인스파이어, 경량설계를 위한 드림팀 꾸렸다.

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알테어, 클릭 투 캐스트, HBN n코드, 복셀제트는 생산 공법과 대량 생산 분야에서 혁신적인 기술을 제공하는 눈에 띄는 기업으로 엄청난 잠재력을 보유하고 있는 회사들입니다. 설계 최적화와 피로해석, 주조 그리고 3D 프린팅은 경량 디자인을 위해서 필요한 협업 관계의 기술로써 생산 프로세스의 역량과 효율을 높이는데 필수불가결한 기술들입니다.

“이런 프로세스로 생산 역량과 속도를 높이고자 한다면, 먼저 가장 오랜 역사를 가지고 있는 예전의 주조에 대한 새로운 차원의 개선을 이루어야 합니다. 새로운 프로세스는 주형틀 제작에 3D 프린팅 기술을 사용하는 것이며, 이것은 완전히 새로운 기술을 적용한다는 의미이기도 합니다. “복셀제트(Voxeljet)”의 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 주형틀 개발 속도를 극적으로 증가시키고 설계 자유도를 높여야 합니다. 패턴과 주형틀에 3D 프린팅을 적용하는 것은 주조의 복잡한 형상을 재현할 수 있는 가장 가능성 높은 방법입니다. 설계 자유도를 높이기 위하여 3D 프린팅 기법이 전적으로 적용되어야 하고, 프린팅을 위한 부품 형상은 시뮬레이션을 통해서 얻을 수 있습니다. 그리고 부품 형상은 구조적으로 영감을 주고 생산과 내구성에도 아무런 문제가 없는 것이어야 합니다. 시뮬레이션을 통하여 산출한 부품 형상들의 부품은, 원래의 설계 안과 비교하여 중량의 증가 없이 3~5배 정도 높은 강성을 확보해야 합니다. 이것의 장점은 기존 사용하고 있는 생산 프로세스를 그대로 적용할 수 있고 다양한 산업에 적용할 수 있다는 것입니다. 물론 대량 생산에도 적용할 수 있어야 합니다.”

케빈 스미스(Kevin Smith). 복셀제트의 글로벌 어플리케이션 담당 이사.


알루미늄 궤를 재료로 사용하는 휠 캐리어 생산 프로세스를 살펴보면, 기업의 설계자와 엔지니어들은 새로운 휠 캐리어의 형상을 개발해야 하며, 이전 부품과 비교하여 중량은 동등하면서 훨씬 나은 성능을 확보할 수 있어야 합니다. 휠을 지지하는 부품은 노면에서 유입되는 하중으로 인한 변형을 견뎌야 하며 전체 서스펜션에 작용하는 충격 성능도 만족해야 합니다. 부품의 강성도 대단히 중요한 요건입니다. 생산 과정에서 야기된 문제들을 원래의 설계에 반영하여 성능을 만족하는 새로운 부품으로 만들 수 있게 됩니다.

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솔리드씽킹 인스파이어의 토폴로지 최적화 프로세스

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디자인라이프(DesignLife)의 피로 시뮬레이션

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클릭 투 캐스트(Click2Cast)의 주조 시뮬레이션

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복셀제트(Voxeljet)의 주조 3D 프린팅 기법

인스파이어를 이용한 위상 최적화

먼저 인스파이어를 이용하여 설계 공간이 정의되고, 이어서 알테어 옵티스트럭트 최적화 솔버로 최적화를 진행하여 컨셉 단계의 최적 설계 안이 산출됩니다. 다음으로 급제동, 급코너링 그리고 범핑 조건과 같은 가혹조건 하의 하중 조건들이 설정되어 모델에 적용됩니다. 최적의 안이 산출되면 생산성도 검토되어야 하고, 중량은 현재 수준을 유지하면서 하중 조건을 견딜 수 있도록 3~5배 정도의 높은 강성을 확보해야 합니다.

n코드 시뮬레이션으로 내구성 평가

부품의 내구성은 작용하는 하중이력과 최대 하중을 견뎌야 하므로 다섯 가지의 서로 다른 하중 조건에 대한 35시간의 내구시험 해당 조건들이 n코드 디자인라이프로 옮겨지게 됩니다. 다음으로 알테어 옵티스트럭트에서 계산된 응력값과 조합하여 휠 캐리어의 각 부분에 작용하는 응력 이력을 구성합니다. 그리고 마지막으로 디자인라이프의 데이터의 피로특성을 이용하여 부품의 피로 손상량을 계산하게 됩니다.

클릭 투 캐스트를 이용한 캐스팅 시뮬레이션

클릭 투 캐스트(C2C)를 이용한 캐스팅 시뮬레이션은 설계 프로세스의 두 가지 시점(시작과 끝)에 대하여 수행됩니다. 개발 초기 단계에 설계자는 C2C를 이용하여 부품이 생산성을 확보하는지, 최적화는 되었는지, 내부 결함은 없는지 그리고 특정 부위에 문제점은 없는지를 검토하게 되며 이러한 작업은 설계와 생산부서의 협업으로 이루어지게 됩니다. 설계 최종 단계에서는 C2C를 이용하여 금형틀 제작 전체 과정에 대한 검토가 이루어지며 에너지 낭비, 소요시간, 재료 소요량 등에 대한 검토가 이에 해당됩니다.

복셀제트를 이용한 3D 프린팅 프로세스

최적화, 피로해석, 캐스팅 시뮬레이션이 완료되면 이 결과들은 주형틀을 제작하기 위하여 3D 프린팅을 위한 복셀제트로 보내집니다. 복셀제트는 CAD 데이터를 이용하여 플라스틱 모델을 제작하는데, 여기에는 지정된 재료(이 경우에는 polymethylmethacrylate, 혹은 PMMA 사용)가 사용되며, 적층 그리고 접합의 과정을 거치게 됩니다. 이러한 유기재료는 느슨한 분말 형태이며 여기에 열을 가하여 형상을 만들어 내므로 캐스팅 프로세스에 아주 적합합니다. 정확한 치수도 확보할 수 있고 표면의 마무리 품질도 훌륭하므로, PMMA3D로 프린트 된 모델은 정확한 설계 형상을 보증하며 기계적으로도 이전의 캐스트 설계보다 강한 강성을 확보할 수 있습니다. 그리고 캐스트 설계는 중량 면에서도 가벼우며 3D 프린팅 된 플라스틱 모델은 생산 단가도 낮을 뿐더러 공구에 대한 투자도 필요가 없습니다. 지금까지 언급한 기술들은 이러한 통합된 기술을 적용하여 많은 문제들을 해결할 수 있다는 것을 보여주고 있습니다. 최적화와 피로해석, 캐스팅 시뮬레이션과 3D 프린팅 기술을 조합하여 완벽한 경량 설계를 할 수 있으며, 이러한 경우들에 대해 목표 중량을 만족하면서 부품의 성능을 획기적으로 높일 수 있습니다.

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  1. 핑백: 제품 디자인에 대한 단단한 생각, 솔리드씽킹! 이볼브 2015가 릴리즈 되었습니다. | solidThinking INSPIRE & EVOLVE

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