen Aufgaben während des Prozesses werden immer noch linear abgearbeitet. Häufig müssen Daten an den Schnittstellen manuell übertragen werden.
  • Je weiter das Design fortgeschritten ist, desto schwerer lassen sich in diesem Prozess grundsätzliche Änderungen wie ein anderes Herstellungsverfahren einbringen.

In diesem sequentiellen Prozess ist der Weg zum optimalen Produkt also – trotz aller Unterstützung durch Algorithmen – noch von vielen manuellen Schritten geprägt, sodass dem Ingenieur die Zeit und die Möglichkeit fehlt, eine Vielzahl an Versionen mit unterschiedlichen Parametern zu prüfen. Ihm sind die Hände gebunden.

Ein Beispiel: Der Ingenieur plant ein Aluminiumteil. Er optimiert die Materialstärke für eine bestimmte Produktionsmethode. Da erreicht ihn die Anfrage, ob das Teil auch in Titan produzierbar wäre. Nun startet er von vorne: Er hinterlegt in der Software neue Werte, die er sich aus unterschiedlichen Quellen im Unternehmen besorgt. Die bereits erledigten Arbeitsschritte waren umsonst, denn sie passen nicht mehr zur aktualisierten Anforderung an das Bauteil.

Wie funktioniert Generative Engineering?

Die Lösung liegt wie so häufig in der Automatisierung der Prozesse, die einen nahtlosen Übergang von einem Entwicklungstool zum nächsten möglich macht. Mit der Plattform Elise ist das möglich: Basis ist das sogenannte Generative Engineering. Dabei kommen algorithmisches Modellieren und die Automatisierung wiederkehrender Prozesse zum Einsatz, sodass der komplette Ablauf der Produktentstehung generativ gestaltet wird. Automatisierte Abläufe ersetzen also manuelle Iterationen.

Der Workflow der automatischen Bauteilentwicklung.
Der Workflow der automatischen Bauteilentwicklung.
(Bild: Elise)

Doch hier ist ein Umdenken aller am Entwicklungsprozess Beteiligten gefordert: Denn beim algorithmischen Modellieren konzentriert sich der Konstrukteur nicht auf das Bauteil selbst; vielmehr definiert er zu Beginn der Produktentstehung ein Regelwerk für das Bauteil, die sogenannte technische DNA.

Auf einen Blick

Was ist der Unterschied zwischen Generative Design und Generative Engineering?

  • Generative Design: Beim Generativen Design arbeiten Computer und Konstrukteur Hand in Hand und entwickeln Designideen, die das menschliche Vorstellungsvermögen übersteigen. Dabei formulieren Konstrukteure zunächst das gestalterische Ziel in der Software. Diese rechnet dann basierend auf Algorithmen des maschinellen Lernens alle mögliche Lösungen durch und generiert Entwurfsalternativen.
  • Generative Engineering: Beim generativen Engineering werden alle Einflussgrößen, die entlang der kompletten Produktentwicklungskette berücksichtigt werden müssen, miteinander gekoppelt – über die Geometrie hinaus. Das Prinzip basiert auf generativ arbeitenden Algorithmen. Das generative Design ist also nur ein Teilaspekt des generativen Engineerings.

Wir bei Elise verstehen unter Generative Design Software-Tools, die in einem gegebenen Bauraum die Struktur finden, die mathematisch optimal ist.

Dr. Moritz Maier, Mitgründer und einer der Geschäftsführer von Elise

Was ist die DNA technischer Bauteile?

Um die Bedeutung dieses Regelwerks hervorzuheben, nutzt Elise die Metapher der DNA, angelehnt an die Evolution in der Natur. Zur Verdeutlichung führt Dr. Moritz Maier, Gründer von Elise, das Wachstum von Bäumen oder auch die Entwicklung des Menschen an: Alle notwendigen Regeln und Anforderungen, wie Baum und Mensch zu wachsen haben, sind in der DNA definiert als Abfolge der Einzelbausteine – Aminosäuren sind quasi die Programmiersprache der Natur.

Dieses Prinzip überträgt Elise auf die Entwicklung technischer Produkte. „Natürlich brauchen wir eine andere Programmiersprache, mit der die Algorithmen modelliert werden können. Aber wir können ein Regelwerk festlegen, das den Aufbau des technischen Produkts definiert“, erklärt Moritz Maier.

Die technische DNA ist als Bauanleitung für technische Produkte zu verstehen.

Dr. Moritz Maier, Mitgründer und einer der Geschäftsführer von Elise

Bei der Berechnung benutzt die Software die vorgegebene Abfolge zwischen Komponenten wie technische Spezifikationen, Topologieoptimierung, FEM-Simulation, Controlling oder Fertigung. Nach der Berechnung hat der Designer schließlich die Wahl: Er entscheidet sich für die Ergebnisse, die ihm am besten in Bezug auf Kosten, Gewicht oder Herstellbarkeit gefallen.

Drei Fragen an Dr. Moritz Maier, Mitgründer und einer der Geschäftsführer von Elise

Herr Dr. Maier, wie ist es zur Entwicklung der Low-Code-Plattform Elise gekommen?
Studiert habe ich eigentlich Luft- und Raumfahrt. Im Rahmen meiner Doktorarbeit an der Uni Bremen befasste ich mich mit der Fragestellung, wie Evolution in der Natur funktioniert. Unsere Vorbilder waren die Exoskelette von Kieselalgen, welche eine leichte und dennoch sehr bruchstabile Struktur haben. Die Frage war nun, ob sich dieses Grundprinzip der veränderlichen Struktur auch auf die Entwicklung technischer Bauteile übertragen lässt? Können wir technische Bauteile so optimieren, wie es die Natur in der Evolution macht? Dabei stießen wir auf ein Problem: Wie können wir Bauteile so parametrisiert aufbauen, dass wir sie koppeln, beispielsweise mit FE-Simulationen, und in einer Schleife aufbauen können? Also haben wir begonnen, unsere eigenen Skripte zu schreiben und das Ergebnis als Dienstleistung anzubieten. Als unsere Kunden dann auch nach der Software verlangten, war die Idee für unser Start-up geboren.

Werden Konstrukteure und Entwickler perspektivisch durch Computer ersetzt?
Nein, ersetzt werden sie nicht. Doch ihre Rolle wird sich verändern. Aktuell arbeiten die meisten in CAD- oder Simulationstools, sie sind also operativ am Bauteil dran. Mit Elise macht sich der Konstrukteur einmal die Arbeit, seine Konstruktionsaufgabe zu beschreiben, dann übernimmt der Computer. Der Konstrukteur wird dann eine Kurator-, Supervise- oder auch QS-Rolle einnehmen, aber letztlich immer der Verantwortliche bleiben.

Wie sieht Ihre Vision aus – wie wird der Produktentstehungsprozess in Zukunft aussehen?
Wir haben eine extrem charmante Grundlage geschaffen für Datendurchgängigkeit im Engineering, was eine durchgängige Datensammlung möglich macht. Wenn Unternehmen also in Zukunft ihre kompletten Entwicklungsprozesse und Bauteile in Form dieser einheitlichen Sprache in ihren Fundus, zum Beispiel ihr PLM-System, legen, dann ist das ein Riesen-Schatz von Prozesswissen. Im Grunde speichert es das komplette Know-how der Entwickler, abgelegt in einer einheitlichen und maschinenlesbaren Sprache. So kann an jeder Stelle im Prozess ein ML-Algorithmus angedockt werden, sodass KI lernen kann, wie Engineering funktioniert. Unsere Vision ist es, dass in fünf bis zehn Jahren die KI soweit ist, diese Prozesse, die Ingenieure heute von Hand aufbauen, zu übernehmen. Der Ingenieur kann dann irgendwann seinen Buddy fragen: Hey, wie müssen wir die Rippenplatte aufbauen, dass sie möglichst leicht ist? Und sein Assistent macht einen Vorschlag.

Vielen Dank, Herr Dr. Maier!

Beispiel: So wird die DNA von Bauteilen definiert

Am Beispiel einer Platte, die dank des Einsatzes von Rippen leicht und gleichzeitig maximal steif sein soll, zeigt Moritz Maier, wie die technische DNA erstellt wird:

  • Parametrisches Beschreiben der Geometrie: Zunächst muss die Geometrie definiert werden, also was ist eigentlich eine Rippe? Eine Rippe ist eine Linie, die orthogonal zur Grundlinie steht und eine Höhe a hat. Variable b definiert die Dicke der Rippe, Variable c die Anzahl.
    Damit ist der generative Teil der DNA erstellt – regelbasiert ist definiert, wie eine Rippe aussieht.
  • Im nächsten Schritt muss die Software lernen, wie die Rippe bewertet wird, beispielsweise anhand einer FEM-Simulation, die mit dem Regelwerk gekoppelt wird.
  • Im dritten Schritt wird die Schleife aufgebaut: Die DNA kann nun beliebig oft mit unterschiedlichen Konfigurationen durchgespielt werden. Dazu kann beispielsweise eine DoE oder eine Optimierungsschleife gefahren werden.
  • Der Computer sucht schließlich die beste Konfiguration. Die von der Software gelieferten Ergebnisse entsprechen exakt den Spezifikationen wie Materialstärke oder Bauraum. Das Ergebnis könnte lauten: Du solltest fünf Rippen mit dieser Dicke nehmen, um das beste Verhältnis zwischen Gewicht und Verformung zu erreichen.

Um auf das oben dargestellte Beispiel der Materialanpassung zurückzukommen: Will der Entwickler dann etwa die Möglichkeiten des Designs mit einem anderen Material prüfen, muss er nur noch die neuen Spezifikationen dieses Materials eingeben. Der übrige Prozess bleibt komplett bestehen, er wird lediglich nach den Vorgaben der technischen DNA neu durchgerechnet.

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Einheitliche Sprache für alle Entwicklungstools ermöglicht Automatisierung

Um alle betroffenen Bereiche nahtlos miteinander zu verbinden, ist der Austausch von Daten entlang der gesamten Prozesskette nötig. Nur so gibt es weder

  • störende Schnittstellen,
  • Verzögerungen oder
  • Datenverluste.

Die Software nutzt dazu im gesamten Prozess eine universelle Sprache, wo bislang jede Abteilung ihre eigene Kommunikationsweise hatte. „Die Sprache ist der Schlüssel zum Erfolg, damit alle Softwaretools miteinander kommunizieren können. Sowohl Geometrie- als auch Berechnungs- und Kostendaten müssen vereinheitlicht werden,“ erklärt Moritz Maier. Nur so können alle Bereiche des Entwicklungsprozesses ihre Daten automatisch austauschen.

Die Low-Code-Plattform arbeitet mit Funktionsblöcken.
Die Low-Code-Plattform arbeitet mit Funktionsblöcken.
(Bild: ©ludariimago - stock.adobe.com.jpeg)

Damit das funktioniert, basiert Elise auf einer grafischen Programmiersprache, für die keine Programmierkenntnisse nötig sind. „Um eine Abfolge aufzubauen, verbindet der Entwickler einfach die Funktionsblöcke der Software-Module miteinander. Dafür ersetzen wir nur das User Interface der einzelnen Tools, der Solver-Code der Software bleibt erhalten, “ erklärt Moritz Maier. Auch eigene Software lasse sich einfach vom Anwender in diesen Prozess integrieren.

Hinter Elise steckt eine Low-Code-Plattform mit grafischer Bedienoberfläche.
Hinter Elise steckt eine Low-Code-Plattform mit grafischer Bedienoberfläche.
(Bild: Elise)

Seminartipp

In dem Seminar Design-to-Cost-Methoden vermittelt der Referent wirkungsvolle Anwendung und Kombination der wesentlichsten DTC-Methoden – basierend auf seiner jahrelangen Erfahrung als Kostenmanager und Unternehmensberater.

Wann sich der Einsatz von Generative Engineering lohnt

Anders als in konventionellen Serienentwicklungsprozessen mit skizzenbasierter Konstruktion und manuellen FE-Iterationen ermöglicht das Generative Engineering eine automatisierte Generierung von optimalen Konstruktionen mit Echtzeitanpassung an sich ändernde Randbedingungen in einer Softwareumgebung. Am meisten lohnt der Einsatz der Software in der sehr frühen Konzeptphase, auf der grünen Wiese. „Der größte Mehrwert entsteht, wenn noch alle Freiheiten vorhanden sind. Je weiter man im Produktentstehungsprozess ist, wenn zum Beispiel bereits CAD-Konstruktionen mit festen Radien vorhanden sind, umso größer wird der Aufwand für die Erstellung der DNA,“ so Moritz Maier.

Elise erzeugt besonders dann Mehrwert, wenn ein technisches Bauteil optimiert werden soll – etwa hinsichtlich Gewicht oder auch Kosten, wenn das bestmögliche Design gesucht wird oder in der frühen Phase, in der alle Möglichkeiten noch offen sind.

Dr. Moritz Maier, Mitgründer und einer der Geschäftsführer von Elise

VDI-Richtlinie: Bionische Strukturoptimierung im Rahmen eines ganzheitlichen Produktentstehungsprozesses

Die Richtlinie VDI 6224 Blatt 3 legt die Vorgehensweise bei der Produktentwicklung und Optimierung von Leichtbaustrukturen auf Basis natürlicher Vorbildorganismen im Rahmen eines definierten Produktentstehungsprozesses im Strukturleichtbau fest. Dieser Prozess wird mit seinen Einzelschritten beschrieben. Er nutzt das Potenzial und die Vielfalt natürlicher Leichtbaustrukturen und verbindet sie mit den Prinzipien von Evolution und Wachstum.
Die Richtlinie führt den Elise-Prozess als Beispiel eines solchen Produktentstehungsprozesses an. Das Prozessprinzip ist grundsätzlich auf andere technische Problemstellungen übertragbar.
Der Anwender der Richtlinie kann die bionischen Optimierungsmethoden als effektives Werkzeug zur Erhöhung von Lebensdauer und zur Verringerung des Gewichts von Bauteilen nutzen.

Weitere Infos zur VDI 6224, Blatt 3.

Quelle:

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