옵티스트럭트, 3D 프린팅의 격자구조까지 최적화

이제 옵티스트럭트로 위상 최적화를 통한 설계 혁신을 이룰 수 있습니다.

알테어는 위상 최적화를 생산공정과 3D프린팅에 사용할 수 있는 새로운 옵티스트럭트 솔버를 발표하였습니다. 옵티스트럭트는 위상, 토포그라피, 사이즈, 형상 최적화를 위한 기술로 수상한 경력이 있으며, 알테어 HyperWorks에 포함되어 있습니다.

3D 프린팅은 속이 빈 복잡한 형상의 구조물을 격자 구조로 알려진 작은 셀을 이용하여 제작할 수 있습니다. 옵티스트럭트는 현재 위상 최적화 기술을, 솔리드 격자를 이용한 형상에도 적용할 수 있도록 확장이 되었습니다. 그리고 격자 구조에 대한 인장, 압축, 전단, 굽힘, 비틀림 그리고 피로수명에 대한 부분도 연구되고 있습니다. 이 새로운 기술은 구조물 제작에 별도로 다른 공구나 도구를 필요로 하지 않아서, 개발자가 원하는 다양한 요구들을 충족시킬 수 있습니다. 현재 옵티스트럭트는 격자 구조의 3D 프린팅을 이용한 제품 개발에 최적 형상 산출을 지원할 수 있습니다.

위상 최적화 기술은 그동안 다양한 산업 부문에 혁신적이고 가볍고 구조적으로 안전한 제품의 개발을 돕고 있습니다. 이 기술은 3D 프린팅에서 더욱 효과적으로 활용될 수 있는데, 이는 위상 최적화의 형상 결정 자유도가 높고 어렵거나 불가능해 보이는 유기체 형태의 형상도 도출이 가능하지만 전통적인 부품 생산 방법 하에서는 제작이 힘들 수도 있기 때문입니다. 그러므로 3D 프린팅 공법에서 형상/설계 자유도를 높이고 좀 더 창조적인 형상 산출에 큰 위력을 발휘할 수 있습니다.

알테어의 CTO 우위 슈람(Uwe Schramm)은 “3D 프린팅은 제품 제작을 위하여 별도의 공구가 필요하지 않고 어떤 복잡한 형상도 제작이 가능하고 생산 속도도 높일 수 있으므로 위상 최적화를 적용하기에 효과적입니다.”라며, “위상 최적화를 통해서 설계 자유도를 극대화 할 수 있고 복잡한 구조물의 설계, 설계 프로세스의 단축이 가능하므로 3D 프린팅에 적용하기에 아주 적합합니다.” 라고 이야기합니다.

알테어는 3D프린팅을 위한 충분한 데이터와 기술을 보유하고 있는 머트리얼라이즈(Materialise)와 파트너로써 함께 일하고 있습니다. 격자 구조는 수백, 수천만개의 격자 셀을 포함하고 있으므로 기존의 STL 파일로는 이런 전체 과정을 감당할 수 없습니다. 머트리얼라이즈가 제공하는 3-MatisSTL과 같은 소프트웨어 패키지는 3D 프린팅 과정에서 이런 문제를 해결할 수 있습니다.

이미 존재하는 형상에 간단한 격자구조를 적용하는 경쟁사의 기술과는 달리, 옵티스트럭트는 실제적으로 설계자가 격자구조로 바로 재료를 정의할 수 있습니다. 최적화를 통해서 어떤 설계에 어떤 재료가 필요할지를 구분하여 격자 구조의 위치를 최적화 할 수도 있습니다.

옵티스트럭트는 격자를 두 가지 단계로 구분하여 최적화 시킵니다. 먼저 표준 위상 최적화 기술을 이용하여 중간 밀도의 격자로 밀도가 낮은 구조물을 만들고, 이어서 다양한 형상을 가지는 밀도가 높은 격자 구조로 변환시킵니다. 두 번째 단계는 격자 셀의 치수를 최적화 시킵니다. 그리고 최적 형상 결과는 필요에 따라 일반적인 솔리드 부분과 격자 구조를 구분하여 형상을 결정해 줍니다.

재료의 밀도와 부품의 성능을 함께 연계하여 관계 설정을 할 수 있으며 볼륨 비에 대한 강성 등을 제품 개발 초기 단계에 설계자가 결정할 수 있도록 지원합니다. 다공성은 생명장치에 요구되는 중요한 요소 중의 하나입니다. 구조물에서 격자구조 영역을 혼합적으로 검토할 수 있다는 것은 강성의 분포 조절이 필요한 민감한 부분에서는 대단히 중요합니다.

때에 따라서 좌굴 거동이나 열성능, 동역학 특성 등도 검토할 필요가 있으며 이런 성능을 대상으로 하는 최적화도 가능합니다. 옵티스트럭트를 사용하면 사용자는 최적화 과정에서 부품의 강성 분포를 조절 할 수 있도록 재료의 밀도를 적절하게 조정할 수 있습니다. 그리고 솔리드 부분과 빈 공간 그리고 격자 구조로 구분하여 설계를 할 수 있습니다. 설계자는 먼저 목적을 정의하고 설계에 필요한 정보를 얻기 위해 최적화를 수행하게 됩니다.

알테어 소프트웨어 부분 부사장인 밍 저우(Ming Zhou)는 “옵티스트럭트의 격자 기능은 제품의 특별한 성능을 위한 스마트 재질을 통합하는 첫 번째 단계가 됩니다” 라며, “끊임없는 연구개발을 통해서 격자 셀을 다듬고 조절하는 기술을 개발하고 이는 다양하고 혁신적인 결과 들을 만들어 낼 것입니다.” 라고 말했습니다.

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