Algorithmic design for customizable products with additive manufacturing

Abstract

The constant development of computer technologies led to novel ways of designing products in order to adapt to an always changing industry and customer requirements. A contribution to this development is the greater of availability and quality of additive manufacturing technologies, which brought new possibilities of tailoring products to the customers needs, due to its digital nature, wide range of available materials, low cost, reduced production times and ability to manufacture geometries of increased complexity. Two approaches, parametric and generative design, have gained traction in recent years. They seek to assist in the design process, by assisting with alternative exploration, and tailoring products to certain specifications, utilizing computing power as a medium to assist in the decision making process. A third approach, algorithmic design, has received attention in recent years mostly in the field of architecture. It proposes utilizing scripts, either through a text or visual-based programming language as algorithms, to form a basis for inferring knowledge, interfacing with other tools and simplifying the process of product customization through customized user interfaces. In the present work, the concepts of parametric, generative and algorithmic design are reviewed in the light of engineering design, to ascertain the activities and processes which constitute them, as well as the relationship between them. With algorithmic design as the focus, the scripting capabilities of Autodesk’s Fusion360 are used to explore shape creation and the possibility of added customization through custom user interfaces, while also inferring knowledge from additive manufacturing and outlying the benefits of integrating such an approach inside a software tool’s ecosystem. A novel methodology is proposed to address a design problem using algorithmic design, by creating drone models based on user inputs through a user interface. The methodology focuses on simplifying design exploration for the early stages of a typical engineering design process, and prepares the model for the final shape creation by integrating other software tools, namely, Autodesk’s Generative Design. This work scratches only the surface of algorithmic design, and does not go into deterministic approaches as much as possible, as a way to demonstrate the possibilities it entails without being limited by specific approaches. Therefore, it serves as a basis for future works which seek to explore alternatives or optimize solutions using the methodology as a basis.

O constante desenvolvimento de tecnologias computacionais originou novas maneiras de desenhar produtos para se adaptarem a uma industria em constante mudança. Uma contribuição para este desenvolvimento é a maior disponibilidade e qualidade de tecnologias de fabrico aditivo, que devido á sua natureza digital, grande variedade de materiais disponíveis, baixo custo, tempo de fabrico reduzido e capacidade de fabricar gemotries de elevada complexidade, proporcionaram novas possibilidades de adaptar produtos para as nessecidades do consumidor. Duas abordagens, design paramétrico e design generativo, têm ganho relevância em anos recentes. Ambas propõem auxiliar no desenvolvimento de um design, ao auxiliar na exploração de alternativas e ao adaptar produtos a especificações do consumidor, utilizando poder de computação como intermediário para assistir no processo de tomar decisões. Uma terceira abordagem, design algorítmico, tem recebido atenção principalmente no ramo da arquitetura. Esta abordagem propõe utilizar scripts, tanto através de uma linguagem de programação visual ou de uma textual como algoritmos, os quais formam uma base para inferir conhecimento, ligar a outras ferramentas de software, e simplificar o processo de customização do produto através de interfaces de customização. No presente trabalho, os conceitos de design paramétrico, generativo e algorítmico são revistos á luz de design em engenharia, para avaliar as atividades e processos que os constituem, assim como a relação entre eles. Com design algoritmo como foco, as capacidades de programação do Fusion360 da Autodesk são usadas para explorar a criação de formas e a possibilidade de adicionar customização através de interfaces de utilizador customizadas, ao mesmo tempo inferindo conhecimento sobre fabrico aditivo e realçando os benefícios desta abordagem quando integrada no ecossistema de uma ferramenta de software. Uma metodologia é proposta para responder a problemas de design utilizando design algoritmo, criando modelos de drones baseados em inputs do utilizador através de uma interface. Esta foca-se em simplificar a exploração de alternativas nos primeiros estágios de um processo de design de engenharia típico, e prepara o modelo para a criação de forma final ao integrar outras ferramentas de software, nomeadamente, o Generative Design da Autodesk. Este trabalho é apenas toca na superfície das abordagens de design algorítmico, evitando ao máximo abordagens determinísticas, como forma de demonstrar as suas possibilidades sem limitá-la a aplicações especificas. Desta forma, serve de base para futuros trabalho que procurem explorar alternativas ou otimizar soluções usando a metodologia como base.