Report GPO_V2

Parametrisch ontworpen vissen
voor industrie 5.0
by Vladut Simion

Inleiding
In thema van het vak “Ontwerp voor
geavanceerde productiemethodes
en omgeving” moet een product
ontworpen worden voor industrie
5.0 . Dit model maakt gebruik van
de technologische vooruitgang in
technologie, en die van de moderne
productiemethodes. Door de
toenemende computerkracht wordt
het mogelijk om intelligente en
gerichte producten te ontwerpen.
Bijkomend zijn het de nieuwe
productiemethodes, zoals additive
manufacturing (AM), die toelaten
om complexe en gepersonaliseerde
stukken te maken. Door
computerkracht met productie
te combineren kan een product
gefabriceerd worden die op maat is
van de eindgebruiker.
Dit verslag is een exploratie in het
onbekende, waarbij de grenzen van
industrie 5.0 worden onderzocht. Op
voorhand werd onderzoek gedaan
naar de huidig status van producten en
waar de trends naar leiden. Vervolgens
werden enkele prototypes ontworpen
en uitgetest om zo de essentie vast te
leggen. Door gebruik te maken van
Grasshopper (GH), een flexibele en
intelligente programma van Rhino,
kan het eindproduct bekomen
worden.
2

3

Discover
Define
Develop
Deliver
4

Status quo
Eerst worden potentiële kandidaten
gezocht die dankzij Grasshopper
klaargemaakt kunnen worden voor
industrie 5.0. Momenteel zijn er al
heel wat goed ontworpen producten
die geen direct meerwaarde krijgen
door personalisatie. Ook is het vaak
zo dat deze producten ontworpen
zijn voor massa productie, wat
dus geen of weinig gebruik maakt
van AM. Er ontstaat een delicaat
evenwicht tussen de intelligentie van
GH en het fabriceren via AM. Bij
zeer gepersonaliseerde producten
is heel wat persoonlijke data nodig
van de eindgebruiker en wordt het
product via maatwerk verworven.
Anderzijds is dit model zeer duur
voor de eindconsument en bijna
onbruikbaar voor iedereen anders.
Ook is de infrastructuur om vanuit
GH naar AM te gaan nog in opbouw
waardoor momenteel het inzicht
van de ontwerper cruciaal is. Al snel
wordt duidelijk dat er nog heel wat
onzekerheden zijn over intelligente
programma’s zoals GH en de nieuwe
productie methodes zoals AM.
Gelukkig kunnen deze omgebouwd
worden naar opportuniteiten. Om
industrie 5.0 volledig te exploreren
zullen gepersonaliseerde vissen
onderzocht worden als mogelijke
kandidaat voor intelligente AM
productie. Huidige gebruikers worden
momenteel verplicht om een keuze te
maken uit reeds bestaande vissoorten.
In beste geval is deze klant niet al te
veel eisend en wordt die tevreden
gesteld met het huidig aanbod.
Exotische aquarium liefhebbers
wensen bepaalde vissoorten die
moeilijk verkrijgbaar en duur zijn.
Of wat met grote aquaria exhibities
die graag een nieuwe attractie willen
waarbij aan de hand van vissen een
boodschap wordt overgedragen
aan hun bezoekers. Mogelijks
willen onderzoekers intreden in de
natuurlijke habitat van een school
vissen zonder al te veel hun gedrag te
verstoren.
5

Analyseer en demonteer
Door enkele scenario’s te simuleren
kunnen gebruiker parameters worden
vastgesteld die van belang zijn voor
het eindproduct. Initieel worden deze
parameters opgenomen in GH en
vormen zij de basis voor de vis. Omdat
de vis volledig manueel opgebouwd
moet worden zijn enkele wiskundige
functies nodig. Door bestaande vissen
te onderzoeken kunnen enkele trends
worden vastgesteld. Zo kan een vis in
primitieve groepen worden ingedeeld.
De blauwe bovenlijn representeert
de rug. Onderaan kan in het rood
de buiklijn worden getekend van de
vis. Tussen deze twee lijnen bevind
zich het lichaam. Dit is een logische
analyse, maar voor een programma
als GH moet alles manueel worden
vertaald. Vervolgens kunnen vinnen
in het geel worden aangeduid. Deze
zijn weliswaar op het lijf geplakt
bij simpele vissen of zijn juist zeer
delicaat ingebouwd in het volledig
skelet. Bijkomend hebben vissen ook
een hoofd, wat hier in het roze wordt
aangeduid. Ten slotte zal het dier ook
schubben hebben die een patroon en
kleur genereren. Met deze groepen
kan nu een volledige vis geconstrueerd
worden. Om het nog eenvoudiger
te maken wordt bestaande vis data
gebruikt bij elke groep als referentie.
Zo zijn er verschillende catalogussen
die volledige vissoorten hebben
gedocumenteerd en ingedeeld in
aparte sub-soorten. Om de vis op te
bouwen moeten dus vijf verschillende
algoritmes geschreven worden die
samen het dier maken. Echter is
er wel enige logica nodig bij het
schrijven van het programma. Zo
bepaald het lichaamstype de omvang
en generieke opbouw van de vis. De
staart en het hoofd worden hieraan
verbonden en zijn dus afhankelijk
van de initiële parameters. Miljoenen
jaren in evolutie hebben vissen er
zo laten uitzien. Gepersonaliseerde
vissen hoeven daar geen rekening mee
te houden omdat de gebruiker zelf
bepaald wat belangrijk is. De staart is
bijkomend aangesloten achteraan de
vis. Dit onderdeel kan gezien worden
als een add-on en vergt dus ook
mindere integratie qua overvloeiing.
Rugvinnen en lijfvinnen zijn volledig
op het lichaam geplakt en zijn dus
in enige mate individuele stukken.
De rugvin moet weliswaar rekening
houden met de ruglijn.
Ruglijn
Buiklijn
Vinnen
Hoofd
6

7

Scales of Fishes
Heads of Fishes
Body of Fishes
8

Bestudeer en creëer
Het vis creëer proces wordt
vereenvoudigd door de gebruiker
toe te laten bestaande vis onderdelen
te gebruiken of indien nodig de
parameters zelf volledig in te stellen
om zo nieuwe soorten te genereren.
Maar hoe moet GH dit interpreteren?
Er moet enige intelligentie zijn die de
onderdelen verbind en rekening houd
met mogelijke combinaties. Ook moet
het mogelijk zijn om zelf volledig de
parameters in te stellen om zo volledig
ongeziene soorten te bouwen.
Voor de vinnen zal als voorbeeld
de staartvin volledig geëxploreerd
worden. De andere vin soorten
berusten op dezelfde principes en
logica. Het lijf is echter wat complexer
omdat het een 3D volume is. Ten slotte
moet rekening gehouden worden
met toekomst perspectief en de
mogelijkheid tot beweging van de vis.
9

Verzin een vin
Een vin kan vereenvoudigd worden
tot enkele punten die verbonden
zijn met elkaar. Dit kan bijvoorbeeld
aan de hand van rechte lijnen, wat
niet echt realistisch is bij vissen.
Om een meer natuurlijke curve te
verkrijgen worden Bezier curves
gebruikt. Deze hebben twee punten
nodig waar tussen het lijnstuk zich
bevind en tangentiele informatie bij
elke punt om zo de kromming te
bepalen. Voor de staartvin wordt dit
vertaald naar vijf punten met dus
vijf Bezier curves respectievelijk.
Een interessante bevinding is het feit
dat veel staart vinnen symmetrisch
zijn en dus vereenvoudigd kunnen
worden tot drie punten en curves die
vervolgens gespiegeld worden. Tijdens
de exploratie wordt voornamelijk
gewerkt met symmetrische vinnen
om eenvoud te garanderen. Het GH
programma heeft wel de mogelijkheid
om asymmetrische vinnen te creëren.
Bijkomende intelligentie is ingebouwd
in de staartvin. Het laatste punt van
de rug- en buiklijn worden verwerkt
in de hoogte van de staart vin. Deze
dienen als initieel en finaal punt van
het oppervlak. Door te spelen met
de plaats van de punten en met de
tangentiele informatie van de Bezier
curves, kunnen zowat 90% van alle
vinnen ontworpen worden. Vinnen
met bepaalde details hebben meer
manuele bewerkingen nodig en
bijkomende parameters waarmee GH
rekening moet houden. Bij rugvinnen
en lijfvinnen volstaan vier punten en
Bezier curves. Deze soort vinnen zijn
echter wel vaker asymmetrisch en
sluiten ook aan op het lichaam. Deze
aansluiting wordt een van de Bezier
curves nodig om het oppervlak te
tekenen. Zoals de bij de staart vin zal
de plaats en de tangentiele informatie
het oppervlak creëren. Bijkomend is
echter de plaatsing van de lijfvinnen.
Deze moeten volgens het oppervlak
normaal van het lichaam worden
aangebracht. Hiervoor wordt weer
eens op de intelligentie en rekenkracht
van GH gerekend die aan de hand
van oppervlak analyse deze normaal
bepaald. Met die informatie kunnen
de lijfvinnen worden aangebracht.
10

Punten in vlak
Rechte lijnen
Bezier curves
Extrusie oppervlak
11

12

Herschrijf het lijf
Eerder werd al verteld dat het lichaam
zich bevind tussen de rug- en buiklijn
van de vis. Om deze lijnen te tekenen
wordt een gelijkaardig methode
gebruikt zoals bij de vinnen. Initieel
moeten een aantal punten getekend
worden. De buik- en ruglijn hebben
elk zeven punten nodig om de curve
te construeren. Het grote verschil is
dat geen Bezier worden gebruikt maar
NURBS. Deze type kromme berust
op het principe van Bezier maar is
eenvoudiger te gebruiken. Indien de
curve met Bezier getekend wordt moet
bij alle punten tangentiële informatie
gegeven worden. Dit zal meer werk en
fine tuning vergen van de gebruiker
om alles juist te krijgen. Bij NURBS
wordt automatisch tussen de punten
een kromme getekend die volgens
een bepaalde graad werkt. De graad
bepaald de vloeiing van de curve.
Nu moeten enkel de punten verplaatst
worden en de NURBS zal automatisch
mee veranderen. Om nu van een vlak
naar een volume te gaan zijn enkele
oppervlakken nodig. Aan het begin
en einde worden loodrecht op de
curves Bezier krommes geplaatst. Er
wordt geopteerd voor twee Bezier
curves om zo eenvoudiger een
oppervlak te tekenen. Dit zal echter
het lichaam versimpelen en minder
personalisatie toelaten. Maar zoals bij
de staartvinnen kunnen met deze vier
curves 90% van alle lichaam soorten
getekend worden. Ten slotte moet een
ruled oppervlak getekend worden met
twee guides. Dit betekend praktisch
dat van de hoofd Bezier curve naar de
staart Bezier curve wordt verplaatst
tussen de buik- en staartlijn.
13

Gezegen om te bewegen
Een uiteindelijke scenario is om de
ontworpen vis te kunnen gebruiken
bij verschillende toepassingen.
Hierdoor moet mogelijk zijn om de
vis te laten bewegen. Door zich te
verdiepen in de academische literatuur
werd een zeer toepasselijke manier
gevonden. Zo was er voorgaand
onderzoek gedaan door de Chinese
Universiteit van Hong Kong voor een
robotische manier waarop de staart
van een vis kan bewegen. De paper
geschreven door Y. Zhong, Z. Li en R.
Du, heeft meerdere zeer interessante
inzichten opgeleverd die toelaten
om hun mechanisme toe te passen
huidig ontwerp van de vis. Alhoewel
momenteel enkel het mechanisch
aspect werd geïmplementeerd
moet nog verder gewerkt worden
aan de robotische kant. In het kort
maken de onderzoekers gebruik
van een mechanische ruggengraat
zoals bij echte vissen. Om deze te
implementeren in het GH programma
is redelijk wat manuele 3D modeling
nodig. Wat in een CAD software in 10
minuten getekend kan worden, nam
in GH enkele dagen in beslag. Elke lijn
moet manueel getekend worden en
vervolgens die met primitieve functies
omgebouwd worden tot een massief
volume. Wat toch GH bevoordeeld is
de enorme intelligentie die gebruikt
kan worden om de ruggengraat te
modellen. Door de buik- en ruglijn
mee te rekenen in het ontwerp van de
ruggengraat ontstaat een dynamisch
3D model die zich kan aanpassen
wanneer de generieke omvang van de
vis veranderd. Het GH programma
zelf herberekent de volledige staart
bij nieuwe buik- of ruglijnen. Ook
waren er enkele iteraties nodig om
een compactere model te genereren
die optimaal tussen de buik- en
ruglijn blijft en dynamisch de
scharnierpunten kan aanpassen.
Verder is het lichaam opgedeeld
in twee grote delen. Er is een hol
lichaam gedeelte en de mechanische
ruggengraat. In de toekomst is het de
bedoeling dat de elektronica zich in
het holle gedeelte bevind en daarmee
de staart bestuurd. Het hol gedeelte
wordt aan de hand van enkele offset
functies omgebouwd tot een volume.
14

15

16

Vormgenomen en samenkomen
Wat nog overblijft is het hoofd. Dit
onderdeel is een combinatie van de
gebruikte methodes bij de vinnen en
die van het lichaam. Om het model
initieel eenvoudig te houden wordt
ook symmetrisch gewerkt. Zoals bij de
staartvin worden drie punten getekend
die verbonden worden met twee
Bezier curves. Vervolgens spiegelt men
om zo symmetrisch te werken. Ten
slotte wordt hier zoals bij het lichaam
een ruled oppervlak getekend tussen
de boven- en onderlijn. De Bezier aan
de voorkant van het lichaam wordt
hergebruikt om zo een beter overgang
te garanderen. Momenteel is er geen
connectie methode voor de staart en
het hoofd met het lichamen.
Niet ideaal worden deze onderdelen
gelijmd aan het lichaam. Voor de
staart vin, lichaam vin en rug vin
zijn er wel connectie methodes. De
staart vin krijgt een extra schakel die
gebruikt wordt om de vin zelf aan
de ruggengraat te verbinden. Voor
de rug- en lichaamsvinnen worden
connectie stukjes gebruikt. Het GH
programma maakt zelf de boringen op
de plaats van bevestiging.
17

Produceer en construeer
Enkele prototypes werden uitgewerkt
om de productie klaarheid vast te
leggen. Vooraleer de vis gemaakt kan
worden moet alle data van het GH
programma worden omgezet naar een
massief model. In praktische termen
betekent dit dat alle oppervlakken,
lijnen en volumes moeten aansluiten.
Omdat het volledig model manueel
ontworpen wordt moet rekening
gehouden worden met de samenhang
van verschillende onderdelen. Wat
op een massief volume lijkt kan in
werkelijkheid een verzameling zijn van
oppervlakken. Dit “volume” zal een
fout geven in de productie software
van bijvoorbeeld AM printers.
Bijkomend werden alle prototypes
gemaakt met behulp van een FDM
printer. Dit impliceert dat het
model minder nauwkeurig is kleine
schaal en dat geen al te complexe
vormen geprint kunnen worden. De
mechanische graat had spijtig genoeg
beide deze problemen.
Eerdere modellen van het
graatmechanisme had veel
ondersteuning nodig om in enige maat
geprint te kunnen worden. Latere
ontwerpen haalden de graat platen en
de graat verbindingsstukken uit elkaar
waardoor alles in aparte onderdelen
geprint kan worden. Het printen van
de vinnen was volledig verloren op
een FDM printer. De vinnen zijn
maar enkele lagen hoog en kunnen
simpelweg uitgesneden worden. Voor
het finaal model wordt onderzocht of
dat SLS printen de ideale keuze is.
FDM - Print
Prototypes werden gemaakt met FDM printer. Voor een optimaal resultaat werden
de verschillende soorten onderdelen appart geprint om zo de slicer instellingen beter
te kunnen fine tunen. Body volume: 115 x 35 x 60 mm. Analyse op Anycubic mega
S.
Theoretische prijsberekening: (0.030 kg/stuk x 20 €/kg) + (0.150 kW x 0.35 €/ kWh
x 3h30) + (1h x 15 €/h) = 0.6 € materiaal + 0.18 € energy + 15€ werk kosten =
15.78 €/stuk
20
Pros:
• Goedkoop
• Mogelijke optie bij de
open-source communitie
Cons:
• Support
• Lagere printkwaliteit
• Nabewerking nodig
• 100% infill printen is
inefficient
• Onmogelijk om staart
volledig te printen

SLS - Batch printing
Deze productie methode is haalbaar indien startkapitaal is voorzien. Het benut ook
de mogelijkheid om beweegbare onderdelen te printen. Bovendien is batch printing
efficiënter en goedkoper. Theoretisch kunnen in de Sinterit Lisa 15 stukken, in
praktijk blijkt het echter 10 te zijn.
Theoretische prijsberekening: (4kg + 0.030kg/stuk x 1 batch/10 stukken x 43.33 €/kg
x 0.20) + (1kw x 0.35 €/kWh x 12h) + (1h x 15 €/h) = 3.73 € materiaal +4.2 € energie
+ 15 € werk kosten = 22.93 €/stuk
Ongeveer 7 euro duurder dan FDM maar laat wel toe elke mogelijk vis te printen
Pros:
• Hoge print complexiteit
mogelijk
• Staart en lichaam samen
printen
• Connector stukjes kunnen
gebruikt worden als vul
volume
Cons:
• Hoge aankoopprijs en
materiaal
• Enige nabewerking
• Vinnen printen niet
optimaal
21

Dringend
To Do
22

Bijkomend
Zorgen voor morgen
Momenteel zijn er nog enkele
complicaties met het GH programma
en de manier waarop input data
wordt verzameld. Bij de huidige
generatie vissen moet het merendeel
van de parameters manueel worden
ingegeven. Momenteel is het
programma gesatureerd bij een aantal
mogelijke vissen. Er moet een systeem
worden opgesteld die rekening houdt
met het design aspect van dit product.
Het meest overkoepelende probleem
is dat het product niet gericht
ontworpen is. Het heeft niet echt een
goed gedefinieerde doelpubliek. Ook
is het nog onduidelijk of er nood of
vraag is naar parametrische vissen.
Als gevolg is de vis maar wat in het
rond aan het zwemmen. Oplossing
voor dit probleem zou een grondig
onderzoek zijn naar mogelijke use
cases en bij mogelijkse gebruikers.
ijkomend is het programma ook nogal
technisch en zeer onaantrekkelijk
voor de gebruiker. Dit vertaalt zich
verder in het fysiek model van de
vis wat momenteel nogal stroef is.
Door mogelijks gebruik te maken van
bestaande 3D vis model bibliotheken
kan het realisme aspect verbeterd
worden. Het ontwerpen van een vis
is nu springen van hak op de tak.
Voor de toekomst zou dit moeten
gebeuren volgens een bepaald proces.
Ten derde is er het probleem van
digitalisatie. Het ontworpen model
is nu volledig fysisch en bevat nog
geen elektronica. Ook hier moet een
systeem uitgewerkt worden voor de
elektronische onderdelen en alles
daarbij horend. De voorafgaande
problemen zijn momenteel het meest
cruciaal. Volgende zaken zijn kleinere
van aard maar moeten ook aangepakt
worden. De vis ontbreekt momenteel
nog een algoritme, namelijk die van de
schubben. Hiervoor wordt momenteel
gekeken naar elastische materialen
waarop een 3D patroon wordt gezet.
Vervolgens wordt die als een sok
weliswaar over de vis getrokken
wordt. Ten slotte zijn er ook enkele
kleinigheden die interessant zouden
zijn voor de toekomst. De aansturing
van de kleinere vinnen moet ook nog
bepaald worden. Ook het kunnen
toevoegen van AI in de vis zou
interessant zijn.
23

Geleerd en bekeert
Doorheen het ganse semester is met
goesting en interesse gewerkt aan
dit project. Het kunnen ontdekken
van allerlei verschillende productie
methodes was zeer leerrijk. De
mogelijkheid tot programmeren in
een nieuwe omgeving die zeer veel
creativiteit toelaat was ook boeiend.
In het algemeen zijn er heel wat
nieuwe inzichten verworven tijdens
de uitwerking van dit project. Voor
mezelf snap ik nu wat mogelijk is en
hoe tot een eindproduct gewerkt kan
worden. Maar deze exploratie is nog
maar net begonnen. Er is nog zoveel
meer dat kan gebeuren met GH en
met AM waar nog niet eens over
nagedacht is.
Ook ben ik zeer tevreden dat het
mogelijk was om effectief een
vis te printen. Dit verbreed het
perspectief nog meer door van een
computerscherm naar een fysiek
object te gaan. Hopelijk kan ik in de
toekomst nog verder werken aan dit
product en met GH. Graag bedank ik
Y.Christiaens en J. Detand die alles
mogelijk maakten.
24

25

Info
- Mail: Vladut.Simion@UGent.be
- Phone: +324 68 / 24 00 37
- Third year industrial design @
UGent university, campus Kortrijk