CAD-Modelle in Echtzeit optimieren

Fast jeder Gegenstand, den wir verwenden, entsteht mit Hilfe von CAD. Doch während sich CAD-Programme sehr gut für das Entwerfen eignen, gestaltet es sich teils schwierig und zeitraubend, bestehende Konstruktionen zu optimieren. Diesen Prozess wollen Forscher des MIT mit einer Lösung namens InstantCAD schneller und einfacher machen. Als Plug-in lässt sich InstantCAD in bestehende CAD-Anwendungen integrieren. 

Forscher vom Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT und der Columbia University wollen den Prozess schneller und einfacher gestalten. In einem neuen Paper stellen sie InstantCAD vor, ein Tool, mit dem Konstrukteure in einem strafferen und intuitiveren Workflow CAD-Modelle interaktiv bearbeiten und optimieren können sollen. InstantCAD lässt sich in bestehende CAD-Programme als Plug-in einbinden, so dass Konstrukteure nicht erst umlernen müssen, um das Tool zu verwenden.

Ergonomische Schreibtische oder leistungsfähigere Autos, es gehe darum, bessere Produkte in kürzerer Zeit zu entwickeln, führt PhD-Studentin, Electrical Engineering and Computer Science, und Hauptautorin Adriana Schulz aus. Sie wird die Arbeit an der SIGGRAPH ab 30. Juli in Los Angeles vorstellen. Die Lösung könnte sich als bahnbrechend für Autohersteller und andere Unternehmen erweisen, die komplexe Konstruktionen in wenigen Minuten anstatt von Stunden oder Tagen testen und verbessern wollten, so Schulz weiter.

Viele traditionellen CAD-Systeme arbeiten parametrisch. Beim Design lassen sich also Eigenschaften wie Form und Größe basierend auf unterschiedlichen Prioritäten ändern. Entwickle man etwa eine Windturbine, werde man Kompromisse zwischen dem verfügbaren Luftstrom und der resultierenden Energieausbeute machen müssen.

Doch kann es sich als schwierig herausstellen, das absolut beste Design für die gewünschte Aufgabe der Konstruktion zu bestimmen, weil es viele unterschiedliche Optionen für Änderungen gibt. Darüber hinaus ist der Prozess zeitraubend, weil die Änderung einer einzigen Eigenschaft bedeutet, auf das Regenerieren der Zeichnung warten zu müssen, eine Simulation zu fahren, die Ergebnisse zu beurteilen und dann herauszufinden, was als Nächstes zu tun wäre.

Mit InstantCAD lassen sich Konstruktionen nach Angabe der Entwickler in Echtzeit verbessern und optimieren, was den Konstrukteuren tage- oder wochenlange Arbeiten erspare. Nachdem ein Objekt im handelsüblichen CAD-System entworfen wurde, wird es in eine Cloud gesendet, in der vielfache geometrische Evaluierungen und Simulationen gleichzeitig ablaufen.

Anzahl möglicher Optionen sinnvoll reduzieren

Mit diesen vorberechneten Daten lassen sich die Konstruktionen auf zwei verschiedene Arten verbessern. Mit „Interactive Exploration“ steht eine Benutzerschnittstelle bereit, die aufzeigt, wie sich Design-Änderungen auf die Leistung auswirken, zum Beispiel wie die Form eines Flugzeugflügels die Luftdruckverteilung beeinflusst. Mit „Automatic Optimization“ kann der Benutzer dem System ein Design mit bestimmten Eigenschaften vorgeben, etwa eine Drohne, die so leicht wie möglich ist und dabei dennoch das gewünschte Gewicht aufnehmen kann.

Warum sich Objekte nur so aufwendig optimieren lassen, liegt an der schieren Anzahl möglicher Optionen im Design Space. Da man von der Rechenleistung her nicht jeden einzelne dieser Optionen berechnen könne, habe man eine Möglichkeit finden müssen, aus einer kleinen Anzahl von Optionen heraus zu interpolieren. Der wesentliche Beitrag sei nun ein neuer Algorithmus, der diese Muster-Designpunkte verwendet und damit die weitere abschätze, resümiert Schulz.

InstantCAD könne sich für komplexere Konstruktionen wie Autos, Flugzeuge und Roboter besonders eignen, wo es gelte, die maximale Leistung aus dem Produkt herauszuholen, so Co-Autor und Associate Professor Wojciech Matusik. Man könne damit nicht nur Zeit bei Designänderungen sparen, sondern könnte vielleicht auch die Qualität der Produkte erheblich verbessern. Die CAD-Intergration stimmt die Forscher zuversichtlich, dass die Anwendung sofort in der Industrie eingesetzt werden kann. Außerdem hoffen sie, dass InstantCAD auch die Hürden für gelegentliche Anwender absenkt. In einer Welt, in der 3D-Druck und industrielle Robotik die Fertigung zugänglicher mache, benötige man gleichermaßen System, die den Konstruktionsprozess vereinfachten. Mit Systemen wie diesem sei es leichter, Objekte an die eigenen Wünsche anzupassen und man hoffe, den Weg in ein neues Zeitalter der individuellen Fertigung und des DIY-Designs zu ebnen, erklärt Schulz.  

Das Projekt wurde unterstützt von der National Science Foundation. 

Bild: Adriana Schulz, Doktorandin am Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory des MIT, demonstriert die InstantCAD-Schnittstelle. Photo: Rachel Gordon/MIT CSAIL

Video: https://youtu.be/45YLK7vbL3M