Fabricage-aware ontwerp: producten ontwerpen mét de fabriek in gedachten
Stel je voor dat een architect een gebouw tekent zonder ooit na te denken over hoe de bakstenen gestapeld worden, of een bakker een taart bedenkt zonder te weten wat zijn oven aankan. Dat klinkt onlogisch, maar in de industrie gebeurde het decennialang wel: ontwerpers tekenden een product zo mooi en efficiënt mogelijk, en pas daarna ging een fabriek uitzoeken hoe dat ding daadwerkelijk gemaakt moest worden. Vaak bleek dan dat het ontwerp te duur, te traag of zelfs helemaal niet te produceren was. Fabricage-aware ontwerp draait dat om: de beperkingen en mogelijkheden van het productieproces worden al meegenomen op het moment dat het ontwerp ontstaat, niet erna.
Het woord zelf is een vertaling van het Engelse manufacturing-aware design. "Aware" betekent hier zoveel als "zich bewust van": het ontwerpproces – vaak ondersteund door software of kunstmatige intelligentie – weet als het ware wat een 3D-printer, een gieterij of een chipfabriek wel en niet kan. Denk aan een navigatiesysteem dat niet alleen de kortste route berekent, maar ook rekening houdt met de vraag of jouw auto wel over die smalle bergweg past. Zo ontstaat een ontwerp dat meteen maakbaar is, in plaats van een mooi plaatje dat achteraf aangepast moet worden.
Wat is het precies?
In de kern is fabricage-aware ontwerp een manier van werken waarbij productiekennis wordt omgezet in regels, wiskundige modellen of simulaties die het ontwerpproces sturen. Dat gebeurt meestal in een paar stappen.
Eerst worden de beperkingen van een fabricagetechniek vastgelegd. Bij 3D-printen (ook wel additive manufacturing genoemd, ofwel laagsgewijs opbouwen van materiaal) gaat het bijvoorbeeld om de minimale wanddikte die een printer aankan, de maximale overhang zonder steunmateriaal, of hoe warmte zich opbouwt in het materiaal. Bij chipproductie gaat het om de fysieke grenzen van lithografie: het proces waarmee met licht piepkleine patronen op een siliciumplak worden "gedrukt". Sommige lijntjes zijn simpelweg te dun of te dicht bij elkaar om betrouwbaar te fabriceren.
Vervolgens worden deze beperkingen als parameters ingebouwd in ontwerpsoftware. Bij zogeheten generative design (generatief ontwerp) krijgt een algoritme een doel mee – bijvoorbeeld "maak dit onderdeel zo licht mogelijk, maar houd het sterk genoeg" – én de fabricagegrenzen. Het algoritme genereert vervolgens tientallen of honderden ontwerpvarianten die allemaal voldoen aan die grenzen, in plaats van één ontwerp dat een mens achteraf moet bijschaven.
Tot slot wordt vaak gesimuleerd hoe het productieproces zelf zal verlopen: hoe het materiaal afkoelt, waar spanningen ontstaan, of een gietvorm wel leeg te halen is. Die simulatie-uitkomst voedt op zijn beurt weer het ontwerp, in een soort feedbackloop tussen tekentafel en fabriekshal, nog voordat er iets fysieks gemaakt is.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het voorkomen van dure verrassingen. Traditioneel kost het aanpassen van een ontwerp na productie tijd, geld en materiaal: mallen moeten opnieuw gemaakt worden, machines opnieuw ingesteld. Door fabricagekennis vooraf mee te nemen, dalen het aantal ontwerp-rondes en de uitval (onderdelen die worden afgekeurd) drastisch.
Een tweede doel is het benutten van vrijheden die nieuwe productietechnieken bieden. 3D-printen kan bijvoorbeeld complexe, organische vormen maken die met traditioneel frezen of gieten onmogelijk zijn. Zonder fabricage-aware ontwerp blijven ontwerpers echter vaak onbewust vasthouden aan oude, eenvoudige vormen uit gewoonte. Door de printer-beperkingen direct in het ontwerpproces te verwerken, worden lichtere, sterkere en soms compactere constructies mogelijk – bijvoorbeeld onderdelen waarbij meerdere losse stukken worden samengevoegd tot één stuk.
Ten derde speelt duurzaamheid een rol. Minder materiaalverspilling, minder mislukte producties en lichtere onderdelen (met name in de lucht- en ruimtevaart, waar elke kilo brandstof kost) verkleinen de milieu-impact. Ten slotte is er een economisch motief: bedrijven die sneller van ontwerp naar werkend product gaan, hebben een concurrentievoordeel.
Voorbeelden uit de praktijk
De brandstofinjector van de LEAP-straalmotor, ontwikkeld door GE Aviation (nu GE Aerospace) samen met het Frans-Amerikaanse samenwerkingsverband CFM International, is een veelgenoemd voorbeeld. Het onderdeel bestond traditioneel uit zo'n twintig los gelaste onderdelen. Door het opnieuw te ontwerpen mét 3D-printen als uitgangspunt, kon het als één stuk geprint worden: lichter en naar verluidt aanzienlijk duurzamer in gebruik. Sinds het midden van de jaren 2010 wordt dit onderdeel in serie geprint voor motoren die onder meer in Airbus- en Boeing-toestellen vliegen.
Autodesk, een softwarebedrijf dat onder meer Fusion 360 maakt, werkte samen met Airbus en diens dochterbedrijf APWorks aan een generatief ontworpen kabinepartitie (een scheidingswand in een vliegtuigcabine). Het algoritme kreeg de sterkte-eisen en de beperkingen van 3D-printen mee, en genereerde een web-achtige, op botstructuur geïnspireerde vorm die volgens Autodesk en Airbus fors lichter was dan het origineel.
In de chipindustrie is design for manufacturability (DFM), de oudere naamgenoot van fabricage-aware ontwerp, al decennia gangbaar. Onderzoekscentrum imec in Leuven werkt intensief samen met chipfabrikanten en machinebouwer ASML aan zogeheten design-technology co-optimization: chipontwerp en lithografieproces worden gelijktijdig ontwikkeld, omdat bij de nieuwste, extreem kleine chipstructuren (met EUV-lithografie, oftewel extreem ultraviolet licht) ontwerp en fabricageproces niet meer los van elkaar te bedenken zijn.
Softwarebedrijf nTopology (sinds 2024 onderdeel van simulatiebedrijf Ansys) leverde gespecialiseerde software waarmee ingenieurs in de lucht- en ruimtevaart en medische sector rooster- en celstructuren konden ontwerpen die specifiek zijn afgestemd op 3D-printprocessen, met directe koppeling naar productiesimulatie.
Het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf Relativity Space ontwerpt raketten die vrijwel volledig uit grote metalen 3D-printers komen. Het bedrijf claimt dat het ontwerp van onder meer de Terran R-raket vanaf de tekentafel is afgestemd op de eigenaardigheden van het eigen printproces, met als doel veel minder onderdelen en snellere bouwtijden dan bij traditioneel gefabriceerde raketten.
Hoe ver is de techniek?
De volwassenheid verschilt sterk per sector. In de chipindustrie is DFM al zo'n dertig jaar gangbare praktijk en volledig verweven met de ontwerpsoftware (EDA-tools) die chipontwerpers dagelijks gebruiken. Dit is dus geen opkomende technologie meer, maar een gevestigde discipline die wel steeds geavanceerder wordt naarmate chipstructuren kleiner worden.
In de mechanische en additieve productie-industrie is fabricage-aware ontwerp jonger en volop in ontwikkeling. Generatief ontwerp en topologie-optimalisatie (een wiskundige methode om materiaal weg te laten waar het niet nodig is) zijn inmiddels standaardfuncties in grote ontwerppakketten van onder meer Autodesk, Siemens en Ansys, maar het combineren daarvan met realistische, processpecifieke simulaties blijft rekenintensief en vraagt gespecialiseerde kennis. Veel bedrijven gebruiken de technologie nog vooral voor kritieke, dure onderdelen in kleine series (lucht- en ruimtevaart, motorsport, medische implantaten) en minder voor massaproductie van goedkope consumentengoederen.
Een belangrijk obstakel is dat goede fabricagemodellen moeilijk te maken zijn: elk type printer, legering of gietproces gedraagt zich net anders, en die kennis is vaak proprietary (bedrijfseigen) en niet openbaar gedeeld. Ook vraagt het samenbrengen van ontwerp-, materiaal- en productiekennis in één team of systeem een cultuuromslag in bedrijven waar ontwerp en productie van oudsher gescheiden afdelingen zijn.
Wie werken eraan?
Op softwaregebied zijn Autodesk (generatief ontwerp, Fusion 360), Ansys (simulatie en, sinds de overname van nTopology, geavanceerd celstructuurontwerp) en Siemens (NX-softwaresuite) toonaangevende spelers. In de chipwereld leveren Synopsys en Cadence de ontwerpsoftware waarin DFM-regels zijn verwerkt, terwijl machinebouwer ASML uit Veldhoven en onderzoekscentrum imec in Leuven nauw samenwerken om chipontwerp en lithografie op elkaar af te stemmen.
In de lucht- en ruimtevaart passen bedrijven als GE Aerospace, Airbus (met dochterbedrijf APWorks) en het ruimtevaartbedrijf Relativity Space de aanpak toe in eigen producten. Op onderzoeksgebied dragen technische universiteiten bij, waaronder de TU Delft, die onderzoek doet naar topologie-optimalisatie en 3D-printbaar constructieontwerp, en instituten als het Amerikaanse MIT. Landen met een sterke maakindustrie – de Verenigde Staten, Duitsland, en op chipgebied Nederland en België – vormen de belangrijkste kennisclusters, mede dankzij de aanwezigheid van spelers als ASML en imec in de Lage Landen.