We blijven het verkondigen, de Exponential Shift is manifest. Het interview met Verhaert is daarom ook zo hot vandaag. De meeste designtaken zijn een bundel complexe optimalisatieproblemen. Ontwerpteams benaderen ze op een herhalende manier, waarbij ze de initiële beste schatting verfijnen via rondes van technische analyse, interpretatie en raffinement. Maar elke iteratie kost tijd en geld: teams bereiken dan ook soms maar een handvol herhalingen binnen de ontwikkelingstijd. Omdat teams zelden de kans krijgen om alternatieve oplossingen te onderzoeken die aanzienlijk afwijken van hun basishypothesen, is het finale ontwerp meestal niet hét meest optimale.

Old school design is dead, lang leve Generative Design

De actuele technologie biedt een alternatief. Digitale simulatie en analyse zijn nu quasi in real time waardoor ontwerpen in seconden - of zelfs minder - kunnen worden geëvalueerd. Algoritmes kunnen de geometrie van een onderdeel tussen simulaties door automatisch aanpassen, zonder dat een handmatige verfijning nodig is. Met behulp van AI-technieken kunnen deze nieuwe generatieve ontwerpsystemen een veel groter universum van mogelijke oplossingen verkennen. Hierbij worden de resultaten van duizenden simulaties vergeleken om tot een ontwerp te komen dat de meest gunstige combinatie van attributen oplevert.

Voor sommige soorten engineeringsproblemen presteren generatieve algoritmen nu al beter dan menselijke engineeringteams. Bovendien kunnen zij niet-intuïtieve oplossingen produceren die met traditionele processen misschien nooit zouden zijn gevonden.

De meest voorkomende toepassing van generatieve ontwerpalgoritmen is tegenwoordig structurele optimalisatie: het maken van onderdelen die voldoende sterkte, stijfheid en vermoeiingsweerstand bieden met een minimum aan materiaal. Dergelijke toepassingen zijn gebruikelijk overal waar gewicht een primaire overweging is, zoals bij het ontwerp van interne structurele onderdelen voor handgereedschap (om de ergonomie te verbeteren), sportuitrusting (om de prestaties te verbeteren), voertuigen en vliegtuigen (om het brandstofverbruik te reduceren of het laadvermogen te verhogen). Ook bij elk product waar het verzendgewicht een belangrijke kostenfactor vormt, wordt voor deze aanpak gekozen. Gezien (schaars) materiaal vandaag als dé primaire kostenfactor fungeert, kan een grotere structurele efficiëntie leiden tot aanzienlijke besparingen, zowel qua onkosten als qua duurzaamheid.

In bepaalde industrieën hebben generatieve algoritmen de kosten van onderdelen met 6 tot 20 procent, het gewicht met 10 tot 50 procent en de ontwikkelingstijd met 30 tot 50 procent verminderd (zie voorbeeld). Een producent van elektrisch gereedschap heeft bijvoorbeeld het gewicht van een gegoten steunbeugel met 26 procent en de kosten met 8 procent kunnen verlagen, zonder de interface tussen het onderdeel en de grotere assemblage te beïnvloeden. Voor een groot, gesmeed onderdeel leverde generatieve optimalisatie een gewichtsvermindering op van ongeveer 40 procent, waardoor het eindproduct ruim 1 kilo lichter werd.

Hoe generatief ontwerp flexibele productietechnieken integreert

Generatief ontwerpen en additive manufacturing (AM)-technologieën worden te vaak gezien als natuurlijke partners, aangezien AM-machines goed overweg kunnen met de complexe, organische vormen die vaak uit dergelijke algoritmes voortkomen. Toch is AM nauwelijks een vereiste bij het implementeren van generatief ontwerp: de nieuwste generatieve systemen kunnen worden geconfigureerd om rekening te houden met beperkingen in productieprocessen. Die flexibiliteit breidt de reeks onderdelen uit waarop generatief ontwerpen zich kan richten. Bovendien kunnen ontwerpteams zo alternatieve productietechnieken eenvoudiger evalueren.

Voorts beperken generatieve algoritmes zich niet tot structurele ontwerptaken. Deze aanpak wordt al toegepast in andere engineeringdomeinen, zoals elektrisch en thermisch ontwerp, optimalisatie van vloeistofstromen of optica en akoestiek. Architecten en stedenbouwkundigen passen zelfs generatieve technieken toe om de lay-out van gebouwen en stadsruimtes te optimaliseren.

De rol van generatief ontwerpen in end-to-end productontwikkeling

Net als andere, nieuwe digitale methodologieën hebben generatieve ontwerptechnieken al laten zien dat zij de prestaties in reële toepassingen aanzienlijk kunnen verbeteren. Hun volledig potentieel zal echter pas worden bereikt wanneer bedrijven deze concepten op grote schaal toepassen en ze een integraal onderdeel van productontwikkelingsprocessen vormen.

De aanschaf van de juiste softwaretools betekent slechts een deel van de oplossing (Altair, Ansys, Autodesk, Bentley Systems, Dassault Systems, Desktop Metal, Esi Group, Msc Software, Ntopology Paramatters, enzovoort). Ingenieurs en andere betrokkenen moeten eveneens weten hoe zij de nieuwe instrumenten doeltreffend kunnen gebruiken, waarbij ze een volledig inzicht van hun mogelijkheden en beperkingen krijgen. Een goede ontwerpdiscipline blijft dus cruciaal: hoewel generatieve ontwerpmethoden creatieve, niet-intuïtieve oplossingen kunnen opleveren, moeten ingenieurs de output nog steeds valideren aan de hand van tests of analyses. Daarnaast moeten zij ervoor zorgen dat het ontwerp volgens het beoogde proces kan worden vervaardigd. Deze interactie tussen mens en machine zal blijven evolueren, naarmate de algoritmen slimmer worden en de ingenieurs leren hoe ze deze nieuwe hulpmiddelen optimaal kunnen benutten in een brede waaier toepassingen.

Generatief in alle schakels van de waardeketen

Bedrijven zullen ervoor moeten zorgen dat ze generatieve ontwerpbenaderingen ook toepassen in het verkoops- en marketingproces. Generatieve algoritmes kunnen waarde bieden op meerdere vlakken in het traject van de productontwikkeling:

Initieel concept. Het testen van nieuwe vormen en geometrieën en het vertalen van innovatieve ideeën uit het brein van de ontwerper naar een tastbaar product.

Gedetailleerd ontwerp en engineering. Het bereiken van nieuwe niveaus van productprestatie(s) terwijl de kosten worden geminimaliseerd.

Productie. Het beoordelen van kandidaat-geometrieën op produceerbaarheid en (waar nodig) en het realiseren en het versnellen van het gebruik van additieve fabricageprocessen.

Productverbetering. Ondersteunen van design-to-cost, -value, en -weight-inspanningen en het ontsluiten van extra waarde en margeverbetering.

Inkoop. Structureren van complexe aanbestedingsprocessen om de afweging tussen prijs, technische mogelijkheden, traceerbaarheid, risico, duurzaamheid en andere factoren te verbeteren.

Uitdagingen, kansen en ultieme drivers

Voor de huidige productontwikkelingsleiders brengen generatieve ontwerptechnologieën een aantal belangrijke menselijke, organisatorische en competitieve uitdagingen met zich mee. Eén van de eerste barrières is waarschijnlijk de acceptatie van de onderdelen en producten door belanghebbenden: generatieve algoritmen produceren ontwerpen die radicaal kunnen verschillen van hun door mensen ontworpen voorgangers. Sommige waarnemers vinden ze zelfs’ vreemd of verontrustend’.

Dat kan de aanvaarding van generatieve oplossingen door interne stakeholders belemmeren, zelfs als de voorgestelde ontwerpen technisch superieur blijken te zijn. Het gebruik van generatief ontwerpen voor onderdelen die op de klant zijn gericht, creëert vergelijkbare acceptatieproblemen, hoewel sommige bedrijven al gebruik maken van deze aanpak om producten te creëren met een uniek en heel verrassend uiterlijk.

Een tweede grote uitdaging is eerder van organisatorische aard. De grootschalige toepassing van generatieve benaderingen kan de eisen die een bedrijf stelt aan talent, knowhow en middelen in de productontwikkelingsfunctie veranderen. Generatieve oplossingen kunnen bijvoorbeeld minder tijd vergen van ervaren ingenieurs en ontwerpers, wat kortere productontwikkelingscycli mogelijk maakt. Dit werpt vragen op over de organisatorische opzet en de toewijzing van middelen voor gevestigde spelers en verlaagt mogelijk de toetredingsdrempels voor nieuwe concurrenten.

De derde reeks vraagstukken heeft betrekking op procesintegratie. Bedrijven moeten nadenken over hoe generatieve benaderingen in bestaande engineeringprocessen, dataplatforms en toolchains kunnen worden ingepast. Het snelle ontwikkelingstempo van generatieve ontwerptechnologieën betekent dat bedrijven waarschijnlijk meer flexibiliteit nodig zullen hebben om verschillende tools van verscheidene leveranciers te gebruiken, om hun ontwerptools uit te wisselen en te upgraden naarmate de technologie evolueert. Dat vereist open, aanpasbare systemen en een hoge mate van flexibiliteit in zowel de productontwikkelings- als de IT-functies.

In de komende jaren zullen generatieve algoritmen zich blijven ontwikkelen en krachtiger, breder toepasbaar en gebruiksvriendelijker worden. Naarmate er meer rekenkracht beschikbaar komt, zal het mogelijk worden om deze aanpak uit te breiden tot buiten het onderdeelniveau en de optimalisatie van assemblages. Dit zal uiteindelijk complete producten mogelijk te maken.

Verschillende toonaangevende bedrijven zijn al bezig om generatief ontwerpen naar een ander niveau dan de proeffase te tillen en gaan na hoe ze deze aanpak in hun hele organisatie kunnen toepassen. Dat vereist investeringen in gereedschappen, opleiding en cultuurverandering. Maar voor degenen die bereid zijn zich in te zetten, zullen de positieve effecten op de time-to-market, de kosten en de productprestaties waarschijnlijk aanzienlijk zijn.