토폴로지 최적화 101:알고리즘 모델을 사용하여 경량 설계를 만드는 방법

좋은 디자인과 기능은 어디에서 만나나요? CAD(Computer-Aided Design)가 계속해서 발전하고 3D 프린팅과 같은 고급 제조 기술이 더 널리 보급되어 복잡한 부품을 그 어느 때보다 쉽게 ​​생성할 수 있게 됨에 따라 설계자와 엔지니어는 토폴로지 최적화 소프트웨어를 활용하여 경계를 넓히고 새로운 방법을 찾을 수 있습니다. 설계 효율성을 극대화합니다.

이 가이드에서는 토폴로지 최적화의 기본 사항, 이점 및 응용 프로그램, 시작하는 데 사용할 수 있는 소프트웨어 도구에 대해 알아봅니다.

토폴로지 최적화란 무엇입니까?

토폴로지 최적화(TO)는 알고리즘 모델을 사용하여 주어진 하중, 조건 및 제약 조건에 대해 사용자 정의 공간 내에서 재료 레이아웃을 최적화하는 형상 최적화 방법입니다. TO는 무게를 줄이거나 공진 또는 열 응력 감소와 같은 설계 문제를 해결하기 위해 상당한 하중을 전달할 필요가 없는 영역에서 중복 재료를 제거하여 설계의 성능과 효율성을 극대화합니다.

토폴로지 최적화로 생성된 디자인에는 종종 기존 생산 방법으로 제조하기가 복잡하거나 불가능한 자유로운 형태와 복잡한 모양이 포함됩니다. 그러나 TO 설계는 보다 관대한 설계 규칙이 있고 추가 비용 없이 복잡한 모양을 쉽게 재현할 수 있는 적층 제조 공정에 완벽하게 맞습니다.

토폴로지 최적화와 생성 설계 비교

제너레이티브 디자인과 토폴로지 최적화는 CAD 디자인 공간에서 유행어가 되었지만 동의어라는 것은 흔한 오해입니다.

토폴로지 최적화는 새로운 것이 아닙니다. 최소 20년 동안 사용되었으며 일반적인 CAD 소프트웨어 도구에서 널리 사용되었습니다. 프로세스를 시작하려면 엔지니어가 CAD 모델을 생성하고 프로젝트 매개변수를 염두에 두고 하중과 구속조건을 적용해야 합니다. 그런 다음 소프트웨어는 중복 재료를 제거하고 엔지니어가 평가할 수 있도록 최적화된 단일 메쉬 모델 개념을 생성합니다. 즉, 토폴로지 최적화는 처음부터 기능에 이르기까지 사람이 설계한 모델을 필요로 하며 프로세스, 결과 및 규모를 제한합니다.

어떤 면에서 토폴로지 최적화는 제너레이티브 디자인의 기초 역할을 합니다. 제너레이티브 디자인은 프로세스를 한 단계 더 발전시켜 미리 정의된 제약 조건을 기반으로 디자이너의 역할을 수행하여 초기 인간이 디자인한 모델의 필요성을 제거합니다.

웨비나

3D 인쇄로 경량 부품을 생산하기 위한 생성 설계 소개

이 웨비나에서 Formlabs 제품 마케팅 책임자인 Jennifer Milne은 제너레이티브 디자인이 무엇인지 설명하고 기계 부품 설계에 적용할 수 있는 프레임워크를 제공합니다. 여기에는 Fusion 360의 단계별 튜토리얼이 포함됩니다. 경량 브래킷.

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토폴로지 최적화 작동 방식

토폴로지 최적화는 일반적으로 원하는 부품이 더 낮은 무게를 가지거나 더 적은 재료를 사용해야 하는 경우 설계 프로세스가 끝날 무렵에 발생합니다. 그런 다음 디자이너는 적용된 하중, 재료 유형, 구속조건 및 레이아웃과 같은 사전 설정된 특정 매개변수를 찾기 위해 작업합니다.

구조적 토폴로지 최적화는 먼저 제품의 형상 최적화에 필요한 최소 허용 설계 공간을 결정합니다. 그런 다음 토폴로지 최적화 소프트웨어는 가상으로 다양한 각도에서 설계에 압력을 가하고 구조적 무결성을 테스트하며 불필요한 재료를 식별합니다.

토폴로지 최적화 워크플로. (출처)

위상 최적화를 위한 가장 일반적이고 실용적인 기술은 유한 요소 방법(FEM)입니다. 첫째, FEM은 다른 요소와 함께 허용되는 최소 공간에 대한 기하학적 설계를 고려하고 설계를 부품으로 나눕니다. 그런 다음 강성, 규정 준수 및 중복 재료에 대해 각 유한 요소를 테스트합니다. 마지막으로 FEM은 부품을 다시 꿰매어 전체 디자인을 완성합니다.

설계 검증에는 0과 1 사이의 요소 밀도 필드 임계값을 결정하는 것이 포함됩니다. 값이 0이면 구조의 지정된 영역에서 재료가 비어 있고 값이 1이면 지정된 영역이 솔리드 재료로 설정됩니다. 그런 다음 디자이너는 모델에서 불필요한 모든 재료를 제거하고 디자인의 토폴로지 최적화 부분을 마무리할 수 있습니다.

적층 제조 이전에 설계자는 토폴로지 최적화로 생성된 많은 복잡한 모양을 제조할 수 없었고 그 잠재력이 실현되지 않은 채로 남아 있었기 때문에 폐기했습니다.

토폴로지 최적화의 장점

엔지니어는 고전적인 설계 및 제조 방법에서 탈피할 충분한 이유가 필요합니다. 혁신적인 디자인이 비용이 적게 들지 않거나, 더 잘 작동하거나, 시간이 절약되지 않는다면 제조업체는 변경할 이유가 거의 없습니다. 토폴로지 최적화의 이점을 살펴보겠습니다.

돈 절약

토폴로지 최적화로 인해 발생하는 많은 복잡한 형상으로 인해 기존 제조 방식으로는 생산 비용을 실현할 수 없습니다. 그러나 3D 프린팅과 함께 사용하면 이러한 복잡성이 추가 비용 없이 발생합니다.

3D 프린팅 부품을 제조하는 것은 최적화되지 않은 전통적으로 제조된 부품보다 생산 비용이 더 많이 들 수 있지만 이러한 경량 설계는 다른 방식으로 제조업체에 더 큰 비용 절감 효과를 제공할 수 있습니다.

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낮은 마찰 덕분에 부품을 움직이는 데 필요한 에너지가 적어 연료 효율성이 향상됨(비행기, 자동차)

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포장 및 운송 비용 절감

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조립 라인에 필요한 중장비 감소

설계 과제 해결

토폴로지 최적화는 다음과 같은 설계 프로세스의 일반적인 문제를 해결할 수 있습니다.

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공진은 시스템의 모양이 허용하는 힘이 시스템을 압도할 때 발생합니다. 이로 인해 기계적 변형, 기계적 구조 감소 및 오염 배출이 발생할 수 있습니다.

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열 응력은 마찰이나 기타 요인으로 인한 재료 온도의 변화로 인해 시스템 내에서 열 피로 및 변형이 발생합니다.

때때로 디자인 최적화에는 크기 최적화 및 무게와 같은 경쟁적인 목적 함수가 포함됩니다. 예를 들어, 항공우주 부품은 경량이라는 이점이 있지만 엄청난 양의 토크, 스트레스 및 열을 견뎌야 합니다. 알고리즘은 이러한 각 목적 함수를 설명하고 최적의 지점을 찾기 위해 설계의 균형을 맞출 수 있습니다.

시간 절약

토폴로지 최적화 소프트웨어로 작업하려면 여전히 상당한 전문 지식이 필요하지만 TO 도구는 엔지니어가 수동으로 생성할 수 없는 고성능 설계를 신속하게 생성할 수 있습니다. 즉, CAD 설계에 소요되는 시간과 에너지가 줄어들고 설계 반복 횟수가 줄어들어 최종 결과가 신뢰할 수 있습니다.

부품 제조와 관련하여 적층 제조 공정은 기존 제조 방법보다 훨씬 더 빠른 툴링이 필요하지 않기 때문에 최종 부품을 신속하게 처리할 수도 있습니다.

환경 영향 감소

더 작고 가벼운 제품을 만드는 것은 처음부터 더 적은 건축 자재를 필요로 하여 제조업체의 전체 탄소 발자국을 줄입니다. 기존의 절삭 가공 도구와 비교할 때 적층 공정을 통해 생산된 부품은 일반적으로 더 적은 원자재를 필요로 하고 더 적은 폐기물을 생산합니다.

종종 부품의 수명 기간 동안 가장 큰 절감 효과가 발생합니다. 예를 들어 비행기의 경량 부품은 연료 소모를 줄여 환경에 미치는 영향을 줄입니다.

오류 제거

기본적으로 토폴로지 최적화는 오류를 제거하는 것입니다. 스트레스 테스트를 수행함으로써 프로세스는 광범위한 변수를 설명하고 제품 결함으로 이어질 수 있는 위험한 가정을 방지합니다.

토폴로지 최적화 응용 프로그램

토폴로지 최적화 기술로 가능한 고성능의 효율적이고 가벼운 설계는 광범위한 산업 분야에 적용됩니다.

항공우주

무게 감소의 중요성으로 인해 토폴로지 최적화는 항공 우주 공학 및 항공학에 자연스럽게 일치합니다. 예를 들어 TO는 항공기용 보강재 리브 또는 브래킷과 같은 기체 구조의 레이아웃 설계를 개선하는 데 사용되었습니다.

구조적 경량화를 가능하게 하는 것 외에도 토폴로지 최적화는 이 부문에서 점점 더 인기를 얻고 있는 적층 제조 또는 복합 재료와 같은 고급 제조 기술의 잠재력을 여는 데 도움이 될 수 있습니다.

Airbus A380의 에지 리브 구성요소의 토폴로지 최적화. (출처)

자동차

자동차 산업에서 토폴로지 최적화는 토크와 충격을 견딜 수 있는 차체의 안정성 및 강도와 함께 연비 및 출력을 위한 경량 부품의 바람직한 균형을 유지합니다.

토폴로지 최적화는 대량 절감 외에도 사고 중 구조가 붕괴되는 방식을 정의하여 승객 안전을 향상시킬 수 있습니다.

금속 3D 프린팅을 사용하여 제조된 경량 토폴로지 최적화 오토바이 프레임. (출처)

의료

적층 제조는 의료 전문가가 자유로운 형태와 표면, 다공성 구조를 만들 수 있도록 하기 때문에 의료 임플란트 제작에 이상적입니다. 토폴로지 최적화 덕분에 디자인은 다른 임플란트보다 더 가볍고 향상된 골유착을 제공하며 더 오래 지속되는 격자 구조를 특징으로 할 수 있습니다.

TO 도구는 또한 조직 공학, 다공성 임플란트 및 경량 정형외과용 생분해성 지지체 설계를 최적화할 수 있습니다. 세포 조작, 수술, 미세 유체 및 광학 시스템과 같은 나노기술 응용 프로그램에서도 토폴로지 최적화를 사용합니다.

금속 적층 제조로 생산된 두개골 임플란트. 출처:Autodesk

토폴로지 최적화 소프트웨어

설계자들은 토폴로지 최적화를 활용하는 다용성, 속도 및 강력한 기능을 점점 더 인식하고 있습니다. 소프트웨어 회사는 기존 제품 내에서 또는 새로운 소프트웨어 솔루션을 통해 필요한 툴킷을 제공함으로써 대응하고 있습니다.

다음은 토폴로지 최적화 소프트웨어의 몇 가지 예입니다.

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nTopology는 고급 지오메트리, 시뮬레이션 및 실험 데이터를 결합하여 설계 프로세스를 가속화하는 "제너레이티브 설계 및 자동화 기능의 고유한 도구 세트"를 제공합니다. 지오메트리 엔진은 항공우주 및 자동차에서 축구 헬멧 디자인, 의료 분야의 환자별 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에 적용됩니다.

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SOLIDWORKS Simulation 솔루션은 구조 분석 도구 중 토폴로지 최적화 기능을 제공하며 이러한 최적화된 설계를 CAD 환경으로 되돌릴 수 있는 여러 방법을 제공합니다.

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Autodesk의 Fusion 360 클라우드 기반 CAD 플랫폼은 형상 최적화 및 고급 기능을 제공하여 3D 인쇄와 같은 기존 및 디지털 제작 도구 모두에서 제조를 위한 설계 검증을 지원합니다.

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Creo 7.0 생성 설계 소프트웨어에는 Generative Topology Optimization 확장 기능이 포함되어 있어 사용자가 제품 제약 조건 및 요구 사항을 설명하고 "혁신적인 설계 옵션을 신속하게 탐색하여 개발 시간과 비용을 줄일 수 있습니다."

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Altaire OptiStruct는 구조 최적화와 분석을 통합합니다. 경량 및 구조적 효율성을 전문으로 하는 이 제품은 격자 구조 설계 시 토폴로지 최적화의 독점적인 방법이 특징입니다. 열 전달, 진동 및 음향, 로터 역학, 강성과 안정성을 포함한 통합 다중물리 환경은 가전제품, 항공 모델링, 의료 기술과 같은 분야의 설계를 지원합니다.

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Tosca Structure는 FEA 소프트웨어 내에서 작동하며 형상을 빠르고 안정적으로 변경할 수 있는 사실적인 시뮬레이션 모델을 자랑합니다. 모프 기능을 사용하면 중간 단계를 건너뛰고 기존 유한 요소 매쉬에서 모양을 최적화할 수 있으며 특히 기계 구조 설계자에게 중요합니다.

혁신을 위한 밝은 미래

엔지니어들은 프로토타입, 기계 부품 및 소비재를 설계하는 혁신적인 방법을 점점 더 많이 사용하고 있습니다.

알고리즘 설계와 3D 프린팅 기술은 함께 사용되며 더 이상 제조업체에 막대한 비용이 들지 않습니다. Formlabs 3D 프린터 제품군을 살펴보고 디자인을 새로운 차원으로 끌어올리십시오.

표지 이미지 출처:nTopology