Bis zur Unendlichkeit und noch viel weiter!
Die National Aeronautics and Space Administration (NASA), die Regierungsorganisation, die seit mehr als sechs Jahrzehnten die unmögliche Welt des Weltraums möglich macht, erforscht nun eine eher irdische Grenze. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) zur Erstellung neuartiger CAD-Designs ist sie zu einem Experimentierfeld für generatives Design geworden.
Herausforderung
Die Artemis-Mission der NASA zielt darauf ab, Menschen wieder auf den Mond zu bringen und die Möglichkeiten für dauerhafte Siedlungen auf dem Mond und eines Tages auch auf dem Mars zu erforschen. Um all dies zu ermöglichen, müssen die NASA-Ingenieure jedes einzelne Teil eines Raumfahrzeugs sorgfältig prüfen, um Platz und Gewicht zu minimieren und den extremen Temperaturen auf dem Mond und darüber hinaus standzuhalten.
Lösung
In einem kürzlich auf einer Konferenz durchgeführten Experiment wurden Ingenieure aufgefordert, eine Liste von Geometrien und Eigenschaften zu entwickeln, die ein bestimmtes Teil haben muss, um den Flug zu überleben und den extremen Bedingungen auf der Mondoberfläche standzuhalten. Diese Liste wurde in ein generatives Design-Framework eingegeben, das es der künstlichen Intelligenz ermöglichte, ein Teil zu entwickeln, das diese Kriterien erfüllt.
Ergebnis
Einer der Vorteile des generativen Designs ist die Fähigkeit, Dinge jenseits des menschlichen Verstandes zu sehen - mit einer distanzierten Sensibilität - und die beste Lösung für eine Reihe von Parametern zu finden. Es verändert den gesamten Arbeitsablauf, da rationale Designentscheidungen unglaublich schnell getroffen werden können. Erstaunlich war die Geschwindigkeit, mit der von der Festlegung der Randbedingungen und dem Hochladen in das digitale Gewinde von Protolabs bis zum CNC-bearbeiteten Teil weniger als 36 Stunden vergingen.
“Wir wussten, dass jeder Hersteller, den wir (mit der Herstellung des Teils) beauftragten, das von uns bestellte Teil pünktlich liefern musste, damit die Veranstaltung ein Erfolg werden konnte. Es gab keinen Spielraum für Fehler oder Verzögerungen."”
Matthew Vaerewyck, Maschinenbauingenieur am NASA Goddard Space Flight Center.
Vom Fertigteil zur Partnerschaft
Der PowerSource Global Summit ist eine Technologiekonferenz, die Behörden, Privatunternehmen, Universitäten und andere Akteure zusammenbringt, um Informationen, Ideen und bewährte Verfahren auszutauschen.
Die Teilnehmer kamen zusammen, um die Anforderungen an das generativ entworfene Teil zu ermitteln, das als Apparat dient, das als Vorrichtung dient, die das Äquivalent eines umgedrehten 250-ml-Ehrenmeyerkolbens hält, um Proben von flüchtigen Gasen zu sammeln, die bei der Erwärmung des Mondes freigesetzt werden.
Generatives Design bei der NASA
Die NASA setzt auf generatives Design, um ihren Produktentwicklungsprozess erheblich zu beschleunigen.
Technisches Datenblatt herunterladenBeständigkeit im Weltraum und in anderen Umgebungen
Objekte auf dem Mond im Einsatzgebiet von Artemis müssen Temperaturen von -193 C bis -48 C standhalten. Laut Vaerewyck mussten sich die Ingenieure der Konferenz fragen: " Was muss dieses Teil leisten und welche Umgebung muss es überstehen?“ Daraufhin entwickelten sie Parameter für das Design, wobei sie darauf achteten, das Gewicht zu optimieren und die Steifigkeit zu maximieren.
Warum so viel Gewicht? Laut NASA-Statistiken kostet jedes in den Weltraum geschossene Kilogramm (2,2 Pfund) 1 Million Dollar, so dass jede Gewichtsreduzierung dem Steuerzahler Geld spart.
WWenn von Leichtbau die Rede ist, ist kostengünstiges Aluminium dank seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht das erste Material, das einem in den Sinn kommt. In diesem Fall wurde das CNC-gefräste Teil aus einer Gussform aus Aluminium 6061 hergestellt, die einem Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Spannungsreduzierung unterzogen wurde. Es ist ein beliebter Werkstoff für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, den Schiffsbau und die Fertigungsindustrie im Allgemeinen.
Weitere wichtige Konstruktionsparameter waren, dass das Teil ein Gewicht von 68 Pfund tragen können und stapelbar sein musste. Letzteres bedeutet, dass mehrere Exemplare des Teils weniger Platz im Raumfahrzeug einnehmen.
Das Teil benötigte Fundamente, damit es auf der unebenen Oberfläche des Mondes aufrecht stehen kann.
Schließlich wollten die Ingenieure ein Teil, das sich schnell bearbeiten lässt. Technologien wie der 3D-Druck würden zwar mehr Gestaltungsfreiheit bieten, aber der 3D-Druck von Metall wäre innerhalb des Zeitfensters von 36 Stunden für die Lieferung des Teils nicht möglich.
Vom Modell zum physischen Teil: Es wird ernst
Mit all diesen Daten rechnete der Computer die Zahlen durch. Nachdem er alle Einschränkungen berücksichtigt hatte, die die Ingenieure dem Design auferlegt hatten, erstellte er eine CAD-Datei mit dem besten Szenario. "Das Erstaunliche daran war, dass wir nicht wussten, was am Ende herauskommen würde", sagt Vaerewyck. Das Ergebnis war eine sechs- bis zehnfache Verbesserung bei Gewicht, Steifigkeit und Konstruktionszeit.
Die CNC-gefertigten Teile wurden schnell bearbeitet: 19 Stunden Fräsen und 4 Stunden Nachbearbeitung. " Man darf den menschlichen Einfluss nicht unterschätzen, der dafür gesorgt hat, dass es keine Alarme oder Fehler im Fräsprozess gab", sagt Greg Perz, Protolabs Manufacturing Engineer, der für die CNC-Bearbeitung verantwortlich ist.
Das generativ entworfene Teil hat Unterbrechungen im kreisförmigen Design, was Stunden an Fräszeit einspart, da es ein einfacheres 2-Achsen-Fräsen ermöglicht.
"Unser Abgabetermin war 17 Uhr und die ersten Teile gingen um 16:31 Uhr raus. Das ging schnell und schmerzlos", so Perz. Von der ersten generativen Designidee bis zum fertigen Teil vergingen nur 36 Stunden.