3D 프린팅과 인스파이어의 위상 최적화가 만나면?


아래 내용은 엔지니어링 관련 다양한 이슈를 다루는,
미국 언론 ‘엔지니어링닷컴’에 소개된 인스파이어 기사 내용입니다.


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위상 최적화는 해석 조건에 맞는 최적의 모델을 생성하기 위한 적층 설계 방법입니다.

  3D 프린팅은 엔지니어들에게 기존의 방법으로는 만들 수 없었던 제품을 설계할 수 있도록 만들어줍니다. 부피를 줄이는 것과 달리, 부피가 늘어나게 되면 형상은 더 복잡해지게 됩니다. 3D 프린팅은 엔지니어들에게 경량 설계 및 보다 유기적인 제품 제작을 위한 전례 없는 기회를 제공합니다.

  역사적으로, 설계 방식은 제품 제작에 큰 영향을 미쳤습니다. 솔리드씽킹의 수석 어플리케이션 엔지니어 자이뎁 뱅갈(Jaideep Bangal)은 “전통적으로 우리는 불린(Boolean) 작업이나 감법(subtractive) 설계에 기반을 둔 CAD 프로그램으로 부품을 설계해 왔습니다.” 라고 말합니다.

  그러나 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)와 같은 소프트웨어는 3D 프린팅 기법과 동일한 적층 기법을 사용하여 제품을 생산할 수 있도록 해 줍니다. 위 인스파이어는 주어진 설계 공간과 해석 조건(하중경계 조건) 범위 내에서 위상 최적화 기법을 이용, 수학적 접근 방식으로 형상을 최적화 합니다.

  뱅갈은 “인스파이어는 사람 뼈 성장의 알고리즘을 기반으로 합니다. 사실 뼈의 움직임에는 서로 다른 여러가지 힘들이 작용하게 됩니다. 이러한 알고리즘은 매우 유기적인 설계를 찾도록 도와주며, 위상 최적화를 함께 이용하여 수학적으로 가장 효율적인 형태를 찾아낼 수 있습니다.” 라고 말합니다.

  또한 뱅갈은 “생산 측면에서, 3D 프린팅은 구조적인 제한을 없애 줍니다. 여러분은 가장 효율적이고 기능적으로 부품들을 설계할 수 있으며, 3D로 프린트 할 수 있습니다. 기존의 제조 기법으로 구현하기 힘든 부품 형상을 어려움 없이 제작할 수 있습니다.” 라고 이야기합니다.

빠른 위상 최적화

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CAD 환경에서 위와 같은 브라켓을 설계하기는
어려울 것입니다.

  3D 프린팅은 기존의 제조 방식과 비교하여 보다 자유롭게 형상을 만들 수 있기 때문에, 엔지니어들은 더 가치 있는 설계를 할 수 있습니다. 이러한 성능 향상은 부품을 더 가볍고 튼튼하게 그리고 저렴하게 만들어 줍니다. 하지만 엔지니어들은 이 향상된 기능 때문에 설계에 더 많은 시간을 투자하게 될 수도 있습니다.

  다행스럽게도, 인스파이어는 다양한 기준을 고려하여 여러 번의 반복 설계를 피하고 최적화된 형상을 결정하기 위해 빠른 위상 최적화를 수행할 수 있습니다.

  뱅갈은 “위상 최적화는 자연이 다른 힘과 반응하는 방법에 기반하여 무언가를 찾아냅니다. 인스파이어의 내장되어있는 빠른 연산 로직을 이용함에 따라, 설계 프로세스는 이제 수 일에서 단 몇 시간으로 단축되었습니다. 그리고 여러분은 그 설계를 다시 3D 프린팅으로 가져올 수 있습니다.” 라고 말합니다.

  뱅갈은 그의 고객이 설계한 브라켓을 예로 들어 설명합니다. 그는 “CAD 툴을 사용했다면 2~3주 안에 제가 이런 설계를 찾을 수 있었을까요? 그리고 구조적으로 안정되게 설계할 수 있을까요? 아마 CAD와 시뮬레이션 사이를 병행해가면서 작업을 해야겠죠. 그런 방법은 아주 고전적인 방법입니다.” 라고 설명합니다.

  인스파이어가 최적화할 수 있는 향상된 성능은 다음과 같습니다.

  • 필요한 부분의 두께를 최대화
  • 중량 최소화
  • 고유 주파수 최적화

  • 누구의 도움도 필요없다? 3D 프린팅과 함께라면 걱정없어요!

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    3D 프린팅은 제조 공정의 변화 없이
    자유로운 구조와 멋진 디자인을 제공합니다.

      3D 프린팅은 설계 엔지니어들에게 또 다른 혜택을 제공합니다. 엔지니어들이 더 이상 설계를 구축하는 방법에 대해 걱정하지 않아도 되는 것처럼, 소스 방법에 대해서도 걱정할 필요가 없습니다. 그들은 단지 프린터와 CAD파일만 있으면 됩니다.
    예를 들어 설명하면, 엔지니어들은 그들이 재설계하고자 하는 부분을 검색하고, 인스파이어 및 3D 프린트로 이를 최적화할 수 있습니다.

      뱅갈은 “여러분은 바로 제작할 수 있습니다. 공급망에 대해 걱정할 필요가 없으며, 재정비 또한 필요하지 않습니다. 지금 바로 제작해도 문제가 없는 설계 안을 찾아낼 수 있습니다.” 라고 말합니다.

      많은 조건들을 가진 사용자 맞춤형 부품을 만드는 경우, 예전에는 작업에 필요한 툴들을 구축해야 했지만 이제는 3D 프린터로 보내 바로 부품 전체를 제작할 수 있습니다. 하루 안에 여러분은 결과를 얻을 수 있습니다. 기존 제조 방식으로 사용자 맞춤형 부품을 만든다면 더 많은 시간이 걸릴 것입니다. 하지만 하나의 부품이라도 극도로 경량화 된 최적화를 이루기 위해서는 전통적인 방법에 비하여 휠씬 긴 시간이 소요될 수도 있습니다.

      그러나 뱅갈은 3D 프린팅으로 돈을 절약할 수 있는 또 다른 방법을 제시합니다. 뱅갈은 “인스파이어 기반 설계는 적층 제조의 가능성을 열어줍니다.” 라고 말합니다. 그는 솔리드씽킹 사용자들이 3D 프린팅을 사용하면 그들 제품의 중량을 25%~75% 감소할 수 있다고 설명했습니다.

    인스파이어에 파트를 최적화하는 다른 제조 옵션은 없나요?

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    파트는 3D 프린팅 이외에도
    제조 공정을 위해 최적화되어 있습니다.

      부품의 성능 최적화 이외에 인스파이어는 주어진 제조 공정 일부를 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 형상 컨트롤은 인스파이어에서 주조가 가능한 부품을 만드는데 사용됩니다. 그래서 부품은 기존의 방법을 통해 중량 및 제조를 위해 최적화될 수 있습니다.

      뱅갈은 “우리는 제조 가능하거나 3D 프린팅을 할 수 있는 무언가를 만드는데에도 인스파이어를 사용할 수 있습니다. 인스파이어가 꼭 필요한 부분에만 재료를 추가하고, 나머지 부분에서는 중량을 절감하는 것을 확인할 수 있습니다.” 라고 이야기합니다.

      다시 말해, 인스파이어의 위상 최적화는 초기 컨셉 형상을 찾아내는데 사용됩니다. 이 컨셉 형상은 부품이 다양한 제조 과정에 의해 만들어질 수 있도록 조정하여 최적화를 달성할 수 있습니다.

      하지만 이는 단지 컨셉 형상일 뿐이며, 엔지니어들은 여기서 제조될 부품들을 수정해야 합니다. 이 과정에서 최종 수정을 위해 모델을 CAD로 가져와서 작업 할 수도 있습니다. 부품을 프린팅하거나 기존의 제조 방식을 사용할 경우, 이러한 과정이 필요할 수도 있음을 기억하시기 바랍니다.

      그러나 뱅골은, 여기에는 이러한 형상 컨트롤과 함께 트렌드가 있다고 지적했습니다.
    뱅골은 “우리는 시간을 거꾸로 거슬러가고 있습니다. 3D 프린팅과 같은 컨트롤 없이 우리는 매우 유기적인 설계를 할 수 있습니다.” 라고 말합니다.

    인스파이어에서 내 파트를 어떻게 설계할까요?

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    인스파이어로 부품을 25% 더 가볍게 만들었습니다.

      위상 최적화를 하기 위한 두 가지 시작 포인트가 있습니다. 첫 번째는 밑그림부터 설계하는 것, 두 번째는 기존의 설계를 가져와서 최적화하는 것입니다. 인스파이어를 사용하려면, 두 경우 모두 해석 조건과 설계 공간에 대한 정의가 필요합니다.

      만약 기존의 설계, 제약 조건, 설계 기준을 사용하는 경우라면, 인스파이어는 모델의 모든 필렛과 홀들을 강조할 것입니다. 이는 최적화가 진행되는 동안 엔지니어에게 더 많은 설계 공간을 사용할 수 있도록 하기 위함입니다.

      다음으로, 볼트, 핀, 표면 연결을 추가함으로써 부품은 고정됩니다. 그 후 물성 데이터베이스 또는 사용자 정의 물성 파라미터를 입력하여 부품이 만들어 질 수 있도록 정의합니다. 그리고 하중을 입력하면 최적화가 시작됩니다.

      형상이 모든 조건을 만족시킬 때까지 인스파이어는 재료를 추가합니다. 따라서 재료, 하중, 설계 공간 및 성능 기준의 특성에 따라, 문제가 생기거나 중량 절감이 더 필요한 경우에 대해 재료를 더 추가하거나 빼는 것이 필요할 수 있습니다.

      또한 인스파이어는 하중 조건에 대한 파트를 검증하는데 사용될 수도 있습니다. 엔지니어들은 추가적인 설계 변경을 위해 파트를 CAD로 내보내서 더 작업해야 할 수도 있습니다. 이 과정까지 완료되면 최종 완성된 파트를 3D 프린터나 프로토타이핑 팀으로 보냅니다.

      뱅갈은 “인스파이어는 주어진 해석 조건에 기반하여 꼭 있어야 하는 재료들을 표시해줍니다.” 라고 말합니다. 그리고 3D 프린팅 덕분에, 엔지니어들은 인스파이어를 사용해서 아주 전문적이고 복잡한 구성요소를 설계할 수 있게 되었습니다.

      인스파이어와 3D 프린팅에 대해 더 많은 것이 궁금하시면, 여기를 클릭하세요.

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