DE112020002059T5

DE112020002059T5 - Topologieoptimierung einer struktur mit mehreren zielen

Info

Publication number: DE112020002059T5
Application number: DE112020002059.2T
Authority: DE
Inventors: Huagang Yu; Justin Nicholas Hallet
Original assignee: Autodesk Inc
Current assignee: Autodesk Inc
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2022-05-19
Also published as: CN113994336B; US11288417B2; WO2020219544A1; CN113994336A; US20200342067A1

Abstract

Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, darunter mediencodierte Computerprogrammprodukte, für das computergestützte Design von physischen Strukturen, die unter Verwendung verschiedener Fertigungssysteme und -techniken gebaut werden können, umfassen in einem Aspekt ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, von Designkriterien, eines Einsatz-Lastfalls, einer oder mehrerer Materialspezifikationen und eines oder mehrerer Sicherheitsfaktoren; Erstellen mindestens einer generativ entworfenen 3D-Topologie des modellierten Objekts, umfassend ausgehend von einem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs gemäß einem ersten Ziel, das durch eine(n) erste(n) der Spezifikationen oder Sicherheitsfaktoren definiert ist, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wird, Erzeugen eines zweiten Entwurfs in Übereinstimmung mit einem zweiten Ziel, das durch eine(n) zweite(n) der Spezifikationen oder der Sicherheitsfaktoren definiert ist; und Bereitstellen sowohl des ersten Entwurfs als auch des zweiten Entwurfs.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dieses Dokument betrifft das computergestützte Design von physischen Strukturen, die unter Verwendung verschiedener Fertigungssysteme und -techniken gebaut werden können.
Computer Aided Design (CAD) Software wurde entwickelt und verwendet, um dreidimensionale (3D) Darstellungen von Objekten zu erzeugen, und Computer Aided Manufacturing (CAM) Software wurde entwickelt und verwendet, um die physischen Strukturen dieser Objekte herzustellen, z. B. CNC-Fertigungstechniken. Normalerweise speichert CAD-Software die 3D-Darstellungen der Geometrie der zu modellierenden Objekte unter Verwendung eines Grenzdarstellungs-(B-Rep)-Formats. Ein B-Rep-Modell ist ein Satz von verbundenen Oberflächenelementen, die Grenzen zwischen einem Festkörperbereich und einem Nicht-Festkörperbereich des modellierten 3D-Objekts festlegen. In einem B-Rep-Modell (oft als B-Rep bezeichnet) wird die Geometrie im Computer im Gegensatz zu den diskreten und angenäherten Oberflächen eines Netzmodells, mit denen die Arbeit in einem CAD-Programm schwierig sein kann, mit glatten und präzisen mathematischen Oberflächen gespeichert.
Ferner wurden CAD-Programme in Verbindung mit subtraktiven Fertigungssystemen und -techniken verwendet. Subtraktive Fertigung bezieht sich auf jeden Herstellungsprozess, bei dem 3D-Objekte aus Ausgangsmaterial (im Allgemeinen einem „Rohling“ oder „Werkstück“, der bzw. das größer als das 3D-Objekt ist) durch Wegschneiden von Teilen des Ausgangsmaterials erstellt werden. Solche Herstellungsprozesse umfassen normalerweise die Verwendung mehrerer CNC-Maschinen-Schneidwerkzeuge in einer Reihe von Arbeitsgängen, beginnend mit einer Schruppoperation, einer optionalen Halbbearbeitungsoperation und einer Endbearbeitungsoperation. Weitere subtraktive Fertigungstechniken neben der CNC-Bearbeitung sind Elektrodenentladungsbearbeitung, chemische Bearbeitung, Wasserstrahlbearbeitung usw. Im Gegensatz dazu bezieht sich die additive Fertigung, auch bekannt als Solid Free Form Fabrication oder 3D-Druck, auf jeden Herstellungsprozess, bei dem 3D-Objekte aus Rohmaterial (in der Regel Pulver, Flüssigkeiten, Suspensionen oder geschmolzenen Feststoffen) in einer Reihe von Schichten oder Querschnitten gebaut werden. Beispiele für additive Fertigung sind Fused Filament Fabrication (FFF) und Selective Laser Sintering (SLS). Andere Fertigungstechniken zum Bauen von 3D-Objekten aus Rohmaterialien sind Gießen und Schmieden (sowohl warm als auch kalt).
KURZDARSTELLUNG
Dieses Dokument beschreibt Technologien zum computergestützten Design von physischen Strukturen, die unter Verwendung verschiedener Fertigungssysteme und - techniken gebaut werden können. Dokument Insbesondere kann eine Multi-Target-Lösung als Teil eines generativen Designprozesses durchgeführt werden, der eine Topologie für eine herzustellende Struktur optimiert.
Ein oder mehrere Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können in einem oder mehreren Verfahren, einem oder mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien, die ein computergestütztes Designprogramm codieren, das eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen zum Durchführen von Operationen veranlassen kann, und/oder einem oder mehreren Systemen ausgebildet sein, die das eine oder die mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien und die eine oder die mehreren Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, die dazu konfiguriert sind, die Anweisungen des computergestützten Designprogramms zum Ausführen von Operationen auszuführen, darunter: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, mindestens einer Materialspezifikation, aus der die physische Struktur gebaut wird, und zweier oder mehrerer Sicherheitsfaktoren durch ein computergestütztes Designprogramm; Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, der mindestens einen Materialspezifikation, der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit einem ersten Ziel umfasst, das durch einen ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs einschließlich eines zweiten computergestützten Designmodells einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß einem zweiten Ziel, das durch einen zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist; und Bereitstellen sowohl des ersten Entwurfs als auch des zweiten Entwurfs des modellierten Objekts durch das computergestützte Designprogramm, zur Anwendungsbewertung bei der Herstellung der physischen Struktur.
Das Erhalten kann das Erhalten zweier oder mehrerer Spezifikationen unterschiedlicher Materialien umfassen, und das Herstellen kann das Erzeugen von mindestens vier unterschiedlichen Entwürfen gemäß zumindest vier unterschiedlichen Zielen umfassen, wobei die zumindest vier unterschiedlichen Entwürfe den ersten Entwurf, den zweiten Entwurf, einen dritten Entwurf und einen vierten Entwurf umfassen, wobei die mindestens vier verschiedenen Ziele das erste Ziel, das zweite Ziel, ein drittes Ziel und ein viertes Ziel umfassen, der erste Entwurf aus dem Anfangsentwurf in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel erzeugt wird, das durch den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und eine erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, der zweite Entwurf aus dem ersten Entwurf oder dem Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem zweiten Ziel erzeugt wird, das durch den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, der dritte Entwurf aus dem zweiten Entwurf oder einem zweites Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem dritten Ziel erzeugt wird, das durch den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und eine zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, und der vierte Entwurf aus dem dritten Entwurf oder einem dritten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem vierten Ziel erzeugt wird, das durch den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist; und wobei das Verfahren/die Vorgänge das Ordnen der Ziele in den mindestens vier verschiedenen bei der Herstellung verwendeten Zielen gemäß Kombinationen von Werten der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren umfasst bzw. umfassen.
Die Anzahl der Ziele kann größer als vier sein, und eine Anzahl der Ziele kann durch eine Anzahl der verschiedenen Materialien mal einer Anzahl von Sicherheitsfaktoren plus einem Zielvolumen bestimmt werden. Mit Ausnahme des ersten Entwurfs kann jeder Entwurf von den mindestens vier verschiedenen Entwürfen aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert werden, der während der Herstellung erzeugt wurde. Darüber hinaus kann das Herstellen umfassen: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf der mindestens vier verschiedenen Entwürfe für ein aktuelles Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Designprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb des Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Designprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele bewirkten generativen Designprozesses, wobei weitere Ziele verbleiben.
Der generative Designprozess kann ein grenzbasierter generativer Designprozess sein, der eine Level-Set-Darstellung des aktuellen Entwurfs verwendet. Das Verfahren/die Vorgänge können das Herstellen des Anfangsentwurfs aus einer oder mehreren vordefinierten Geometrien umfassen, die für das modellierte Objekt identifiziert wurden, wobei die eine oder die mehreren vordefinierten Geometrien mit dem mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt verknüpft sind. Das Bereitstellen kann umfassen: Darstellen jedes der mindestens vier verschiedenen Entwürfe auf einer Anzeigevorrichtung; Empfangen einer Auswahl von mindestens einem der mindestens vier verschiedenen Entwürfe; Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf; und Ausgeben der CNC-Anweisungen zum Aufbauen der physischen Struktur unter Verwendung des additiven Fertigungssystems oder des subtraktiven Fertigungssystems.
Ein oder mehrere Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können in einem oder mehreren Verfahren, einem oder mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien, die ein computergestütztes Designprogramm codieren, das eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen zum Durchführen von Operationen veranlassen kann, und/oder einem oder mehreren Systemen ausgebildet sein, die das eine oder die mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien und die eine oder die mehreren Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, die dazu konfiguriert sind, die Anweisungen des computergestützten Designprogramms zum Ausführen von Operationen auszuführen, darunter: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, mindestens eines Sicherheitsfaktors und mindestens zwei oder mehrerer Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, aus denen die physische Struktur gebaut wird, durch ein computergestütztes Designprogramm; Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, dem mindestens einen Sicherheitsfaktor, den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit einem ersten Ziel umfasst, das durch eine erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs einschließlich eines zweiten computergestützten Designmodells einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß einem zweiten Ziel, das durch eine zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist; und Bereitstellen sowohl des ersten Entwurfs als auch des zweiten Entwurfs des modellierten Objekts durch das computergestützte Designprogramm, zur Anwendungsbewertung bei der Herstellung der physischen Struktur.
Das Erhalten kann das Erhalten zweier oder mehrerer Sicherheitsfaktoren umfassen, und das Herstellen kann das Erzeugen von mindestens vier unterschiedlichen Entwürfen gemäß zumindest vier unterschiedlichen Zielen umfassen, wobei die zumindest vier unterschiedlichen Entwürfe den ersten Entwurf, den zweiten Entwurf, einen dritten Entwurf und einen vierten Entwurf umfassen, wobei die mindestens vier verschiedenen Ziele das erste Ziel, das zweite Ziel, ein drittes Ziel und ein viertes Ziel umfassen, der erste Entwurf aus dem Anfangsentwurf in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel erzeugt wird, das durch die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einen ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, der zweite Entwurf aus dem ersten Entwurf oder dem Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem zweiten Ziel erzeugt wird, das durch die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, der dritte Entwurf aus dem zweiten Entwurf oder einem zweiten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem dritten Ziel erzeugt wird, das durch die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einen zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, und der vierte Entwurf aus dem dritten Entwurf oder einem dritten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem vierten Ziel erzeugt wird, das durch die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist; und wobei das Verfahren/die Vorgänge das Ordnen der Ziele in den mindestens vier verschiedenen bei der Herstellung verwendeten Zielen gemäß Kombinationen von Werten der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren umfasst bzw. umfassen.
Die Anzahl der Ziele kann größer als vier sein, und eine Anzahl der Ziele kann durch eine Anzahl der verschiedenen Materialien mal einer Anzahl von Sicherheitsfaktoren plus einem Zielvolumen bestimmt werden. Mit Ausnahme des ersten Entwurfs kann jeder Entwurf von den mindestens vier verschiedenen Entwürfen aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert werden, der während der Herstellung erzeugt wurde. Darüber hinaus kann das Herstellen umfassen: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf der mindestens vier verschiedenen Entwürfe für ein aktuelles Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Entwurfsprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb des Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Designprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele bewirkten generativen Designprozesses, während weitere Ziele verbleiben.
Der generative Designprozess kann ein grenzbasierter generativer Designprozess sein, der eine Level-Set-Darstellung des aktuellen Entwurfs verwendet. Das Verfahren/die Vorgänge können das Herstellen des Anfangsentwurfs aus einer oder mehreren vordefinierten Geometrien umfassen, die für das modellierte Objekt identifiziert wurden, wobei die eine oder die mehreren vordefinierten Geometrien mit dem mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt verknüpft sind. Das Bereitstellen kann umfassen: Darstellen jedes der mindestens vier verschiedenen Entwürfe auf einer Anzeigevorrichtung; Empfangen einer Auswahl von mindestens einem der mindestens vier verschiedenen Entwürfe; Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf; und Ausgeben der CNC-Anweisungen zum Aufbauen der physischen Struktur unter Verwendung des additiven Fertigungssystems oder des subtraktiven Fertigungssystems.
Ein oder mehrere Aspekte des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können in einem oder mehreren Verfahren, einem oder mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien, die ein computergestütztes Designprogramm codieren, das eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen zum Durchführen von Operationen veranlassen kann, und/oder einem oder mehreren Systemen ausgebildet sein, die das eine oder die mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Medien und die eine oder die mehreren Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, die dazu konfiguriert sind, die Anweisungen des computergestützten Designprogramms zum Ausführen von Operationen auszuführen, darunter: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, von zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, aus denen die physische Struktur gebaut wird, und von zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren; Anordnen von Zielen, darunter eines ersten Ziels, eines zweiten Ziels und von zusätzlichen Zielen, die in Übereinstimmung mit den zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert sind, Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, den zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel umfasst, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs einschließlich eines zweiten computergestützten Designmodells einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß dem zweiten Ziel, und ausgehend von einem letzten Entwurf oder einem vor dem letzten Entwurf erhaltenen Zwischenentwurf iteratives Erzeugen zusätzlicher Entwürfe, die zusätzliche computergestützte Designmodelle von äußeren Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit den zusätzlichen Zielen umfasst, und Bereitstellen von mindestens einem der erzeugten Entwürfe des modellierten Objekts zur Verwendung beim Herstellen der physischen Struktur.
Mit Ausnahme des ersten Entwurfs kann jeder Entwurf von den mindestens vier verschiedenen Entwürfen aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert werden, der während der Herstellung erzeugt wurde. Darüber hinaus kann das Herstellen umfassen: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf für ein aktuelles Ziel liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Entwurfsprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb der Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Entwurfsprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel bewirkten generativen Entwurfsprozesses, während weitere Ziele verbleiben.
Das Bereitstellen kann das Speichern eines ausgewählten Entwurfs der erzeugten Entwürfe in einer permanenten Speichervorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung der physischen Struktur oder das Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf umfassen. Das System kann das additive Fertigungssystem oder das subtraktive Fertigungssystem umfassen, und die Operationen können ferner das Herstellen der physischen Struktur mit dem additiven Fertigungssystem oder dem subtraktiven Fertigungssystem unter Verwendung der CNC-Anweisungen umfassen.
Bestimmte Ausführungsformen des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können implementiert werden, um einen oder mehrere der folgenden Vorteile zu realisieren. Dem Benutzer wird die Möglichkeit gegeben, zwei oder mehrere unterschiedliche Materialien, zwei oder mehrere Sicherheitsfaktoren und/oder weitere Variablen und Werte zum Durchführen einer Multi-Target-Lösung auszuwählen. Der Endpunkt (oder ein Zwischenpunkt) in der Topologieoptimierung für ein Ziel wird dann als Ausgangspunkt für ein nächstes Ziel verwendet, wodurch die zum Finden von Designlösungen für verschiedene Ziele in einem generativen Designprozess benötigten Verarbeitungsressourcen reduziert werden. In einigen Implementierungen kann der Prozess bei Annäherung an ein bestimmtes Ziel einen Umweg machen, z. B. durch Erzeugen eines neuen Prozesses, um die lokalisierten Optima für das gegebene Ziel zu finden, bevor mit dem Zwischenentwurf, der dem angegebenen Ziel nahe war, an einem nächsten Ziel gearbeitet wird. Dies kann die Menge an Verarbeitungsressourcen weiter reduzieren, die zum Finden von optimalen Lösungen für alle Zielvorgaben benötigt werden. Somit kann beim Erreichen mehrerer Ziele die Nutzung von Rechenressourcen, die Rechenzeit und/oder die verstrichene Zeit reduziert werden.
Die Einzelheiten von einer oder mehreren Ausführungsformen des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands sind in den begleitenden Figuren und der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile erschließen sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel eines Systems, das zum Herstellen und Erkunden von Entwurfsoptionen für zu bauende Objekte, z. B. unter Verwendung von additiver Fertigung, subtraktiver Fertigung und/oder anderer Fertigungssysteme und -techniken, verwendet werden kann.
2 zeigt ein Beispiel für einen Prozess zum Optimieren der Topologie einer Struktur unter Verwendung mehrerer Ziele.
3 zeigt ein Beispiel einer Lichtbogenbrücke, die aus einem Block unter Verwendung des/der beschriebenen generativen Designprozesse(s) entwickelt wurde.
4 zeigt eine verallgemeinerte Darstellung einer Arbeitsdomäne zur Topologieoptimierung in einem generativen Designprozess.
5 zeigt ein Beispiel für einen generativen Designprozess mit einer Multi-Target-Suche.
6 zeigt ein weiteres Beispiel für einen generativen Designprozess mit einer Multi-Target-Suche.
7 ist eine Prinzipdarstellung eines Datenverarbeitungssystems mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die als Client oder als Server programmiert werden kann, um die beschriebenen Systeme und Techniken zu implementieren.

Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein Beispiel eines Systems 100, das zum Herstellen und Erkunden von Entwurfsoptionen für zu bauende Objekte, z. B. unter Verwendung von additiver Fertigung (AM), subtraktiver Fertigung (SM) und/oder anderen Fertigungssystemen und -techniken verwendet werden kann. Ein Computer 110 umfasst einen Prozessor 112 und einen Speicher 114, und der Computer 110 kann mit einem Netzwerk 140 verbunden sein, das ein privates Netzwerk, ein öffentliches Netzwerk, ein virtuelles privates Netzwerk usw. sein kann. Der Prozessor 112 kann als einer oder mehrere Hardwareprozessoren vorliegen, die jeweils mehrere Prozessorkerne enthalten können. Der Speicher 114 kann sowohl einen flüchtigen als auch einen nichtflüchtigen Speicher umfassen, wie beispielsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen Flash-RAM. Der Computer 110 kann verschiedene Arten von Computerspeichermedien und -vorrichtungen beinhalten, die den Speicher 114 umfassen können, um Anweisungen von Programmen zu speichern, die auf dem Prozessor 112 laufen, einschließlich Computer Aided Design (CAD)-Programm(e) 116, die dreidimensionale (3D) Modellierungsfunktionen implementieren und eine Multi-Target-Lösungsoption für einen oder mehrere generative Designprozesse umfassen, die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und möglicherweise andere physikalische Simulationsmethoden verwenden. Ferner können in einigen Implementierungen das/die CAD-Programm(e) 116 Fertigungssteuerungsfunktionen implementieren.
CAD bezieht sich in diesem Dokument auf jedes geeignete Programm, das zum Entwerfen von physischen Strukturen verwendet wird, die vorgegebene Designanforderungen erfüllen, unabhängig davon, ob das Programm in der Lage ist, eine Schnittstelle mit einer bestimmten Fertigungsausrüstung zu bilden und/oder diese zu steuern. Somit können das/die CAD-Programm(e) 116 Computer Aided Engineering (CAE)-Programm(e), Computer Aided Manufacturing (CAM)-Programm(e) usw. umfassen. Das/die Programm(e) 116 können lokal auf dem Computer 110, entfernt auf einem Computer eines oder mehrerer entfernter Computersysteme 150 (z. B. einem oder mehrerer Serversysteme eines oder mehrerer Drittanbieter, auf die der Computer 110 über das Netzwerk 140 zugreifen kann) oder sowohl lokal als auch entfernt laufen. Somit kann ein CAD-Programm 116 aus zwei oder mehr Programmen bestehen, die kooperativ auf zwei oder mehreren separaten Computerprozessoren arbeiten, indem ein lokal auf dem Computer 110 operierendes Programm 116 Verarbeitungsvorgänge (z. B. generatives Design und/oder physikalische Simulationsvorgänge) in die „Cloud“ auslagern kann, indem ein oder mehrere Programme 116 auf einem oder mehreren Computern 150 die ausgelagerten Verarbeitungsvorgänge ausführen.
Das/die CAD-Programm(e) 116 stellen eine Benutzerschnittstelle (UI) 122 auf einer Anzeigevorrichtung 120 des Computers 110 dar, die unter Verwendung einer oder mehrerer Eingabevorrichtungen 118 des Computers 110 (z. B. Tastatur und Maus) bedient werden kann. Obwohl in 1 als getrennte Geräte dargestellt, können die Anzeigevorrichtung 120 und/oder die Eingabevorrichtungen 118 auch miteinander und/oder mit dem Computer 110 integriert sein, wie beispielsweise in einem Tablet-Computer (z. B. kann ein Touchscreen ein Ein-/Ausgabegerät 118, 120 sein). Darüber hinaus kann der Computer 110 ein Virtual-Reality-(VR)- oder Augmented-Reality-(AR)-System umfassen oder Teil davon sein. Zum Beispiel können die Ein-/Ausgabegeräte 118, 120 einen VR/AR-Eingabehandschuh 118a und/oder ein VR/AR-Headset 120a umfassen.
Wie oben angemerkt, implementieren das/die CAD-Programm(e) 116 3D-Modellierungsfunktionen, was bedeutet, dass ein 3D-Modell 132 unter Verwendung des CAD-Programms/der CAD-Programme 116 erstellt werden kann. In einigen Implementierungen implementieren das/die CAD-Programm(e) 116 eine physikalische Simulation, um den Aufbau des 3D-Modells 132 zu unterstützen. Physikalische Simulationen wie FEA, Computational Fluid Dynamics (CFD), Akustik/Geräuschunterdrückung, Wärmeleitung und/oder computergestützte Spritzgusssimulationen sind oft integraler Bestandteil der CADbasierten Produktentwicklung. Mit dem/den CAD-Programm(en) 116 können genaue geometrische Beschreibungen des Konstruktionsmodells erstellt werden, während physikalische Simulationen eine verbesserte Leistung ohne zeitaufwendiges physikalisches Testen ermöglichen.
Das/die CAD-Programm(e) 116 kann/können Benutzeroberflächenelemente bereitstellen, die es dem Benutzer ermöglichen, Eingaben für die physikalische(n) Simulation(en) vorzugeben, wie beispielsweise Materialien und Lastfälle für das/die 3D-Modell(e) 132, wobei die Lastfälle Lasten in unterschiedlichen Richtungen definieren, die von einem zu entwickelnden Teil getragen werden sollen. Somit kann ein Benutzer 190 mit der UI 122 des CAD-Programms bzw. der CAD-Programme 116 zusammenwirken, einschließlich der Erstellung einer vollständigen mechanischen Problemdefinition für ein zu bauendes Objekt, um 3D-Modelle 132 zu erstellen und zu modifizieren, die im/in 3D-Modelldokument(en) 130 gespeichert werden können. Darüber hinaus implementieren das/die CAD-Programm(e) 116 mindestens ein generatives Designverfahren (lokal und/oder durch einen entfernten Prozeduraufruf), das es dem/den CAD-Programm(en) 116 ermöglicht, einen oder mehrere Abschnitte des 3D-Modells/der 3D-Modell(e) 132 (oder die Gesamtheit eines 3D-Modells) auf Basis von Designkriterien automatisch zu erzeugen, wobei das geometrische Design auf Basis von Simulationsfeedback iterativ optimiert wird. Es ist zu beachten, dass „Optimierung“ („optimieren“, „Optimum“ usw.) in diesem Dokument nicht bedeutet, dass in allen Fällen der beste aller möglichen Entwürfe erreicht wird, sondern dass ein bester (oder nahezu bester) Entwurf aus einer endlichen Menge möglicher Entwürfe ausgewählt wird, die angesichts der verfügbaren Verarbeitungsressourcen innerhalb einer vorgegebenen Zeit erzeugt werden können.
Die Designkriterien können vom Benutzer 190 oder von einer anderen Partei definiert und in das/die CAD-Programm(e) 116 importiert werden. Die Designkriterien können ein oder mehrere Designziele und eine oder mehrere Designbeschränkungen umfassen. Designziele können solche umfassen, die eine oder mehrere Kostenfunktionen minimieren und/oder die eine oder mehrere Nutzenfunktionen für das herzustellende Objekt maximieren. In einigen Implementierungen umfassen die Designziele eines oder mehrere der folgenden: (1) Minimierung des Materialverbrauchs (z. B. Abfallmaterial), (2) Minimierung des Gewichts, (3) Minimierung der Herstellungszeit, (4) Maximierung der Werkzeugstandzeit, (5) Maximierung der Fähigkeit, Trägermaterial zu entfernen, (6) Abzielen auf eine festgelegte Eigenfrequenz (z. B. höhere/niedrigere Eigenschwingungen, um eine Schwingungsdämpfung zu erreichen) und (7) Positionierung und Konfektionierung von Teilen innerhalb der Struktur (z. B. elektronische Komponenten zur Schaltkreisbetätigung, darunter das Reservieren von Platz für die Kabel zwischen Komponenten in einer Baugruppe, Begrenzung der Kabellänge und/oder Komponenten für die strukturelle Zustandsüberwachung sowie Überlegungen zur Montage, um sicherzustellen, dass jede Komponente unabhängig oder mit einer begrenzten Anzahl von Schritten eingefügt/entfernt werden kann). Designbeschränkungen können solche umfassen, die sich mit Herstellungsanforderungen und/oder Verwendungsanforderungen befassen. In einigen Implementierungen umfassen Designbeschränkungen eine oder mehrere der folgenden: (1) Herstellungsbeschränkungen, die Geometrien auf solche beschränken, die hergestellt werden können (z. B. minimaler selbsttragender Winkel für AM-Prozesse, bei denen kein separates Trägermaterial verwendet wird, gegebenenfalls je nach Baurichtung, oder mechanische Zugangsbeschränkungen für AM- oder SM-Prozesse, wie 3-Achsen-, 5-Achsen- und/oder 2,5-Achsen-CNC-Beschränkungen), (2) thermomechanische Beschränkungen, (3) Beschränkungen von Materialanteil oder -variation, (4) strukturelle Integrität, (5) Steifigkeit, (6) Nachgiebigkeit, (7) Belastungskriterien (z. B. Von-Mises- oder Tsai-Wu-Belastung für Herstellung oder Verwendung), (8) physikalische Beschränkungen (keine Beeinträchtigung durch größeres System von Teilen) und (9) Schadensbeschränkungen (z. B. Widerstand der spröden elastischen Fraktion). In einigen Implementierungen umfassen die Designkriterien die Minimierung der Nachgiebigkeit mit Beschränkungen in Bezug auf Volumen, Spannung, Verlagerung, Knicksicherheitsfaktor und/oder Eigenfrequenz, aber das/die Verfahren können auf andere Designziele und Beschränkungen verallgemeinert werden, darunter Minimierung von Volumen, Abweichung (z. B. kleinste quadratische Abweichung) von einem Ziel (nachgiebiger Mechanismus) und/oder designabhängige Belastungen (Druckbelastungen).
Als das mindestens eine generative Designverfahren können verschiedene generative Designverfahren verwendet werden, die von dem/den CAD-Programm(en) 116 implementiert werden. Diese generativen Designverfahren können die Form und Topologie zumindest eines Teils des 3D-Modells optimieren. Die iterative Optimierung des geometrischen Designs des 3D-Modells bzw. der 3D-Modelle durch das/die CAD-Programm(e) 116 umfasst eine Topologieoptimierung, die ein Verfahren zur Gewichtsreduzierung ist, bei dem die optimale Materialverteilung durch Minimieren einer objektiven Funktion unter Einschränkungen bestimmt wird (z. B. strukturelle Nachgiebigkeit des Volumens als Einschränkung). Die Topologieoptimierung kann mit einer Vielzahl von numerischen Verfahren angegangen werden, die grob in zwei Gruppen eingeteilt werden können: (1) Material- oder Mikrostrukturtechniken und (2) geometrische oder Makrostrukturtechniken. Mikrostrukturtechniken basieren auf der Bestimmung der optimalen Verteilung der Materialdichte und umfassen das SIMP-Verfahren (Solid Isotrop Microstructure with Penalization) und das Homogenisierungsverfahren. Beim SIMP-Verfahren werden Zwischenmaterialdichten entweder zugunsten von p = 0 oder p = 1, was einen Hohlraum bzw. einen Feststoff bezeichnet, benachteiligt. Zwischenmaterialdichten werden im Homogenisierungsverfahren als Verbundwerkstoffe behandelt.
Im Gegensatz dazu behandeln Makrostrukturtechniken das Material als homogen, und die dreidimensionale Topologie des hergestellten modellierten Objekts wird als eine oder mehrere Grenzen zwischen einem oder mehreren festen Bereichen (mit dem homogenen Material darin) und einem oder mehreren Leerbereichen (ohne Material darin) innerhalb des Designraums (auch als Domäne oder Unterraum der Domäne für die Topologieoptimierung bezeichnet) dargestellt. Die Form(en) der einen oder mehreren Grenzen werden während des generativen Designprozesses optimiert, während die Topologie in der Domäne als Ergebnis der Formoptimierung in Kombination mit dem Hinzufiigen/Entfernen und Schrumpfen/Wachsen/Zusammenführen des Hohlraumbereichs/der Hohlraumbereiche geändert wird. Somit können die Typen der endgültigen optimierten Topologien, die aus einem generativen Designprozess unter Verwendung einer Makrostrukturtechnik resultieren können, erheblich von der Anzahl und Größe von Hohlräumen innerhalb der Keimgeometrie für den Prozess abhängen.
Im Beispiel von 1 ist das gezeigte 3D-Modell 132 ein Anfangsentwurf für das Objekt (in diesem Fall eine Bogenbrücke), das aus einem oberen Block mit vier Säulen darunter besteht. Dieser Anfangsentwurf wird dann unter Verwendung eines generativen Designprozesses modifiziert, um eine detaillierte dreidimensionale Topologie (bestehend aus verschiedenen Formen) des modellierten Objekts zu erzeugen, die dann verwendet werden kann, um eine physische Struktur 180 des erzeugten Modells aufzubauen. Es versteht sich, dass viele verschiedene Arten von Objekten mit dem/den CAD-Programm(en) 116 hergestellt werden können, viele verschiedene Anfangsentwürfe (wie unten ausführlicher beschrieben) verwendet werden können, zusätzliche Geometrie für das/die 3D-Modell(e) 132 (verschiedener Typen, einschließlich B-Rep, T-Spline, Unterteilungsoberfläche, Netz und/oder andere Computermodellierungsformate) unter Verwendung der UI 122 erzeugt werden kann, und dass eine solche zusätzliche Geometrie zum Einrichten der Eingabe(n) für den generativen Designprozess verwendet werden kann.
Der generative Designprozess kann viele verschiedene Eingaben aufweisen und basierend auf diesen Eingaben viele verschiedene Entwurfsoptionen erkunden. Zunächst werden Informationen über den Designraum (z. B. Platzbeschränkungen), die Betriebsbedingungen (z. B. Lasten und Auflagerbeschränkungen), Materialien (z. B. Aluminium, Stahl, Titan usw.), Sicherheitsfaktoren, Fertigungsbeschränkungen und die Ziele (z. B. Ziele wie die Minimierung der Masse und/oder Maximierung der Steifigkeit oder Volumenreduktionen) gesammelt. Die Variationen solcher Eingabe-Designinformationen erzeugen Variationen bei Ausgabe-Designs, wobei die Designvariationen leicht Hunderte von Designoptionen überschreiten können. Der generative Designprozess erzeugt Designoptionen unter Verwendung von Topologieoptimierungen.
Die Anwendung der Topologieoptimierung auf das Strukturdesign umfasst in der Regel die Berücksichtigung von Zielen wie Minimierung von Masse oder Volumen, Sicherheitsfaktorbeschränkungen, Homogenisierung der Spannungsverteilung, Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Herstellbarkeit, Minimierung der Produktionskosten usw., wobei einige der Ziele können widersprüchlich sein können. Daher ist das Erreichen mehrerer Ziele mit generativen Designprozessen oft sehr zeitaufwendig und ressourcenintensiv. Da Materialien und Sicherheitsfaktoren jedoch im Wesentlichen ein Dimensionierungsproblem sind, können sie als Umwege auf dem Weg zu einem endgültigen Zielort behandelt werden, was die Menge an Verarbeitungsressourcen, die für den generativen Designprozess erforderlich sind, erheblich reduzieren (und damit beschleunigen) kann, um viele Designoptionen zu erkunden.
Anstatt beispielsweise für jede Variante von drei Materialien und/oder Sicherheitsfaktoren, die ein Benutzer des CAD-Programms bzw. der CAD-Programme 116 bewerten möchte, eine individuelle Lösung auszuführen, kann der Solver die Materialien und gewünschten Sicherheitsfaktoren in absteigender Reihenfolge neu anordnen und sie als Meilensteine auf einem längeren Weg der Topologieoptimierung behandeln. Alle gewünschten Varianten können in einem Durchgang gelöst werden, wobei bei jedem Meilenstein (je nach Bedarf) lokalisierte Umwege genommen werden. Jeder Umweg kann prozessintern durchgeführt oder als separater Prozess gestartet werden und ermöglicht es dem Solver, auf die lokalisierten Optima für einen bestimmten Sicherheitsfaktor und/oder Material zu konvergieren. Somit können alle Ziele in einem Durchgang realisiert werden, was Zeit und Rechenaufwand spart. Detaillierte Beispiele solcher Prozesse werden unten in Bezug auf 2-6 beschrieben.
Außerdem können das/die CAD-Programm(e) 116 in einigen Implementierungen Fertigungssteuerungsfunktionen implementieren. Sobald der Benutzer 190 mit einem 3D-Modell zufrieden ist, kann das 3D-Modell als das/die 3D-Modelldokument(e) 130 gespeichert und/oder verwendet werden, um eine andere Darstellung des Modells zu erzeugen (z. B. eine .STL-Datei für die additive Fertigung). Dies kann auf Anforderung durch den Benutzer 190 oder im Lichte der Anforderung des Benutzers nach einer anderen Aktion erfolgen, wie beispielsweise das Senden des 3D-Modells an eine AM-Maschine 170 oder eine andere Fertigungsmaschine, die direkt mit dem Computer 110 verbunden sein kann, oder über ein Netzwerk 140 verbunden, wie gezeigt. Dies kann einen Nachbearbeitungsprozess umfassen, der auf dem lokalen Computer 110 oder einem Cloud-Dienst ausgeführt wird, um das 3D-Modell in ein elektronisches Dokument zu exportieren, auf dessen Basis hergestellt werden soll. Beachten Sie, dass ein elektronisches Dokument (das der Kürze halber einfach als Dokument bezeichnet wird) eine Datei sein kann, aber nicht unbedingt einer Datei entspricht. Ein Dokument kann in einem Teil einer Datei, der andere Dokumente enthält, in einer einzigen Datei, die dem fraglichen Dokument gewidmet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien gespeichert werden.
In jedem Fall können das/die CAD-Programm(e) 116 ein Dokument 160 (mit Werkzeugwegspezifikationen eines geeigneten Formats) an die AM-Maschine 170 bereitstellen, um die physische Struktur 180 zu erzeugen. Die AM-Maschine 170 kann eine oder mehrere additive Fertigungstechniken anwenden, wie etwa granuläre Techniken (z. B. Pulverbettschmelzen (PBF), selektives Lasersintern (SLS) und direktes Metall-Lasersintern (DMLS)), Extrusionstechniken (z. B. Fused Deposition Modeling (FDM), die AM zur Metallabscheidung umfassen kann). In einigen Fällen baut die AM-Maschine 170 die physische Struktur 180 direkt und in einigen Fällen baut die AM-Maschine 170 eine Form zur Verwendung beim Gießen oder Schmieden der physischen Struktur 180. Außerdem kann der Benutzer 190 das 3D-Modell zur späteren Verwendung speichern oder übertragen. Zum Beispiel können das/die CAD-Programm(e) 116 das/die Dokument(e) 130 speichern, das/die das 3D-Modell enthält/enthalten.
In einigen Implementierungen implementieren das/die CAD-Programm(e) 116 Fertigungssteuerungsfunktionen für die SM-Maschine(n) 174 (z. B. eine CNC-Fräsmaschine wie eine Mehrachsen-Mehrwerkzeugfräsmaschine) zur Verwendung im Herstellungsprozess. Zum Beispiel können das/die CAD-Programm(e) 116 CNC-Anweisungen für ein Werkzeugmaschinensystem 174 erzeugen, das mehrere Werkzeuge umfasst (z. B. Vollhartmetall-Rundwerkzeuge unterschiedlicher Größe und Form und Einsatzwerkzeuge unterschiedlicher Größe, die Metalleinsätze aufnehmen, um verschiedene Schnittflächen zu erstellen), die für verschiedene Bearbeitungen verwendbar sind. Somit liefern in einigen Implementierungen das/die CAD-Programm(e) 116 ein Dokument 160 (mit Werkzeugwegspezifikationen eines geeigneten Formats, z. B. ein CNC-Steuerungsprogramm) an die SM-Maschine 174 zur Verwendung bei der Herstellung der physischen Struktur 180 mit verschiedenen Schneidwerkzeugen und Schrupp-, Halbbearbeitungs- und/oder Endbearbeitungsoperationen.
Im Allgemeinen können verschiedene unterschiedliche Fertigungssysteme und - techniken entweder allein oder in Kombination verwendet werden, um eine endgültige Struktur zu erzeugen, und das/die CAD-Programm(e) 116 kann/können geeignete Algorithmen enthalten, um Werkzeugwegspezifikationen 160 (oder andere Anweisungen) für eines oder mehrere dieser verschiedenen Systeme zu erzeugen, um ein Objekt herzustellen, das unter Verwendung der in dieser Anmeldung beschriebenen Systeme und Techniken entworfen wurde. Außerdem versteht es sich, dass das System und die Techniken in größeren Gebäude-/Bauprojekten verwendet werden können. Beispielsweise ist die beispielhafte physische Struktur 180 eine Brücke, und anstatt dass die physische Struktur 180 ein maßstabsgetreues Modell einer größeren Brücke ist, kann die physische Struktur 180 die eigentliche Brücke selbst sein. Es versteht sich, dass viele verschiedene Arten von physischen Strukturen, einschließlich Gebäude oder Gebäudeteile, Brücken oder Brückenteile, Kraftfahrzeug- oder Flugzeugteile usw. unter Verwendung der hierin beschriebenen Systeme und Techniken entworfen (und gebaut) werden können.
2 zeigt ein Beispiel für einen Prozess zum Optimieren der Topologie einer Struktur unter Verwendung mehrerer Ziele. Es werden Designeingaben erhalten 200, z. B. durch CAD-Programm(e) 116. Dies kann das Empfangen der Designeingaben über eine UI, z. B. die UI 122, oder von einem anderen Prozess oder einer anderen Partei umfassen. Die Designeingaben können einen Designraum für ein modelliertes Objekt, Designkriterien für das modellierte Objekt und mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt umfassen. Der Designraum ist eine Darstellung des physischen Raums, auf den die Designstruktur (Form) beschränkt sein wird, d.h. die Raumbeschränkungen für den generativen Designprozess. Der Designraum kann ein explizit modellierter Raum (z. B. wie durch den Benutzer 190 unter Verwendung der UI 122 spezifiziert) oder eine Kombination von modellierten Räumen sein, modelliert ohne (hindernde) Räume und geschützte Räume (z. B. Bereiche zum Spezifizieren von Lasten und Beschränkungen).
Die Designkriterien für das modellierte Objekt können wie oben beschrieben sowohl Designziele als auch Designbeschränkungen umfassen. Die Designkriterien können Designziele (Ziele) umfassen, wie z. B. Minimierung der Masse; Maximierung der Steifigkeit; oder Volumenreduzierungen. Darüber hinaus können die Designkriterien Herstellungsbeschränkungen umfassen. Beachten Sie, dass es mehrere begrenzende Faktoren geben kann, die in Bezug auf Designgenauigkeiten berücksichtigt werden müssen. Unterschiedliche Herstellungsverfahren weisen unterschiedliche Einschränkungen auf, die das Design beeinflussen. Zum Beispiel bestehen bei der CNC-Bearbeitung Einschränkungen bezüglich des Werkzeugzugangsraums, der 3D-Druck hat Einschränkungen bei den Oberflächenüberhangwinkeln und der Wandstärke, und das Gießen hat eine Formbeschränkung, da die Form des Gussteils das Entfernen der Formen ermöglichen sollte.
Der mindestens eine Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt zeigt erwartete Einsatzbedingungen an. Dies kann die Angabe umfassen, wie die Struktur (Objekt) während des Betriebs auf die umgebenden Strukturen (Objekte) reagiert. Dies kann mehrere Lastfälle und Auflagen (Befestigung und Verbindung mit umgebenden Strukturen) umfassen. In einigen Fällen können diese z. B. über die UI 122 vom Benutzer 190 definiert werden, und zwar in Bezug auf die 3D-Modellgeometrie, die dafür erzeugt wurde, als Verbindungspunkte (z. B. zum Beibehalten von Objekten) für den generativen Designprozess zu dienen.
Darüber hinaus werden Variablen für eine Multi-Target-Lösung in einem generativen Designprozess erhalten 205, z. B. durch CAD-Programm(e) 116. Dies kann das Empfangen einer Angabe darüber, welche Zielvariablen verwendet werden sollen und welche Werte für sie zu verwenden sind, über eine UI, z. B. die UI 122, oder von einem anderen Prozess oder einer anderen Partei umfassen. Die Zielvariablen können beispielsweise Material, Sicherheitsfaktor oder beides umfassen. Beachten Sie, dass solche Verweise auf „Material“ in diesem Dokument ein Computermodell/eine Spezifikation der Eigenschaften des Materials angeben, mit dem die physische Struktur entsprechend dem modellierten Objekt aufgebaut werden soll. Mindestens ein Material wird für die Konstruktion der Struktur (des Objekts) ausgewählt 205, aber um bessere Designs zu erzielen, können zwei oder mehr Materialien für den generativen Designprozess in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus ist ein Sicherheitsfaktor eine Einschränkung, um die maximale Belastung des Konstruktionsobjekts während seines Betriebs zu begrenzen. Schließlich, obwohl in 2 als separate Operationen dargestellt, versteht sich, dass das Erhalten 205 (z. B. Empfangen) der Variablen und das Erhalten 200 (z. B. Empfangen) der Designinformationen gleichzeitig erfolgen kann, z. B. über eine gemeinsame UI.
Für das modellierte Objekt wird ein Anfangsentwurf erhalten 210. Dies kann das Erzeugen des Anfangsentwurfs aus einer oder mehreren vordefinierten Geometrien beinhalten, die für das modellierte Objekt identifiziert wurden, wobei die eine oder die mehreren vordefinierten Geometrien wie oben beschrieben mit dem mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt verknüpft sind, z. B. beizubehaltende Objekte mit benutzerdefinierten Lastfällen. Der Anfangsentwurf kann beispielsweise eine konvexe Hülle sein, die alle beizubehaltenden Objekte enthält. Andere Anfangsentwürfe können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann der Anfangsentwurf ein existierendes 3D-Modell sein, das vom Benutzer erstellt wurde, wie beispielsweise das Modell 132 des oberen Blocks mit vier Säulen, das in 1 dargestellt ist.
In einigen Fällen ist der Anfangsentwurf ein einfaches Blob- oder Seed-Modell, z. B. eine feste 3D-Form mit vielen Löchern darin, das jeglichen Beschränkungen unterliegt, die dem Ausgangsmodell durch den zu verwendenden generativen Designprozess auferlegt werden. 3 zeigt ein Beispiel einer Lichtbogenbrücke, die aus einem Block unter Verwendung des/der beschriebenen generativen Designprozesse(s) entwickelt wurde. In diesem Beispiel ist das Ausgangsmodell 300 ein einfacher Block. Während der generative Designprozess fortschreitet, erzeugt er ein erstes 3D-Zwischenmodell 305 mit anfänglichen Formänderungen, dann ein zweites 3D-Zwischenmodell 310 mit Form- und Topologieänderungen, dann ein drittes Zwischenmodell 315 mit zusätzlichen Form- und Topologieänderungen, bevor schließlich ein konvergiertes 3D-Modell 320 mit endgültigen Form- und Topologievorschlägen für die Bogenbrücke erreicht wird. Da einige generative Designprozesse nicht stark von dem Ausgangsmodell abhängig sind, versteht sich, dass verschiedene Kombinationen von Objekten innerhalb des Designraums als Ausgangsmodell verwendet werden können. In einigen Fällen ist die Ausgangsform im Wesentlichen irrelevant, da der Solver den Entwurf sowohl vergrößern als auch verkleinern kann.
Mit erneuter Bezugnahme auf 2 werden die Ziele in Übereinstimmung mit Kombinationen der erhaltenen Werte 205 für die Variablen für die Multi-Target-Lösung für den generativen Designprozess geordnet 215, z. B. durch (ein) CAD-Programm(e) 116. Wie oben erwähnt, kann der Benutzer ein oder mehrere Materialien sowie einen oder mehrere Sicherheitsfaktoren für den generativen Designprozess auswählen. Anstatt jedoch für jede Kombination aus Material und Sicherheitsfaktor separat zu lösen, kann eine Lösung mit mehreren Zielen (zwei oder mehr Ziele, drei oder mehr Ziele, vier oder mehr Ziele usw.) durchgeführt werden, bei der für jede Kombination aus Material und Sicherheitsfaktor in einem Durchgang (mit möglichen Seitenabzweigungen, wie weiter unten erläutert) eine optimierte Topologie erstellt werden kann.
Um die Ziele zu ordnen 215, werden die ausgewählten Materialien nach Stärke 215 geordnet, und dann verläuft der Prozess der Form-/Volumenreduktion von der größten Form (schwächstes Material) zur kleinsten Form (stärkstes Material). Mit anderen Worten, in einem Topologieoptimierungsprozess, der von einer größeren Form ausgeht und eine Formreduktion durchführt, um die optimale Form zu finden, werden zuerst Formen erreicht, die für schwächere Materialien optimal sind, dann kann ein lokales Optimum für dieses erste Ziel gefunden werden, und dann kann der Prozess zum nächsten, stärkeren Material übergehen, das eine weitere Formreduzierung unterstützt. Im Beispiel der Bogenbrücke bleibt die Skelettform (Topologie) der Geometrie bei den definierten Belastungen oft gleich, und die Dicke der Streben wird durch die Materialauswahl vorgegeben. Es ist zu beachten, dass dies zwei oder mehr Ziele desselben Typs (Materialtyps) sind, die in einer generativen Designlösung verwendet werden.
In ähnlicher Weise können die ausgewählten Sicherheitsfaktoren (z. B. berechnet auf der Grundlage der Streckgrenze des Materials/der maximalen Spannung im Festkörper) nach ihren Werten in die Rangfolge eingeordnet werden 215. Wählt der Benutzer beispielsweise einen ersten Sicherheitsfaktor von 2,0 und einen zweiten Sicherheitsfaktor von 1,5, verläuft der Prozess der Form-/Volumenreduktion von der größten Form (größter Sicherheitsfaktor, z. B. 2,0) zur kleinsten Form (kleinster Sicherheitsfaktor, z. B. 1,5). Mit anderen Worten, in einem Topologieoptimierungsprozess, der von einer größeren Form ausgeht und eine Formreduktion durchführt, um die optimale Form zu finden, werden zuerst Formen erreicht, die für höhere Sicherheitsfaktoren optimal sind, dann kann ein lokales Optimum für dieses erste Ziel gefunden werden, und dann kann der Prozess zum nächsten, niedrigeren Sicherheitsfaktor übergehen, der eine weitere Formreduzierung unterstützt. Im Beispiel der Bogenbrücke bleibt die Skelettform (Topologie) der Geometrie bei den definierten Belastungen oft gleich, und die Dicke der Streben wird durch die Auswahl des Sicherheitsfaktors vorgegeben. Es ist zu beachten, dass dies zwei oder mehr Ziele desselben Typs (Sicherheitsfaktor) sind, die in einer generativen Designlösung verwendet werden.
In den obigen Beispielen wird beim Ordnen von Zielen von einem Material und zwei oder mehr Sicherheitsfaktoren oder einem Sicherheitsfaktor und zwei oder mehr Materialien ausgegangen. Es können aber auch zwei oder mehr Sicherheitsfaktoren gleichzeitig mit zwei oder mehr Materialien ausgewählt werden, und deren Kombinationen ergeben auch Ziele, die geordnet werden 215. Zur Auswahl stehen beispielsweise die Werkstoffe Messing und Stahl sowie die Sicherheitsfaktoren 2,0 und 1,5, also insgesamt vier Ziele. In vielen Fällen werden die Ziele zuerst nach Materialstärke und dann nach Sicherheitsfaktoren geordnet 215. Somit wären in diesem Beispiel die geordneten Ziele: (1) Messing bei 2,0; (2) Messing bei 1,5; (3) Stahl bei 2,0; und (4) Stahl bei 1,5. Es versteht sich jedoch, dass abhängig davon, wie unterschiedlich die Festigkeiten der ausgewählten Materialien und wie unterschiedlich die ausgewählten Sicherheitsfaktoren sind, die Reihenfolge der Ziele den Materialtyp wechseln kann, bevor alle ausgewählten Sicherheitsfaktoren durchlaufen werden, wie z. B. weiter unten im Zusammenhang mit Gleichung 11 beschrieben.
Es ist außerdem zu beachten, dass die obige Beschreibung davon ausgeht, dass die Formoptimierung mit einer größeren Form beginnt, die dann reduziert wird. In einigen Implementierungen kann die Formoptimierung mit einer kleineren Form (oder sogar einem leeren Volumen) beginnen und das Volumen der Form vergrößern, während die Topologie optimiert wird, und in solchen Fällen erfolgt das Ordnen 215 der Ziele in die entgegengesetzte Richtung. Darüber hinaus kann die Formoptimierung des generativen Designprozesses die Form im Zuge der Lösung der vorgegebenen Ziele sowohl reduzieren als auch vergrößern.
Der Solver für den generativen Designprozess kann beispielsweise eine Level-Set-Methode und ein Lösungsraster (eine Voxelauflösung, bei der jedes Voxel teilweise gefüllt werden kann) verwenden, die es ermöglicht, beim iterativen Optimieren der Topologie Material hinzuzufügen oder zu entfernen. Wenn ein bestimmter Bereich des aktuellen Entwurfs aufgrund der Spannungsverteilung zu schwach ist, kann dort zusätzliches Material hinzugefügt und in nachfolgenden Iterationen angebaut werden. In einigen Implementierungen ist das Massenänderungsverhältnis bei jeder Iteration auf relativ klein begrenzt, z. B. kleiner oder gleich 2 % der aktuellen Masse, und der Löser ist ein linearer Spannungslöser, was bedeutet, dass die Spannungsverteilungen durch die Belastungen und Einschränkungen hauptsächlich beeinflusst werden.
Weitere Details werden unten für eine Level-Set-Implementierung in Verbindung mit den Gleichungen 6-10 bereitgestellt, doch ist zu beachten, dass dieser Ansatz des Hinzufügens und Entfernens von Material beim iterativen Optimieren der Topologie nicht auf die Verwendung von Level-Set-Methoden beschränkt ist und auf andere generative Designmethoden angewendet werden kann. Für SIMP-, ESO- (Evolutionary Structural Optimization) oder SKI-(Soft-Kill-Option)-Verfahren kann beispielsweise ein ähnlicher Prozess basierend auf einer Sensitivitätsanalyse implementiert werden, wie Gleichung 8 für das Level-Set-Verfahren, wobei solche Verfahren im Wesentlichen versuchen, Material in Bereichen mit hoher Empfindlichkeit beizubehalten/zu verstärken und Materialien in Bereichen mit niedriger Empfindlichkeit zu reduzieren. Aufgrund dieser Fähigkeit, die Topologieformen sowohl zu vergrößern als auch zu verkleinern, muss die Reihenfolge der Ziele nicht perfekt sein, und selbst wenn die Reihenfolge falsch ist, erzeugt der generative Designprozess die mehreren Entwürfe immer noch schneller als ein herkömmlicher Ansatz; bei richtiger Reihenfolge sind die lokalen Umwege relativ klein/schnell und bei nicht perfekter Reihenfolge dauern die lokalen Umwege etwas länger, da der Startpunkt für den nächsten Entwurf nicht so nah wäre, wie das sonst für dieses Material und diesen Sicherheitsfaktor möglich wäre.
Ein erster 3D-Modellentwurf wird erzeugt 220, z. B. durch CAD-Programm(e) 116, aus dem Anfangsentwurf unter Verwendung eines oder mehrerer generativer Designprozesse und eines ersten Ziels der geordneten Ziele. Verschiedene Arten von generativen Designprozessen können verwendet werden, um wie oben erläutert eine generativ entworfene dreidimensionale Topologie des modellierten Objekts in Übereinstimmung mit den Designeingaben und den Werten für die ausgewählten Multi-Target-Variablen zu erzeugen. Zum Beispiel kann der generative Designprozess ein grenzbasierter generativer Designprozess sein, der eine Level-Set-Darstellung des aktuellen Entwurfs verwendet. Zur Topologieoptimierung können auch andere Geometrie- oder Makrostrukturtechniken sowie Material- oder Mikrostrukturtechniken verwendet werden.
Topologieoptimierung bezieht sich auf die optimale Verteilung eines Materials in einem gegebenen Designraum D c R^d(d = 2 oder 3) unter bestimmten angegebenen Randbedingungen und Einschränkungen. 4 zeigt eine verallgemeinerte Darstellung einer Arbeitsdomäne 400 zur Topologieoptimierung in einem generativen Designprozess. Der Schwerpunkt in der Beschreibung liegt hier auf Nachgiebigkeits-Minimierungsproblemen für linearisierte elastische Systeme. Das Ziel besteht darin, eine Form (oder Struktur) Ω ⊂ Dzu optimieren, damit die Nachgiebigkeit minimal ist. Die Nachgiebigkeit ist die durch die aufgebrachte Last geleistete Arbeit, die gegeben ist durch: $J (ϕ) = \int_{D} ƒ \cdot u d x + \int_{\partial D_{N}} g \cdot u d s = \int_{D} C (ϕ) ε (u) d x$
wobei / die Körperkraft ist, g die Flächenlasten darstellt, C(Φ) der effektive Elastizitätstensor ist, der von der Designfunktion abhängt Φ, ein Punkt ist, der das innere Produkt bezeichnet, und u das Verschiebungsfeld darstellt, das durch Lösen der folgenden Zustandsgleichungen erhalten wird: $\begin{matrix} - \nabla \cdot (C (ϕ) ε (u)) = ƒ & i n D \\ u = 0 & a u f \partial D_{D} \\ (C (ϕ) ε (u)) \cdot n = g auf \partial D_{N} \\ (C (ϕ) ε (u)) \cdot n = 0 auf \partial D_{0} \end{matrix}$
wobei ε die linearisierte Dehnung ist, ε(u) = ^½ (∇u + ∇u^T), ∂D ist die Domänengrenze ist, die aus drei disjunkten Komponenten besteht, D = _∂D_D ∪ ∂D_N ∪ ∂D₀. Hier entsprechen ∂D_D, ∂D_N und ∂D₀ den Dirichletschen Randbedingungen, Neumann-Randbedingungen bzw. freien Randbedingungen (g = 0); siehe 4).
Das Problem der Nachgiebigkeitsminimierung besteht darin, die steifste Konfiguration unter den aufgebrachten Lasten und Randbedingungen zu finden. Für Industrieanwendungen gilt eine Volumenbeschränkung: $V (ϕ) = \int_{D} ρ (ϕ) d x - V_{m a x}$
Und/oder Einschränkung des Sicherheitsfaktors (f_s ): $S (ϕ) = \int_{D} k (σ) ρ (ϕ) d x$
Zu dem Problem (1) unter Verwendung der Lagrange-Multiplikatormethode, um das folgende uneingeschränkte Optimierungsproblem zu erhalten: $inf_{ϕ} \bar{J} (ϕ) = J (ϕ) + λ_{V} V (ϕ) + λ_{S} S (ϕ)$
wobei p(ϕ) die Dichtefunktion, V_max der vorgeschriebene Volumenanteil, σ_s die Zugfestigkeit des Materials und $k (σ) = {\begin{matrix} \frac{σ s}{σ} - ƒ_{s} σ \geq σ_{s} / ƒ_{s} \\ 0 σ < σ_{s} / ƒ_{s} \end{matrix}$
der Spannungsfaktor ist und λ_v und λ_s positive Lagrange-Multiplikatoren sind.
Bei Level-Set-Verfahren wird als Designfunktion ϕ eine vorzeichenbehaftete Distanzfunktion verwendet, die wie folgt definiert ist: ${\begin{array}{l} ϕ = 0 \times \in \partial Ω \cap D, \\ ϕ = - A b s t a n d z u \partial Ω x \in Ω, \\ ϕ = A b s t a n d z u \partial Ω x \in (D \ (Ω \cup \partial Ω) \end{array}$
und die Topologie wird über eine fiktive Zeit unter Verwendung der Hamilton-Jacobi-Gleichung entwickelt: $\frac{\partial ϕ}{\partial t} + v | \nabla ϕ | = 0, \frac{\partial ϕ}{\partial n} = 0 a u f \partial D$
wobei n der Normalenvektor ist und die Advektionsgeschwindigkeit v aus der Formsensitivitätsanalyse erhalten wird.
Für Ziel (5) wird v wie folgt angegeben: $v = ε {(u)}^{T} C ε (u) - μ$
Die Lösung von System (7) ist ein Iterationsprozess. µ ist ein Parameter, der die Volumenänderung regelt. Um eine ausgewogene Konvergenzgeschwindigkeit und Ergebnisqualität zu erreichen, sollte die Volumenänderungsrate α für jede Iteration in einem kleinen Zahlenbereich (- β bis β ) geregelt werden. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen (3) und (4) kann µ ausgewertet werden durch: $μ = (\int_{\partial Ω} ε {(u)}^{T} C ε (u) d s - α \int_{D} ρ (ϕ) d x) / \int_{\partial Ω} d s$
$α = {\begin{matrix} β V (ϕ) + p S (ϕ) > β V_{Ω} \\ \frac{V (ϕ) + p S (ϕ)}{V_{Ω}} - β V_{Ω} ≦ V (ϕ) + p S (ϕ) ≦ β V_{Ω}, \\ - β V (ϕ) + p S (ϕ) < - β V_{Ω} \end{matrix}$
V_Ω = ∫_D p(ϕ) dx ist das Volumen der aktuellen Form, β ist eine kleine Zahl im Bereich von (0,01 bis 0,05), p ist eine große Zahl, um den Überbeanspruchungsbereich in der nächsten Form sehr klein zu machen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 können beginnend beim Anfangsentwurf, Ω₀, (z. B. eine konvexe Hülle von Schnittstellengeometrie-Befestigungspunkten und/oder von beibehaltenen Geometrien zum Aufbringen von Lasten und Anwenden von Beschränkungen oder einfach ein Materialblock oder ein Anfangs-/bestehender Entwurf, der von einem Benutzer bereitgestellt wird) die Designeingaben (z. B. der definierte Designraum, die angegebenen Einsatzbedingungen und Designanforderungen und/oder Designziele) durch Lösen der obigen Gleichung 2 verarbeitet werden 220, z. B. unter Verwendung der FEA, dann folgen Berechnen des vorzeichenbehafteten Distanzfelds (Gleichung 6 in D), Durchführen der Sensitivitätsanalyse für v (Gleichungen 8, 9 und 10), Aktualisieren des vorzeichenbehafteten Distanzfelds (Gleichung 7), Aktualisieren der neuen Form, Ω_i, mit dem Level-Set-Verfahren, dann Prüfung auf Konvergenz. Dieser Prozess wiederholt sich 220, bis Konvergenz erreicht ist und eine neue Ausgabeform Ω_i als optimale Lösung für das erste Ziel bereitgestellt wird.
Dieser optimierte erste Entwurf Ω_i ist ein computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen von mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie. Dieser erste Entwurf Ω_i oder ein Zwischenentwurf Ω_i-x, der vor dem Erreichen der Konvergenz erzeugt wurde, wird dann als nächster Ausgangspunkt für einen nächsten zu erstellenden 3D-Modellentwurf 225 verwendet, z. B. durch ein oder mehrere CAD-Programme 116, Verwenden des einen oder der mehreren generativen Designverfahren und eines nächsten Ziels der geordneten Ziele. Der Prozess 225 kann der gleiche Prozess wie der Prozess 220 sein, und somit können die gleichen Topologieoptimierungsverfahren wie oben beschrieben verwendet werden. In einigen Implementierungen wird der gleiche Prozeduraufruf rekursiv verwendet, und so können die Parameter der Multi-Target-Variablen (z. B. Material und Sicherheitsfaktor) einfach während des iterativen Prozesses geändert werden, während alle verbleibenden Designeingaben konstant gehalten werden.
Bei einer gegebenen Ausgangsgeometrie verfolgt der Algorithmus einen evolutionären Ansatz, um die beste Struktur zum Erfüllen der Zielvorgaben eines Ziels zu finden. Wenn mehrere Ziele erforderlich sind, besteht der Ansatz darin, der Evolution das Einschlagen von lokalisierten Umwegen zu gestatten, um ein Ziel auf dem Weg zum Zielort zu lösen. Bei dem oben beschriebenen Topologieoptimierungsprozess , wobei β so gesteuert wird, dass es klein genug (im Bereich von 0,01 bis 0,05) ist, sind einige wichtige Beobachtungen wie folgt:

(1) Die endgültige optimale Form wird durch die primären Designparameter bestimmt. Die Ausgangsform (im Verhältnis zum Designraum nicht zu klein) hat nur begrenzten Einfluss auf die Endform - ein guter Topologieoptimierungsprozess führt die Topologieentwicklung der Form zum Optimum (maximale Festigkeit/Steifigkeit) unter den Belastungen und Randbedingungen. Die Ausgangsform hat jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Anzahl der Iterationen, die zum Finden der optimalen Topologie und Form erforderlich sind.
(2) Für Strukturen unter Spannungsbelastungen folgt die Topologieentwicklung dem Weg des Entfernens von Materialien aus Bereichen mit geringer Belastung und gleichzeitigem Hinzufügen von Material zu den Bereichen hoher Belastung. Die optimale Form ist die Form mit der leichtesten Struktur und maximaler Steifigkeit (minimaler Maximalspannung) unter den gegebenen Belastungen und Einschränkungen. Bei den mehreren Designzielen beginnt eine zuverlässige Topologieentwicklung normalerweise mit einer großvolumigen Ausgangsform. Sie wird das Ziel mit Belastungen und Einschränkungen erreichen, die zuerst die niedrigste Maximalbelastung erfordern, und sich dann allmählich zu denjenigen entwickeln, die eine höhere Maximalbelastung erfordern. Basierend auf den konstitutiven Gesetzen technischer Materialien bedeutet dies, dass die Topologieentwicklung zuerst das Ziel mit dem größten Volumen erreicht und sich allmählich zu den leichteren Strukturen hinentwickelt.
(3) Bei Volumenreduktionszielen (beginnend mit einem bestehenden Entwurf) wird sich die Topologie von einem niedrigeren Volumenreduktionsziel zu höheren Volumenreduktionszielen hinentwickeln.

Basierend auf diesen Beobachtungen können wir die optimalen Ziele T_Ωj (f_s, V_max, M) ordnen, die V_Ωj>V_Ωj+1erfüllen, wobei f_s die Varianten des Sicherheitsfaktors, V_max die Varianten der Volumenreduzierung und M die Materialvarianten sind. V_Ωi, ist das Volumen des optimalen Entwurfs des j-ten optimalen Ziels. Basierend auf Beobachtung 2 oben haben wir $V_{Ω_{i}} (\frac{S_{M_{i}}}{f_{s_{i}}}) > V_{Ω_{j}} (\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}}) wenn \frac{S_{M_{i}}}{f_{s_{i}}} < \frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}},$
, wobei S_M die Materialstärke ist. Wenn es also beispielsweise zwei ausgewählte Materialien gibt, nämlich A36-Stahl aus S_M = 250MPa und Messing aus S_M = 135MPa, zusammen mit den drei ausgewählten Sicherheitsfaktoren 3,0, 2,0 und 1,5, dann gibt es insgesamt sechs Ziele, die wie folgt geordnet sind:

1. Messing mit Sicherheitsfaktor 3,0. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{135}{3} = 45;$
2. Messing mit Sicherheitsfaktor 2,0. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{135}{3} = 67,5;$
3 A36 Stahl mit Sicherheitsfaktor 3,0. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{250}{3} = 83,33;$
4. Messing mit Sicherheitsfaktor 1,5. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{135}{1,5} = 90;$
5. Stahl A36 mit Sicherheitsfaktor 2,0. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{250}{2} = 125;$
und
6. Stahl A36 mit Sicherheitsfaktor 1,5. $\frac{S_{M_{j}}}{f_{s_{j}}} = \frac{250}{1,5} = 166.667.$

5 zeigt ein Beispiel für einen generativen Designprozess mit einer Multi-Target-Suche. Es werden Eingaben empfangen 500, darunter der definierte Designraum, die angegebenen Einsatzbedingungen und Designanforderungen und/oder Designziele. Ein Anfangsentwurf Ω₀ wird erstellt 505, z. B. aus einer konvexen Hülle mit beibehaltenen Geometrien zum Anwenden von Lasten und Beschränkungen oder einem Anfangs/vorhandenen Entwurf, der von einem Benutzer oder einer anderen Partei bereitgestellt wird. Eine Zieliterationsvariable wird auf Null gesetzt und ein Anfangsziel T_Ωj gefunden 510. Gleichung 2 wird unter Verwendung von FEA gelöst 515. Das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird berechnet (Gleichung 6 in D ), die Sensitivitätsanalyse wird für v durchgeführt (Gleichungen 8, 9 und 10), das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird aktualisiert (Gleichung 7) und die neue Form Ω_i wird unter Verwendung der Level-Set-Methode 520 aktualisiert. Dann wird eine Prüfung auf Konvergenz zu T_Ωj durchgeführt 525. Dieser Prozess wiederholt sich 515, z. B. mit einem neuen rekursiven Prozeduraufruf, bis Konvergenz erreicht ist und eine neue Ausgabeform Ω_i als optimale Lösung für T_Ωj bereitgestellt wird 530. Dann wird bei 535 geprüft, ob alle optimalen Ziele gelöst wurden. Wenn nicht, wird j um eins erhöht, und ein nächstes Ziel T_Ωj wird gefunden 540, bevor sich der Prozess wiederholt 515, z. B. mit einem neuen rekursiven Prozeduraufruf.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird der Endpunkt (oder Fast-Endpunkt) der letzten Optimierungsiteration als Startpunkt für die nächste Optimierungsiteration gemäß den geordneten Zielen verwendet, z. B. weitere Materialreduktion in einer nächsten Iteration mit dem nächststärksten Material und/oder der nächstniedrigere Sicherheitsfaktor. Somit wird eine Überprüfung daraufhin durchgeführt 230, ob Ziele verblieben sind, der Prozess fährt mit einer nächsten Iteration 225 fort, solange ein zusätzliches Ziel übrigbleibt. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Ziele und somit die Anzahl der erzeugten Entwürfe von der Anzahl der ausgewählten Multi-Target-Variablen und den dafür angegebenen Werten abhängt.
Wenn es beispielsweise zwei Materialien und zwei Sicherheitsfaktoren gibt, werden vier Ziele und vier Entwürfe erstellt. Viele andere Anzahlen von Zielen sind möglich. Die Designeingaben können eine bis viele Lasten, eine bis viele Beschränkungen, eines bis viele Herstellungsverfahren usw. umfassen. Ebenso können die Designvariablen ein bis viele Materialien, einen bis viele Sicherheitsfaktoren und eine bis viele Zielvolumenreduktionen umfassen. Für jede Iteration des generativen Designprozesses werden die Designeingaben (z. B. Lasten, Randbedingungen und Herstellungsverfahren) konstant gehalten, während die Designvariablen (z. B. Material, Sicherheitsfaktor und Zielvolumen) von einer Iteration geändert werden zum nächsten.
Die Anzahl der Ziele kann gemäß (Sicherheitsfaktoren X Materialien + Volumen) definiert werden. Bei drei Sicherheitsfaktoren (z. B. 3, 2 und 1), drei Materialien (z. B. Aluminium, Stahl und Titan) und drei Volumenzielreduzierungen (z. B. 75 %, 85 % und 95 %), gibt es zwölf Ziele, und jedes Ziel kann eine endgültige Form sowie Zwischenformen erzeugen. Es ist zu beachten, dass das Volumenziel nicht auf Materialien reagiert, solange das Poisson-Verhältnis der Materialien nahe genug beieinander liegt. Viele technische Materialien (für Bauzwecke) haben ein ähnliches Poisson-Verhältnis.
Wenn jedoch der Unterschied der Poisson-Verhältnisse für die Materialien signifikant ist, kann ein neuer Prozess am Konvergenzpunkt eines Materials für jedes andere Material mit einem signifikanten Unterschied im Poisson-Verhältnis erzeugt werden. In diesem Fall können die Gesamtziele 3 (Sicherheitsfaktor) x 3 (Material) + 3 (Volumen) x 3 (Material) = 18 betragen. Darüber hinaus können zusätzliche Parameter von den festen Designparametern zu den Designparametern verschoben werden, die im iterativen Topologieoptimierungsprozess geändert werden, wie beispielsweise Herstellungsbeschränkungen. In diesem Fall sind das eine oder die mehreren zusätzlichen Parameterziele (z. B. Herstellungsbeschränkungen) ein Multiplikationsfaktor für die Anzahl der Ziele. Die Gesamtzahl der Ziele kann beispielsweise N-Beschränkungen X (N-Sicherheitsfaktor X N-Materialien + N-Volumen) für Materialien mit gleichem Poisson-Verhältnis oder N-Beschränkungen X (N-Sicherheitsfaktor X N-Materialien + N-Volumen X M-Materialien) für die Fälle von M verschiedenen Poisson-Verhältnissen betragen.
Außerdem kann wie oben angemerkt in jeder Zieliteration anstatt der Verwendung des Endpunkts der letzten Optimierungsiteration als Ausgangspunkt für die nächste Optimierungsiteration ein Fast-Endpunkt der letzten Optimierungsiteration als Ausgangspunkt verwendet werden. Zum Beispiel kann durch eine Überprüfung bestimmt werden, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel liegt, und wenn das der Fall ist, kann ein separater Prozess gestartet werden, um den aktuellen Entwurf als Ausgangspunkt für das nächste Ziel zu verwenden, obwohl im Entwurf keine Konvergenz für das aktuelle Ziel erreicht wurde. Beispielsweise kann in einer Cloud-Computing-Implementierung ein neuer Prozess erzeugt werden, der in dem/den Cloud-Computer(n) ausgeführt wird, um jedes Ziel zu Ende zu führen, sobald sich die neue Form Ω_i dem Ziel T_Ωj nähert.
6 zeigt ein weiteres Beispiel für einen generativen Designprozess mit einer Multi-Target-Suche. Es werden Eingaben empfangen 600, darunter der definierte Designraum, die angegebenen Einsatzbedingungen und Designanforderungen und/oder Designziele. Ein Anfangsentwurf Ω₀ wird erstellt 605, z. B. aus einer konvexen Hülle mit beibehaltenen Geometrien zum Anwenden von Lasten und Beschränkungen oder einem Anfangs/vorhandenen Entwurf, der von einem Benutzer oder einer anderen Partei bereitgestellt wird. Eine Zieliterationsvariable wird auf Null gesetzt und ein Anfangsziel T_Ωj gefunden 610. Gleichung 2 wird unter Verwendung von FEA gelöst 615. Das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird berechnet (Gleichung 6 in D ), die Sensitivitätsanalyse wird für v durchgeführt (Gleichungen 8, 9 und 10), das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird aktualisiert (Gleichung 7) und die neue Form Ω_i wird unter Verwendung der Level-Set-Methode 620 aktualisiert. Dann wird durch eine Überprüfung bestimmt, ob die Form Ω_i nahe der Konvergenz zu T_Ωj ist 625. Wenn nicht, wiederholt 615 der Prozess, z. B. mit einem neuen rekursiven Prozeduraufruf, bis die Prüfung 625 erfüllt ist.
Es ist zu beachten, dass „Nähe“ in diesem Zusammenhang ein Konvergenzkriterium ist. Somit kann diese Prüfung die Überprüfung der Nachgiebigkeitsschwankung, des Sicherheitsfaktors und der Volumenreduktion beinhalten, und das Ziel kann als erreicht angesehen werden, wenn sämtliche der folgenden Kriterien erfüllt sind: (1) die Nachgiebigkeitsschwankung < ein kleiner Prozentsatz (z. B. 5 %, weniger als 3 % oder weniger als 1 %); (2) für Zielsicherheitsfaktoren (Sicherheitsfaktor - Zielsicherheitsfaktor) / Zielsicherheitsfaktor < ein kleiner Prozentsatz (z. B. weniger als 5 %, weniger als 3 % oder weniger als 1 % ); und (3) bei Zielen von Volumenreduktionen (Volumenreduktion - Zielvolumenreduktion) / Zielvolumenreduktion < ein kleiner Prozentsatz (z. B. weniger als 5 %, weniger als 3 % oder weniger als 1 %).
Sobald die Form Ω_i nahe der Konvergenz zu T_Ωj ist, wird ein neuer Prozess erzeugt 630, um die Verarbeitung der Zwischenform Ω_i fortzusetzen, um eine endgültige Form Ω_k für den nun festen Wert von j zu finden. Gleichung 2 wird unter Verwendung von FEA gelöst 635. Das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird berechnet (Gleichung 6 in D ), die Sensitivitätsanalyse wird für v durchgeführt (Gleichungen 8, 9 und 10), das vorzeichenbehaftete Distanzfeld wird aktualisiert (Gleichung 7) und die neue Form Ω_k wird unter Verwendung der Level-Set-Methode 640 aktualisiert. Dann wird eine Prüfung auf Konvergenz zu Tn durchgeführt 645. Dieser Prozess wiederholt sich 635, z. B. mit einem neuen rekursiven Prozeduraufruf, bis Konvergenz erreicht ist und eine neue Ausgabeform Ω_k als optimale Lösung für T_Ω bereitgestellt wird 650. Außerdem wird bei 655 (im ursprünglichen Prozess) geprüft, ob alle optimalen Ziele gelöst wurden. Wenn nicht, wird j um eins erhöht und ein nächstes Ziel, T_Ωj wird gefunden 660, bevor der Prozess wiederholt wird 615, z. B. mit einem neuen rekursiven Prozeduraufruf unter Verwendung der Zwischenform Ω_i, die bei 625 statt der endgültigen Form Ω_k, die bei 645 als Ausgangspunkt für die nächste Iteration erzeugt wird.
Es ist zu beachten, dass der Grund für die Verwendung eines Zwischenentwurfs als Ausgangspunkt für die nächste Iteration anstelle des endgültigen Entwurfs die Spannungsverteilungs- und Auflösungsberechnungen betrifft. Wenn die endgültige Auflösung für einen endgültigen Entwurf erreicht ist, sollte das Netz für den Entwurf verfeinert werden. Aufgrund des Poisson-Verhältnisses (z. B. verschiedener Materialien) und der Tatsache, dass die Maschendichte zunimmt, je näher der Prozess der Konvergenz ist, dauert der Prozess länger, je weiter er in Richtung Konvergenz geht. Daher ist vorzuziehen, bei einer Prozessinitiierung mit einem anderen Material und/oder einem anderen Sicherheitsfaktor auf die Verwendung eines groben Auflösungsrasters zurückzugreifen, um den Prozess insgesamt zu beschleunigen. Es ist zu beachten, dass die Netzverfeinerung ein Kostengenauigkeitsproblem darstellt und ein Netzverfeinerungsschema verwendet werden kann, um die Anzahl der Elemente in der reduzierenden Domäne nicht kleiner als eine gegebene Zahl zu halten. Es können auch andere Netzverfeinerungsschemata verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 werden unabhängig von den Details, wie die verschiedenen Ziele gelöst werden, um die entsprechenden 3D-Modellentwürfe zu erzeugen, die zwei oder mehr 3D-Modellentwürfe, die durch die generativen Designprozesse erzeugt wurden, zur Anwendungsbewertung bei der Herstellung der physischen Struktur bereitgestellt. Zum Beispiel kann jeder der zwei oder mehr (mehreren) Entwürfe auf einer Anzeigevorrichtung, z. B. der Anzeigevorrichtung 120, zur Überprüfung durch einen Benutzer, z. B. Benutzer 190, dargestellt werden 235. Die Auswahl durch den Benutzer von mindestens einem der verschiedenen Entwürfe für das zu bauende modellierte Objekt kann empfangen werden 240. Der eine oder die mehreren ausgewählten Entwürfe kann/können dann verarbeitet, gespeichert oder an einen anderen Computer zur Verarbeitung beim Erzeugen von Anweisungen zum Herstellen der durch das generativ entworfene Objekt modellierten physischen Struktur gesendet werden.
Beispielsweise können Anweisungen für ein Fertigungssystem generiert werden 245. Das Fertigungssystem kann wie oben beschrieben ein AM-System und/oder ein SM-System sein, und das Generieren 245 kann das Generieren von CNC-Anweisungen, z. B. Werkzeugwegspezifikationen, für das AM-System und/oder das SM-System gemäß mit dem ausgewählten Design. Die generierten Anweisungen können zur Verwendung im Fertigungssystem ausgegeben 250 werden, um die physische Struktur des modellierten Objekts aufzubauen. Darüber hinaus kann die physische Struktur des modellierten Objekts unter Verwendung der generierten Anweisungen aufgebaut 255 werden.
7 ist eine Prinzipdarstellung eines Datenverarbeitungssystems mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung 700, die als Client oder als Server programmiert werden kann, um die beschriebenen Systeme und Techniken zu implementieren. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 700 ist über ein Netzwerk 780 mit einem oder mehreren Computern 790 verbunden. Während in 7 nur ein Computer dargestellt ist, können mehrere Computer als Datenverarbeitungsvorrichtung 700 verwendet werden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 700 umfasst verschiedene Softwaremodule, die zwischen einer Anwendungsschicht und einem Betriebssystem verteilt sein können. Diese können ausführbare und/oder interpretierbare Softwareprogramme oder Bibliotheken umfassen, einschließlich Tools und Dienste eines oder mehrerer 3D-Modellierungsprogramme 704 , die die oben beschriebenen Systeme und Techniken implementieren. Somit kann/können das/die 3D-Modellierungsprogramm(e) 704 CAD-Programm(e) 704 sein und eine Multi-Target-Lösung für einen oder mehrere generative Designprozesse umfassen, die FEA und möglicherweise andere physikalische Simulationsverfahren verwenden. Ferner können das/die Programm(e) 704 auch Fertigungssteuerungsoperationen implementieren (z. B. Erzeugen und/oder Anwenden von Werkzeugwegspezifikationen, um die Fertigung von entworfenen Objekten zu bewirken). Die Anzahl der verwendeten Softwaremodule kann von einer Implementierung zur anderen variieren. Darüber hinaus können die Softwaremodule auf einem oder mehreren Datenverarbeitungsgeräten verteilt sein, die durch ein oder mehrere Computernetzwerke oder andere geeignete Kommunikationsnetzwerke verbunden sind.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 700 umfasst auch Hardware- oder Firmwarevorrichtungen, die einen oder mehrere Prozessoren 712, eine oder mehrere zusätzliche Vorrichtungen 714, ein computerlesbares Medium 716, eine Kommunikationsschnittstelle 718 und eine oder mehrere Benutzeroberflächenvorrichtungen 720 umfassen. Jeder Prozessor 712 ist in der Lage, Anweisungen zur Ausführung innerhalb der Datenverarbeitungsvorrichtung 700 zu verarbeiten. In einigen Implementierungen ist der Prozessor 712 ein Single- oder Multithread-Prozessor. Jeder Prozessor 712 ist in der Lage, Anweisungen zu verarbeiten, die auf dem computerlesbaren Medium 716 oder auf einer Speichervorrichtung, wie etwa einer der zusätzlichen Vorrichtungen 714, gespeichert sind. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 700 verwendet die Kommunikationsschnittstelle 718, um beispielsweise über das Netzwerk 780 mit einem oder mehreren Computern 790 zu kommunizieren. Beispiele von Benutzerschnittstellengeräten 720 umfassen ein Display, eine Kamera, einen Lautsprecher, ein Mikrofon, ein taktiles Feedbackgerät, eine Tastatur, eine Maus und VR- und/oder AR-Geräte. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 700 kann Anweisungen speichern, die Operationen im Zusammenhang mit dem/den oben beschriebenen Programm(en) implementieren, zum Beispiel auf dem computerlesbaren Medium 716 oder einem oder mehreren zusätzlichen Geräten 714, zum Beispiel einem Festplattengerät und/oder einem optischen Plattengerät und/oder einem Bandgerät und/oder einem Festkörperspeichergerät.
Ausführungsformen des Gegenstands und der in diesem Dokument beschriebenen funktionalen Operationen können in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computer-Software, Firmware oder Hardware implementiert sein, einschließlich der in diesem Dokument und ihren strukturellen Äquivalenten offenbarten Strukturen oder in Kombinationen einer oder mehrerer von ihnen. Ausführungsformen des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können mit einem oder mehreren Modul(en) von Computerprogrammanweisungen, codiert auf einem Computerspeichermedium zum Durchführen durch oder für die Kontrolle des Betriebs einer Datenverarbeitungsvorrichtung implementiert sein. Das computerlesbare Medium kann ein gefertigtes Produkt sein, wie beispielsweise eine Festplatte in einem Computersystem oder eine optische Platte, die über Einzelhandelskanäle verkauft wird, oder ein eingebettetes System. Das computerlesbare Medium kann separat erworben und später mit dem einen oder den mehreren Modulen von Computerprogrammanweisungen codiert werden, z. B. nach der Lieferung des einen oder der mehreren Module von Computerprogrammanweisungen über ein drahtgebundenes oder drahtloses Netzwerk. Das computerlesbare Medium kann ein maschinenlesbares Speichergerät, ein maschinenlesbares Speichersubstrat, ein Speichergerät oder eine Kombination von einem oder mehreren davon sein.
Die Bezeichnung „Datenverarbeitungsvorrichtung“ umfasst alle Arten von Vorrichtungen, Geräten und Maschinen für die Verarbeitung von Daten, darunter zum Beispiel einen programmierbaren Prozessor, einen Computer oder mehrere Prozessoren oder Computer. Die Vorrichtung kann zusätzlich zu Hardware Code umfassen, der eine Ausführungsumgebung für das jeweilige Computerprogramm erzeugt, zum Beispiel Code, der Prozessor-Firmware, einen Protokollstapel, ein Datenbankverwaltungssystem, ein Betriebssystem, eine plattformübergreifende Laufzeitumgebung, eine virtuelle Maschine oder eine Kombination aus einer oder mehreren davon darstellt. Die Vorrichtung kann außerdem verschiedene Rechenmodellinfrastrukturen umsetzen, wie Web-Dienste, verteiltes Rechnen und Grid-Computing-Infrastrukturen.
Ein Computerprogramm (auch bekannt als Programm, Software, Softwareanwendung, Skript oder Code) kann in jeder geeigneten Form von Programmiersprache geschrieben sein, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, deklarativer oder prozeduraler Sprachen, und es kann in jeder geeigneten Form eingesetzt werden, darunter als eigenständiges Programm oder als Modul, Komponente, Unterprogramm oder sonstige Einheit, die zur Verwendung in einer Computerumgebung geeignet ist. Ein Computerprogramm entspricht nicht unbedingt einer Datei in einem Dateisystem. Ein Programm kann in einem Teil einer Datei gespeichert werden, der andere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere Skripte, die in einem Markup-Language-Dokument gespeichert sind), in einer einzelnen Datei, die dem jeweiligen Programm zugeordnet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, die ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Codeteile speichern). Ein Computerprogramm kann eingesetzt werden, um auf einem Computer oder auf mehreren Computern ausgeführt zu werden, die sich an einem Standort befinden oder über mehrere Standorte verteilt und durch ein Kommunikationsnetzwerk miteinander verbunden sind.
Die in diesem Dokument beschriebenen Prozesse und logischen Abläufe können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren ausgeführt werden, die ein oder mehrere Computerprogramme ausführen, um Funktionen durch Bearbeiten von Eingabedaten und Erzeugen von Ausgaben auszuführen. Die Prozesse und logischen Abläufe können auch durch Sonderlogikschaltungen ausgeführt werden bzw. die Vorrichtung als solche implementiert sein, zum Beispiel FPGA (feldprogrammierbares Gate-Array) oder ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung).
Prozessoren, die für die Ausführung eines Computerprogramms geeignet sind, umfassen beispielsweise sowohl Allzweck- als auch Spezial-Mikroprozessoren und einen oder mehrere Prozessoren jeder Art von Digitalcomputer. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten von einem Nur-Lese-Speicher oder einem Direktzugriffsspeicher oder beiden. Die wesentlichen Elemente eines Computers sind ein Prozessor zum Ausführen von Anweisungen und eine oder mehrere Speichervorrichtungen zum Speichern von Anweisungen und Daten. Im Allgemeinen umfasst ein Computer auch eine oder mehrere Massenspeichervorrichtungen zum Speichern von Daten, z. B. magnetische, magnetooptische Platten oder optische Platten, oder ist entsprechend wirkgekoppelt, um Daten zu empfangen oder zu übertragen oder beides. Ein Computer muss jedoch nicht über solche Geräte verfügen. Darüber hinaus kann ein Computer in ein anderes Gerät eingebettet werden, z. B. in ein Mobiltelefon, einen Personal Digital Assistant (PDA), einen mobilen Audio- oder Videoplayer, eine Spielkonsole, ein Global Positioning System (GPS)-Empfänger oder ein tragbares Speichergerät (z. B. ein USB-Flash-Laufwerk mit universellem seriellem Bus), um nur einige zu nennen. Zum Speichern von Computerprogrammanweisungen und Daten geeignete Geräte umfassen alle Formen von nichtflüchtigen Speichern, Medien und Speichervorrichtungen, darunter Halbleiterspeichervorrichtungen wie löschbarer programmierbarer Lesespeicher (Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Lesespeicher (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM) und Flash-Speichervorrichtungen; Magnetplatten wie interne Festplatten und Wechselfestplatten; magnetooptische Disks; und CD-ROM- und DVD-ROM-Disks. Prozessor und Speicher können durch Sonderlogikschaltungen ergänzt oder in diese eingebaut werden.
Um eine Interaktion mit einem Benutzer zu ermöglichen, können Ausführungsformen des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands auf einem Computer mit einer Anzeigevorrichtung implementiert werden, z. B. einer LCD-(Flüssigkristallanzeige)-Anzeigevorrichtung, einer OLED-(organische Leuchtdioden)-Anzeigevorrichtung, oder einen anderen Monitor, um dem Benutzer Informationen anzuzeigen, und eine Tastatur und ein Zeigegerät, z. B. eine Maus oder ein Trackball, durch die der Benutzer Eingaben in den Computer bereitstellen kann. Es können auch andere Arten von Geräten verwendet werden, um eine Interaktion mit einem Benutzer zu ermöglichen; zum Beispiel kann das dem Benutzer bereitgestellte Feedback jede geeignete Form von sensorischem Feedback sein, z. B. visuelles Feedback, auditives Feedback oder taktiles Feedback; und Eingaben vom Benutzer können in jeder geeigneten Form entgegengenommen werden, einschließlich akustischer, sprachlicher oder taktiler Eingaben.
Das Computersystem kann Clients und Server umfassen. Ein Client und ein Server sind im Allgemeinen voneinander entfernt und interagieren normalerweise über ein Kommunikationsnetzwerk. Die Beziehung von Client und Server entsteht dadurch, dass Computerprogramme auf den jeweiligen Computern laufen und eine Client-Server-Beziehung zueinander haben. Ausführungsformen des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands können in einem Computersystem implementiert werden, das eine Back-End-Komponente umfasst, z. B. als Datenserver, oder das eine Middleware-Komponente umfasst, z. B. einen Anwendungsserver, oder das eine Front- End-Komponente umfasst, z. B. ein Client-Computer mit einer grafischen Benutzeroberfläche oder einer Browser-Benutzeroberfläche, über die ein Benutzer mit einer Implementierung des in diesem Dokument beschriebenen Gegenstands interagieren kann, oder eine beliebige Kombination aus einer oder mehreren solcher Back-End-Middleware, oder Frontend-Komponenten. Die Komponenten des Systems können durch jede geeignete Form oder jedes geeignete Medium der digitalen Datenkommunikation, z. B. ein Kommunikationsnetzwerk, miteinander verbunden sein. Beispiele für Kommunikationsnetze umfassen ein lokales Netz („LAN“) und ein Weitverkehrsnetz („WAN“), ein Inter-Netz (z. B. das Internet) und Peer-to-Peer-Netze (z. B. Ad-hoc-Peer-zu Peer-Netzwerke).
Obwohl diese Beschreibung viele Implementierungsdetails enthält, sollten diese nicht als Beschränkungen des Umfangs dessen, was beansprucht wird oder beansprucht werden kann, sondern eher als Beschreibungen von Merkmalen ausgelegt werden, die für bestimmte Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in diesem Dokument im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, auch in unterschiedlicher Weise separat oder in beliebiger geeigneter Kombination implementiert werden. Obwohl ferner Merkmale vorstehend als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben sein mögen, können in einigen Fällen ein oder mehrere Merkmale einer Kombination aus dieser Kombination herausgelöst werden, und die Kombination kann auf eine untergeordnete Kombination oder eine Abwandlung einer untergeordneten Kombination gerichtet sein.
Auch wenn die Operationen in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, sollte dies nicht so verstanden werden, dass diese Operationen in der bestimmten gezeigten Reihenfolge oder in sequentieller Reihenfolge oder dass alle veranschaulichten Operationen ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Darüber hinaus sollte die Trennung verschiedener Systemkomponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht so verstanden werden, dass sie eine solche Trennung in allen Ausführungsformen erfordert, und es versteht sich, dass die beschriebenen Programmkomponenten und Systeme im Allgemeinen zusammen in einem einzigen Softwareprodukt integriert oder in mehrere Softwareprodukte gepackt werden können.
Somit wurden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Andere Ausführungsformen liegen im Umfang der folgenden Ansprüche. Darüber hinaus können die in den Ansprüchen genannten Handlungen in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und dennoch wünschenswerte Ergebnisse erzielen.

Claims

Verfahren, umfassend: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, mindestens einer Materialspezifikation, aus der die physische Struktur gebaut wird, und zweier oder mehrerer Sicherheitsfaktoren durch ein computergestütztes Designprogramm; Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, der mindestens einen Materialspezifikation, der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit einem ersten Ziel umfasst, das durch einen ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs einschließlich eines zweiten computergestützten Designmodells einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß einem zweiten Ziel, das durch einen zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist; und Bereitstellen sowohl des ersten Entwurfs als auch des zweiten Entwurfs des modellierten Objekts durch das computergestützte Designprogramm, zur Anwendungsbewertung bei der Herstellung der physischen Struktur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten das Erhalten zweier oder mehrerer Spezifikationen unterschiedlicher Materialien umfasst, und das Herstellen das Erzeugen von mindestens vier unterschiedlichen Entwürfen gemäß zumindest vier unterschiedlichen Zielen umfasst, wobei: die zumindest vier unterschiedlichen Entwürfe den ersten Entwurf, den zweiten Entwurf, einen dritten Entwurf und einen vierten Entwurf umfassen, die mindestens vier verschiedenen Ziele das erste Ziel, das zweite Ziel, ein drittes Ziel und ein viertes Ziel umfassen, der erste Entwurf aus dem Anfangsentwurf in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel erzeugt wird, das durch den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und eine erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, der zweite Entwurf aus dem ersten Entwurf oder dem Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem zweiten Ziel erzeugt wird, das durch den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, der dritte Entwurf aus dem zweiten Entwurf oder einem zweiten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem dritten Ziel erzeugt wird, das durch den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und eine zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, und der vierte Entwurf aus dem dritten Entwurf oder einem dritten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem vierten Ziel erzeugt wird, das durch den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist; und wobei das Verfahren das Ordnen der Ziele in den mindestens vier verschiedenen bei der Herstellung verwendeten Zielen gemäß Kombinationen von Werten der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anzahl der Ziele größer als vier ist und eine Anzahl der Ziele durch eine Anzahl der verschiedenen Materialien mal eine Anzahl von Sicherheitsfaktoren plus einem Zielvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mit Ausnahme des ersten Entwurfs jeder Entwurf von den mindestens vier verschiedenen Entwürfen aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert wird, der während der Herstellung erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Herstellen umfasst: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf der mindestens vier verschiedenen Entwürfe für ein aktuelles Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Entwurfsprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb des Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Entwurfsprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele bewirkten generativen Entwurfsprozesses, während weitere Ziele verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der generative Designprozess ein grenzbasierter generativer Designprozess ist, der eine Level-Set-Darstellung des aktuellen Entwurfs verwendet.
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend das Herstellen des Anfangsentwurfs aus einer oder mehreren vordefinierten Geometrien, die für das modellierte Objekt identifiziert wurden, wobei die eine oder die mehreren vordefinierten Geometrien mit dem mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt verknüpft sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bereitstellen umfasst: Darstellen jedes der mindestens vier verschiedenen Entwürfe auf einer Anzeigevorrichtung; Empfangen einer Auswahl von mindestens einem der mindestens vier verschiedenen Entwürfe; Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf; und Ausgeben der CNC-Anweisungen zum Aufbauen der physischen Struktur unter Verwendung des additiven Fertigungssystems oder des subtraktiven Fertigungssystems.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium, das ein computergestütztes Designprogramm codiert, das eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen zum Durchführen von Operationen veranlassen kann, umfassend: Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, mindestens eines Sicherheitsfaktors und zwei oder mehrere Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, aus denen die physische Struktur gebaut wird, durch ein computergestütztes Designprogramm; Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, der mindestens einen Sicherheitsfaktor, den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit einem ersten Ziel umfasst, das durch eine erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs umfassend ein zweites computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß einem zweiten Ziel, das durch eine zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert ist; und Bereitstellen sowohl des ersten Entwurfs als auch des zweiten Entwurfs des modellierten Objekts durch das computergestützte Designprogramm zur Anwendungsbewertung bei der Herstellung der physischen Struktur.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 9, wobei das Erhalten das Erhalten zweier oder mehrerer Sicherheitsfaktoren umfasst, und das Herstellen das Erzeugen von mindestens vier unterschiedlichen Entwürfen gemäß zumindest vier unterschiedlichen Zielen umfasst, wobei: die zumindest vier unterschiedlichen Entwürfe den ersten Entwurf, den zweiten Entwurf, einen dritten Entwurf und einen vierten Entwurf umfassen, die mindestens vier verschiedenen Ziele das erste Ziel, das zweite Ziel, ein drittes Ziel und ein viertes Ziel umfassen, der erste Entwurf aus dem Anfangsentwurf in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel erzeugt wird, das durch die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einen ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, der zweite Entwurf aus dem ersten Entwurf oder dem Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem zweiten Ziel erzeugt wird, das durch die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und den ersten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, der dritte Entwurf aus dem zweiten Entwurf oder einem zweiten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem dritten Ziel erzeugt wird, das durch die erste der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und einen zweite der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist, und der vierte Entwurf aus dem dritten Entwurf oder einem dritten Zwischenentwurf in Übereinstimmung mit dem vierten Ziel erzeugt wird, das durch die zweite der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und den zweiten der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren definiert ist; und wobei das Verfahren das Ordnen der Ziele in den mindestens vier verschiedenen bei der Herstellung verwendeten Zielen gemäß Kombinationen von Werten der zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien und der zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren umfasst.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 10, wobei die Anzahl der Ziele größer als vier ist und eine Anzahl der Ziele durch eine Anzahl der verschiedenen Materialien mal eine Anzahl von Sicherheitsfaktoren plus einem Zielvolumen bestimmt wird.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 10, wobei mit Ausnahme des ersten Entwurfs jeder Entwurf von den mindestens vier verschiedenen Entwürfen aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert wird, der während der Herstellung erzeugt wurde.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei das Herstellen umfasst: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf der mindestens vier verschiedenen Entwürfe für ein aktuelles Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Entwurfsprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb des Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Entwurfsprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel der mindestens vier verschiedenen Ziele bewirkten generativen Entwurfsprozesses, während weitere Ziele verbleiben.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei der generative Designprozess ein grenzbasierter generativer Designprozess ist, der eine Level-Set-Darstellung des aktuellen Entwurfs verwendet.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei die Operationen das Herstellen des Anfangsentwurfs aus einer oder mehreren vordefinierten Geometrien umfassen, die für das modellierte Objekt identifiziert wurden, wobei die eine oder die mehreren vordefinierten Geometrien mit dem mindestens einen Einsatz-Lastfall für das modellierte Objekt verknüpft sind.
Nichttransitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen umfasst: Darstellen jedes der mindestens vier verschiedenen Entwürfe auf einer Anzeigevorrichtung; Empfangen einer Auswahl von mindestens einem der mindestens vier verschiedenen Entwürfe; Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf; und Ausgeben der CNC-Anweisungen zum Aufbauen der physischen Struktur unter Verwendung des additiven Fertigungssystems oder des subtraktiven Fertigungssystems.
System, aufweisend: ein oder mehrere nichtflüchtige computerlesbare Medien, auf denen ein computergestütztes Designprogramm gespeichert ist; und eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen, die dazu konfiguriert sind, die Anweisungen des computergestützten Designprogramms zum Ausführen von Operationen auszuführen, umfassend Erhalten eines Designraums für ein modelliertes Objekt, für das eine entsprechende physische Struktur hergestellt wird, von Designkriterien für das modellierte Objekt, mindestens eines Einsatz-Lastfalls für das modellierte Objekt, von zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, aus denen die physische Struktur gebaut wird, und von zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren, Anordnen von Zielen, darunter eines ersten Ziels, eines zweiten Ziels und von zusätzlichen Zielen, die in Übereinstimmung mit den zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien definiert sind, Herstellen mindestens einer generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie des modellierten Objekts gemäß den Designkriterien, dem mindestens einen Einsatz-Lastfall, den zwei oder mehreren Spezifikationen unterschiedlicher Materialien, den zwei oder mehreren Sicherheitsfaktoren und einem Anfangsentwurf innerhalb des Designraums für das modellierte Objekt durch das computergestützte Designprogramm, wobei das Herstellen ausgehend von dem Anfangsentwurf das Erzeugen eines ersten Entwurfs umfasst, der ein erstes computergestütztes Designmodell einer oder mehrerer erster äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit dem ersten Ziel umfasst, und ausgehend von dem ersten Entwurf oder einem Zwischenentwurf, der zwischen dem Anfangsentwurf und dem ersten Entwurf erzeugt wurde, Erzeugen eines zweiten Entwurfs einschließlich eines zweiten computergestützten Designmodells einer oder mehrerer zweiter äußerer Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie gemäß dem zweiten Ziel, und ausgehend von einem letzten Entwurf oder einem vor dem letzten Entwurf erhaltenen Zwischenentwurf iteratives Erzeugen zusätzlicher Entwürfe, die zusätzliche computergestützte Designmodelle von äußeren Formen der mindestens einen generativ entworfenen dreidimensionalen Topologie in Übereinstimmung mit den zusätzlichen Zielen umfasst, und Bereitstellen von mindestens einem der erzeugten Entwürfe des modellierten Objekts zur Verwendung beim Herstellen der physischen Struktur.
System nach Anspruch 17, wobei mit Ausnahme des ersten Entwurfs jeder erzeugte Entwurf aus einem entsprechenden Zwischenentwurf generiert wird, der während der Herstellung erzeugt wurde.
System nach Anspruch 18, wobei das Herstellen umfasst: Überprüfen eines durch das Herstellen bewirkten generativen Designprozesses in jeder von mehreren Iterationen daraufhin, ob ein aktueller Entwurf innerhalb eines Grenzwertabstands der Konvergenz zu einem endgültigen Entwurf für ein aktuelles Ziel liegt; Fortsetzen der iterativen Modifikation des aktuellen Entwurfs hin zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel im generativen Entwurfsprozess, wenn der aktuelle Entwurf nicht innerhalb der Grenzwertabstands liegt; Auslösen eines separaten Prozesses, wenn der aktuelle Entwurf innerhalb des Grenzwertabstands liegt, wobei der durch das Herstellen bewirkte generative Entwurfsprozess in dem separaten Prozess fortgesetzt wird, bis eine Konvergenz zum endgültigen Entwurf für das aktuelle Ziel erreicht ist; und Initiieren des durch das Produzieren für ein nächstes Ziel bewirkten generativen Entwurfsprozesses, während weitere Ziele verbleiben.
System nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen das Speichern eines ausgewählten Entwurfs der erzeugten Entwürfe in einer permanenten Speichervorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung der physischen Struktur oder das Erzeugen von CNC-Anweisungen für ein additives Fertigungssystem oder ein subtraktives Fertigungssystem gemäß dem ausgewählten Entwurf umfasst.
System nach Anspruch 20, umfassend das additive Fertigungssystem oder das subtraktive Fertigungssystem, wobei die Operationen ferner das Herstellen der physischen Struktur mit dem additiven Fertigungssystem oder dem subtraktiven Fertigungssystem unter Verwendung der CNC-Anweisungen umfassen.