CC BY
78
УДК 004.896
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-328-332
БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА И 3D-ПЕЧАТИ
Д.А. Савостин, Е.О. Кириченко, А.О. Шаранов
Актуальность данной статьи связана с рассмотрением интеграции искусственного интеллекта (ИИ) в САПР, а также применение САПР в расширенной реальности и 3Б-печати. Основная цель этой статьи - представить обзор современного САПР и его приложений, а также спрогнозировать его будущие перспективы. Статья написана на основе систематического обзора журнальных статей с акцентом на широкий спектр потенциально актуальных исследований в области САПР. Обсуждаются преимущества внедрения искусственного интеллекта в САПР-системы, использование САПР в расширенной реальности и 3Б-печати и, наконец, краткое обсуждение проблем, которые выводят САПР на новый уровень.
Ключевые слова: САПР, искусственный интеллект, расширенная реальность, 3Б-печать.
Данная статья посвящена использованию искусственного интеллекта в САПР, а также использованию САПР в расширенной реальности и 3D-печати. Искусственный интеллект (ИИ) охватил широкий спектр областей в результате своего потенциального применения, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи и практические приложения [1]. Искусственный интеллект использует количественные рассуждения, имитацию и глубокое моделирование. Некоторые области применения искусственного интеллекта включают оценку изображений компонентов с производственной линии в режиме реального времени, повышение безопасности работников, снижение затрат, разработку новых продуктов в режиме реального времени. В виртуальной реальности (УЕ), дополненной реальности (АЕ) и смешанной реальности (МЕ) в контексте данной статьи результаты моделирования происходят в 3D-среде, тем самым предоставляя возможность просматривать объекты в трех измерениях. В различных дисциплинах виртуальной реальности, исследователи достигли огромного прогресса [2]. Еще одним важным применением САПР является технология 3D-печати. 3D-печать - это процесс аддитивного производства (АП), который включает в себя послойное производство 3D-твердых объектов непосредственно из моделей САПР без помощи инструментов, зависящих от деталей, и используется для изготовления сложных и высокоточных объектов во многих областях. Он революционизирует производство благодаря своей уникальной способности печатать сложные формы и создавать точную систему. Однако в настоящее время 3D-печать без применения САПР невозможна. Таким образом, применение САПР в промышленности стремительно развивается.
В целом, создание интеллектуальной среды проектирования требует разработки многочисленных программных средств с наличием вычислительных и аналитических функций. В этой статье рассматривается будущее САПР с искусственным интеллектом, расширенной реальностью и 3D-печатью. Основная цель статьи - оценить важность интеграции искусственного интеллекта в САПР-системы и исследовать применение САПР в расширенной реальности и технологии 3D-печати, а также ее перспективы на будущее.
Применение искусственного интеллекта (ИИ) в САПР. Ранее термин «искусственный интеллект» использовался для описания способности машин имитировать человеческий интеллект посредством обучения и рассуждений во время решения сложных проблем. Многие исследователи ИИ недавно бросили вызов этому подходу, характеризуя ИИ с точки зрения рациональности, которая не ограничивает то, как можно охарактеризовать интеллект [3]. Интеллектуальные машины рассуждают и принимают решения независимо и без ошибок в соответствии со своим дизайном или заранее заданной программой. В последние годы компаниям удалось создать эффективную интеллектуальную среду САПР, внедрив в свои системы искусственный интеллект. Внедрение искусственного интеллекта в систему САПР значительно сократит время выполнения заказа и создаст среду проектирования, основанную на знаниях. САПР на основе искусственного интеллекта используется в клинической практике наряду с системой архивирования изображений и связи (PACS) для улучшения рабочего процесса. Для «зеленого» производства и устойчивого развития интеграция искусственного интеллекта с различными технологиями в настоящее время пользуется большим спросом.
Исследование систем интеллектуального проектирования включают в себя маломасштабные системы интеллектуального проектирования, системы интеллектуального проектирования широких областей (посредством сопряжения), интеллектуальные вычисления и анализ, а также интеллектуальный графический интерфейс. Интеллектуальный графический интерфейс оснащает существующие системы САПР множеством инструментов, которые могут повысить точность проектирования, тем самым повышая производительность и качество работы. Однако создание системы интеллектуального проектирования до сих пор оставалось актуальной исследовательской задачей. М. Рапагойо [4], разработал метод для создания различных концепций моделей САПР, основанный на сочетании функционального моделиро-
вания и САПР. Метод использует недавно предложенную объектную модель для функций и геометрии (OMFG), чтобы связать концепцию дизайна продукта с автоматизацией проектирования (DA). Согласно их отчету, цель состоит в том, чтобы помочь разработчикам продукта исследовать большую часть пространства дизайна на ранних стадиях разработки продукта, принимая во внимание геометрическую область и функциональную область.
Процесс объединения САПР с искусственным интеллектом называется рассуждением на основе моделей (MBR). Используя количественный и качественный анализ, он предсказывает взаимодействие, которое может существовать между различными частями дизайна.
Особенности MBR:
- Части продукта должны храниться в иерархическом порядке, чтобы знать их взаимосвязь;
- Именно эксперты по проектированию обеспечивают аргументацию и процедуру принятия решений, основанную на знаниях;
- Обоснование и методология определяют правила для связей частей продукта;
- Совокупный анализ качественного и количественного моделирования определяет эффективность анализируемого продукта;
- Простая процедура установки в базу данных.
Некоторые примеры программного обеспечения САПР, интегрированного с приложением искусственного интеллекта.
SOLIDWORKS xDesign. Компания Dassault Systemes, владелец программного обеспечения SOLIDWORKS, является одной из ведущих компаний, интегрировавших в свой дизайнерский продукт искусственный интеллект. Компания представила xDesign, который использует искусственный интеллект в качестве инструмента для рисования и выдавливания в инженерных проектных работах. В SOLIWORKS xDesign операторы могут мгновенно развертывать различные решения для своих задач проектирования с помощью облачной совместной работы, которые генерируются с помощью инструмента искусственного интеллекта. Сначала оператор создает модель и определяет ограничения. Затем SOLIDWORKS xDesign мгновенно генерирует деталь с помощью искусственного интеллекта, интегрированного в его систему, на основе ограничений, определенных пользователем.
Шумоподавитель искусственного интеллекта (ИИ). Искусственный интеллект AI Denoiser - это инструмент искусственного интеллекта, созданный NVIDIA, использующий искусственный интеллект и машинное обучение для обеспечения мгновенной интерактивной обратной связи с пользователями для принятия лучших решений. Он использует искусственный интеллект с ускорением GPU для создания визуально бесшумного изображения на сверхбыстрой скорости. В настоящее время AI Denoiser является самым быстрым и простым инструментом визуального рендеринга изображений, существующим на сегодняшний день.
Приложение САПР в 3D-печати: интеграция проектирования и производства. Одним из практических применений САПР является технология 3D-печати. В технологии 3D-печати модель 3D-объекта сначала должна быть создана в соответствующих размерах и размерах, а затем сохранена в виде файла САПР с помощью программного обеспечения САПР. CAD-файл содержит инструкции или правила, регулирующие работу 3D-принтеров. Он определяет, сколько материала должно быть осаждено и где оно должно быть размещено. Сохраненный CAD-файл передается на 3D-принтер для обработки. Технология 3D-печати производит детали или объекты путем добавления слоя за слоем на основе параметров в файле САПР. Его также называют аддитивным производством. В отличие от субтрактивных производственных систем, это не требует сложных установок или других дополнительных средств. Он очень экономичен и эффективен, особенно для отдельных деталей и небольших партий. Он может производить сложные объекты, которые очень трудно изготовить с помощью обычной системы механической обработки. На рис. 1 показаны различные технологии трехмерной печати, используемых в настоящее время в промышленности. Использование САПР для трехмерного проектирования и моделирования изделий неизбежно во всех сценариях технологии 3D-печати.
S LA SLS FDM
Жидкий Пластиковым Застывшая
фотополимер порошок деталь
Рис. 1. Технологии 3Б-печати
На рис. 2 схематично описывается процесс 3D-ne4ara в FDM с использованием Geomagic в качестве программного обеспечения CAD и Slic3R в качестве компонента CAM.
Рис. 2. Процесс 3Б-печати в FDM
Области применения технологии 3D-печати. В настоящее время существует множество приложений 3D-печати, которые используют гибкость, обеспечиваемую CAD-инструментами для создания любого типа конструкции или 3D-модели. Ниже приведены основные области применения 3D-печати.
Аэрокосмическая промышленность. В аэрокосмической промышленности широко используются технологии 3D-печати. Превосходные детали можно оптимизировать с помощью САВ-инструментов и быстро напечатать 3В. В настоящее время с помощью методов 3В-печати также ремонтируются сломанные аэрокосмические детали. На рис. 3 показан ремонт блиска с помощью технологии трехмерной печати, называемой лазерной конструкцией формирования сетки.
Рис. 3. Блиск после ремонта передней кромки объектива (а) и блиск после окончания (б)
Автомобильная промышленность. Подобно аэрокосмической промышленности, автомобильная промышленность требует высокого качества, низкой стоимости, специализированных компонентов, которые нуждаются в CAD-моделировании. Модель, разработанная на базе программного обеспечения CAD, может быть быстро напечатана в автомобильной промышленности. В 2014 году по технологии 3D-печати был изготовлен первый электромобиль под названием «Strati». На рис. 4 показана ось рулевого управления, изготовленная компанией Rennteam Uni Stuttgart с использованием метода прямого лазерного спекания металла (DMLS).
Рис. 4. Рулевая ось Rennteam Uni Stuttgart с использованием DMLS
Медицинское применение. В настоящее время в области медицины широко применяются CAD-инструменты для усовершенствования медицинских изделий и имплантаций. После первого моделирования объекта в инструментах САПР стало возможным изготовление медицинских изделий, бионики, протезов, ортопедических имплантатов и другого медицинского оборудования с использованием технологии 3D-печати [5]. На рис. 5 показано изделие из трехмерной печатной ткани, начиная с медицинской визуализации.
В статье был сделан вывод о том, что стремление к широкому спектру продуктов, основанных на вводе одного элемента, интерактивном моделировании и прямой интеграции конструирования и производства, способствует развитию САПР. С точки зрения авторов, целью интеграции ИИ в САПР является создание интеллектуальной среды проектирования в области проектирования и производства путем разработки различного программного обеспечения, обладающего вычислительными и аналитическими функциями. ИИ предоставляет интуитивно понятное приложение для повторного использования уже существующих деталей. В расширенной реальности и 3D-печати необходимость САПР-системы заклю-
чается в проектировании и разработке 3D-модели объекта. Целью расширенной технологии реальности является предоставление точного изображения и совместное детальное понимание через погружение и взаимодействие по мере продолжения моделирования. В производстве, используя свободу проектирования, обеспечиваемую САПР-инструментами, технология 3D-печати начала демонстрировать большие возможные применения и потенциальные преимущества в аэрокосмической, автомобильной, биомедицинской, энергетической и других областях. Трехмерная печать обеспечивает экономичную и экономичную с точки зрения времени возможность изготовления небольшого количества изделий, разработанных на заказ со сложной геометрией.
Рис. 5. Процесс 3Б-биопринтинга
Для расширения применения ИИ-интегрированных систем САПР необходимы исследования и разработки с точки зрения проектирования, моделирования новых процессов, оптимизации и управления.
Список литературы
1. Fujita H. AI-based computer-aided diagnosis (AI-CAD): the latest review to read first, Radiol. Phys. Technol. 13 (1), 2020. P. 6-19.
2. Farshid M., Paschen J., Eriksson T., Kietzmann J. Go boldly!: explore augmented reality (AR), virtual reality (VR), and mixed reality (MR) for business, Bus. Horiz. 61 (5), 2018. P. 657-663.
3. Stuart J. Russell, Peter Norvig, Artificial Intelligence: A Modern Approach, third ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2009.
4. Müller J.R., Panarotto M., Isaksson O. Function model based generation of CAD model variants, Comput. Aided Des. Appl. 2020.
5. Жорова А.А. Возможности существующих технологий 3D-ne4arn в медицине. Компьютерные и информационные науки. 2018.
Савостин Дмитрий Александрович, специалист, оператор, era_1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Кириченко Евгений Олегович, специалист, оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Шаранов Александр Олегович, специалист, оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
FUTURE PROSPECTS FOR AUTOMATED DESIGN (CAD) FROM THE PERSPECTIVE OF ARTIFICIAL
INTELLIGENCE AND 3D- PRINTING
D.A. Savostin, A.O. Kirichenko, A.O.Sharanov
The relevance of this article is related to the consideration of the integration of artificial intelligence (AI) into CAD, as well as the use of CAD in advanced reality and 3D printing. The main purpose of this article is to present an overview of modern CAD and its applications, as well as predict its future prospects. The paper is written based on a systematic review of journal articles with a focus on a wide range of potentially relevant CAD studies. The benefits of introducing artificial intelligence to CAD systems, the use of CAD in advanced reality and 3D printing, and finally a brief discussion of the problems that take CAD to the next level are discussed.
Key words: CAD, artificial intelligence, extended reality, 3D printing.
Savostin Dmitriy Aleksandrovich, special, operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT
«ERA»,
Kirichenko Evgeniy Olegovich, special, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
331
