เป็น 1 ในหัวข้อการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ได้รับความสนใจอย่างมากในปี 2019 เนื่องจากหลายค่าย หลายโปรแกรม พร้อมสำหรับการใช้งาน หรือแม้กระทั่งรางวัลดีเด่นด้านอุตสาหกรรมก็ยังมอบให้กับบริษัทที่พัฒนาโมดูลของส่วนนี้ นั้นคือ Generative Design นั่นเอง (“3D Software of the year: Autodesk Netfabb” )
การออกแบบในสมัยก่อนจนถึงปัจจุบัน มีข้อจำกัดหลายอย่าง ที่ไม่สามารถผลิตได้ตามที่ต้องการ เช่น ชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน Undercut โครงถัก ภายในกลวง หรือแม้กระทั่งงานก่อสร้างขนาดใหญ่ ดังนั้นการเข้ามาของเทคโนโลยีการผลิตสมัยใหม่ไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) ความรู้ด้านวัสดุสมัยใหม่ (advance materials) ดังนั้นการปรับปรุงองค์ความรู้ในการออกแบบผลิตจากเดิม จึงเป็นการพัฒนาไปอีกขั้นหนึ่ง ไม่เฉพาะชิ้นส่วนผลิตภัณฑ์ในอุตสาหกรรม แต่รวมไปถึงงานทางสถาปัตยกรรม การก่อสร้าง หรืองานศิลปะอีกด้วย
สำหรับนิยามของคำว่า Generative Design ของผู้เขียนคือ “การปรับปรุงข้อมูลเดิมหรือคิดค้นใหม่ โดยมีเป้าหมาย (Goal) ที่ชัดเจนผ่านการวิเคราะห์ทางตัวเลข” ถ้าพูดรวมๆจะดูกว้างจนไม่เข้าใจว่าคือศาสตร์อะไร ? แต่ในเชิงการผลิตชิ้นส่วนจะเข้าใจได้ง่าย เช่น
ตัวอย่างที่ 1 ปรับปรุงแบบของชิ้นส่วน A เพื่อให้มีน้ำหนักลดลง 50% โดยที่ยังสามารถใช้งานได้ตามปกติ
ตัวอย่างที่ 2 ออกแบบชิ้นส่วน B เพื่อให้สามารถรับแรงกดได้มากขึ้น 20% โดยใช้เนื้อวัสดุเท่าเดิม
กรณีตัวอย่างปัจจุบันมีคอมพิวเตอร์ช่วยวิเคราะห์ทางวิศวกรรม (Computer Aided Engineering, CAE) ในการทำงานดังกล่าว ทำให้ผู้ใช้ไม่ต้องเสียเวลาในการคำนวนที่ซับซ้อน
ชิ้นส่วนปกติที่ใช้งาน
ที่มา: Autodek Fusion 360 sample model
ชิ้นส่วนที่ผ่านขั้นตอน Generative design
ที่มา: Autodek Fusion 360 sample model
ที่มา: https://twitter.com/eric_cadplm/status/892764669739507712
น้ำหนักของชิ้นงาน
น้ำหนักของชิ้นงาน
รูปร่างที่ซับซ้อน
รูปร่างที่ซับซ้อน
ทำได้ทันที
ทำได้ทันที
สำหรับชิ้นส่วทางอุตสาหกรรมที่ใช้โปรแกรมช่วยในการออกแบบ (Computer Aided Design, CAD) อยู่แล้ว หลายๆโปรแกรมตอนนี้ในส่วนของโมดูลการวิเคราะห์ทางวิศวกรรม สามารถนำ 3D Model ที่มีอยู่แล้ว มาเข้าสู่กระบวนการ Generative Design ซึ่งช่วยให้ได้แบบจำลองใหม่ที่เหมาะสม ได้โดยไม่ต้องออกแบบใหม่ทั้งหมด ดังนั้นจึงสามารถคำนวนหาปริมาณวัสดุที่ใช้ ต้นทุนที่ลดลง ได้ในทันที หรือในกรณีที่ต้องการผลวิเคราะห์ทางวิศวกรรมด้วย (Computer Aided Engineering, CAE) ตอนนี้ก็มีหลายบริษัทที่พัฒนาซอฟแวร์ตัวนี้ขึ้นมาโดยเฉพาะ โดยไม่เกี่ยวข้องกับส่วนการสร้าง 3D Model ทั้งนี้ส่วนใหญ่จะใช้คำว่า Topology Optimization ซึ่งหมายถึงการปรับปรุง 3D Model ในขณะที่ Generative Design จะมีความหมายที่กว้าง ไม่เฉพาะตัว 3D Modelตัวอย่างโปรแกรมช่วยในการปรับปรุงชิ้นงานตามแนวคิด Generative Design เพื่อลดน้ำหนัก และสามารถทำงานและรับแรงได้เหมือนเดิม
ด้วยความที่แบบจำลอง 3 มิติ ของชิ้นงานเมื่อผ่านการ redesign มาแล้วนั้น มักจะมีรูปร่าง หน้าตาที่แปลกจากชิ้นส่วนทั่วๆไป ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยในกระบวนการขึ้นรูปแบบปกติ (conventional manufacturing) หรือทำได้ค่อนข้างยาก เช่นงานที่มีฟีเจอร์ภายในโครงสร้างอีกทีหนึ่ง ซึ่งแม่พิมพ์ที่ต้องใช้งานในการฉีด หรืออัด จะมีความซับซ้อน และต้องใช้วิศวกรที่ชำนาญการ ในการออกแบบ ซึ่งมีค่าใช้จ่ายที่สูงกกว่าปกติ
ชิ้นงานจากกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ เกิดจาก การเติมเนื้อวัสดุทีละชั้น จนได้รูปร่างชิ้นงานที่ต้องการ ดังนั้นจึงไม่มีข้อจำกัดสำหรับชิ้นงานที่ซับซ้อน มีรายละเอียดภายใน หรือหัวขึ้นรูปวิ่งชนชิ้นงาน เหมือนเครื่อง CNC Milling กลึง ที่เป็นการเอาเนื้อวัสดุออก
ชิ้นงานที่ optimization มาแล้ว ยังสามารถขึ้นรูปด้วยกระบวนการ Die Casting ได้อยู่ (ชิ้นงานกลาง) ในขณะที่ชิ้นงานด้านหน้าสุดไม่สามารถผลิตได้แล้ว หรือมีราคาการผลิตที่สูงมาก ที่มา: https://majentaplm.com/generative-design/Shapeways
ชิ้นงานที่ optimization มาแล้ว ไม่สามารถผลิตด้วยกระบวนการทั่วไปได้ ที่มา: Shapeways
ชิ้นงานที่ optimization มาแล้ว ไม่สามารถผลิตด้วยกระบวนการทั่วไปได้ ที่มา: Shapeways
สรุป Generative Design เหมาะกับใคร ?
- ผู้ผลิตชิ้นส่วนในอุตสาหกรรม ที่ต้องการนำเทคโนโลยี 3D Printing มาผลิตเป็นสินค้าเพื่อจำหน่ายจริง วัสดุในกลุ่มนี้จะเป็น โลหะ พลาสติกคอมโพสิตที่เบาแต่แข็งแรงและเหนียว
- ฝ่าย R&D หรือ Industrial Designer ที่ต้องการนำเสนออะไรที่ใหม่ แต่มีประโยชน์ ในบางกรณีอาจจะออกแบบเพื่อกระบวนการผลิตแบบทั่วไปก็ได้ ไม่ต้องเฉพาะสำหรับเครื่อง 3D Printer
- สถาปนิก ที่ต้องการสร้างสรรค์ผลงาน ที่สามารถก่อสร้าง หรือผลิตอาคาร ของตกแต่ง หรือชิ้นส่วน ได้หลากหลายมากยิ่งขึ้น
คำแนะนำสุดท้ายโปรแกรมเขียนแบบ 3D Model และมีฟังก์ชั่น Generative Design หรือ Topology Design Optimization ซึ่งราคาถูกที่สุด ที่ผู้เขียนหามาได้คือ Autodesk Fusion 360 Ultimate ซึ่งสามารถทำงานดังกล่าวได้ โดยราคาอยู่ที่ 495 USD/ปี ซึ่งซื้อจากตัวแทนในไทยราคาน่าจะถูกลงไปเกินครึ่ง ลองติดต่อได้ครับ ส่วนใครที่ใช้โปรแกรมในกลุ่มวิศวกรรมอยู่แล้ว เช่น Solidworks Unigraphic NX หรือ Inventor ลองติดต่อผู้ขายครับว่ามีบริการอัพเกรด หรือลงเพิ่มมั้ย แต่ราคาน่าจะแพงพอสมควร หรือหากต้องการผู้เชี่ยวชาญทาง สวทช. กระทรวงวิทย์ของเราก็มีบริการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมในส่วนนี้ครับ
