생성적 설계와 연속 3D 섬유 적층: AI 주도 혁신

생성적 설계는 인공지능(AI), 특히 고급 최적화 알고리즘과 클라우드 컴퓨팅을 결합하여 하나의 엔지니어링 문제에 수천 가지 솔루션을 제공함으로써 자연의 진화적 접근 방식을 복제합니다. "이것은 더 이상 도면 작성이 아니라, 제약 조건을 전달함으로써 설계 문제를 설명하는 것입니다"라고 오토데스크 리서치의 계산 과학 그룹(자칭 첨단 소재 제조 전도사) 막시밀리아노(맥스) 모루치(Massimiliano (Max) Moruzzi)는 설명합니다. 오토데스크가 지원하는 몇 가지 프로젝트는 다음과 같습니다:

MX3D 레진(상단) 및 MX3D 메탈
(TU 델프트)

출처: MX3D

연속 복합재, 오토데스크 및 콤보가 현장에서 연속 섬유 열경화성 수지 허니컴 및 자지지 브리징 구조물 복합재(예: 에폭시)를 프린팅함 출처: 오토데스크

"생성적 설계는 훨씬 더 넓은 범위의 최적화와 설계 가능성을 제공합니다"라고 모루치는 말합니다.

도면이나 선입견된 기하학에서 시작하는 대신, 해결하고자 하는 문제를 정의합니다. 즉, 하중, 공간 제약, 소재, 제조 방법, 비용 제약. 생성적 설계 소프트웨어는 그런 다음 가능한 모든 순열을 탐색하여 수많은 설계 대안을 생성하고, 각 반복에서 테스트하고 학습합니다. 요구사항에 가장 적합한 설계를 선택합니다.

생성적 설계는 "차세대 CAD"입니다. 모루치는 설명합니다. "고수준 수학과 다양한 최적화 도구 세트를 사용하여, 우리는 수치적 합성에 기반한 기하학적 형태를 정의하는 새로운 방식을 만들었습니다. 오늘날 CAD 시스템은 여전히 디지털 제도일 뿐입니다. 하지만 생성적 설계를 통해 우리는 레오나르도 다빈치가 제안한 것에 거의 도달했습니다: '잘 구성된 문제는 최적화된 솔루션을 제공한다'. 우리는 이제 원하는 솔루션을 설명하는 데 집중합니다. 따라서 엔지니어가 전체 설계 공간을 합성할 수 있게 하는 목표 지향적 프로세스이자 플랫폼입니다."

이 패러다임 전환의 한 결과로, 그는 형태와 기능이 구조물에 포함된다고 지적합니다. "소재는 이의 한 부분입니다"라고 모루치는 주장합니다. "소재는 이전에 설계자가 목표로 하던 기하학적 목적을 지원하는 역할을 했습니다. 하지만 생성적 설계를 통해 우리는 이제 제조 공정과 소재를 설계에 추가하여 둘 다 최적 기하학적 형태 분석의 일부가 되게 합니다."

스마트 구조물

오토데스크가 생성적 설계를 개발하기 시작하면서, 모루치는 이것이 첨단 제조로의 여정을 촉발했다고 말합니다. "우리는 첨단 소재와 스마트 소재를 통합하여 생성적 설계의 전체 이점을 포착할 수 있는 기술에 집중하고 있습니다." 그는 섬유 강화 복합재가 강철과 알루미늄 같은 등방성 소재와 동등해졌고 이제 이를 능가하고 있다고 주장합니다. 왜냐하면 복합재는 기능성을 내장할 수 있기 때문입니다. "하지만 우리는 이 소재들의 복잡성을 완전히 이해하지 못하므로 제한적인 파손 기준을 사용합니다. 그 결과 우리는 복합재 소재를 형태에 강제로 맞추게 됩니다. 하지만 완전히 최적화되려면, 소재는 구조적 및 기능적 하중 모두를 따라야 합니다 - 자기 차폐, 온도 기울기, 진동 등."

오토데스크, 에어버스와 협력해 생성적 설계와 금속 3D 프린팅으로 A320용 '바이오닉 파티션' 제작. 오토데스크 작업의 상당 부분이 금속에 있었지만, 모루치는 미래를 섬유 강화 복합재에서 봅니다. 출처: 오토데스크.

모루치는 섬유 강화 복합재와 생성적 설계가 공생적이며, 서로가 실현되고 확장되도록 돕는다고 봅니다. "오늘날 우리는 복합재의 물리학과 소재 특성을 정의한 다음 FEA를 사용하여 설계 문제를 풉니다"라고 그는 설명합니다. "하지만 이것은 거꾸로입니다. 자연은 나무를 만든 다음 목재를 만들지 않습니다." 생성적 설계는 자연의 프로세스와 일치하며, 차례로 복합재가 그렇게 할 수 있게 합니다. "이제 소재와 그 배치가 구조적 하중과 기능성에 의해 구동될 수 있습니다"라고 모루치는 말합니다. "이는 신기능성 소재와 증강 제조 공정으로 이어질 것입니다."

그러나 모루치는 지금까지 섬유 강화 복합재를 위한 자동화된 공정이 부품에 기능을 쉽게 내장할 수 있는 것은 없었다고 주장합니다. 그는 과거 인거솔에서 일하며 보잉, 록히드, 시애틀 람보르기니 랩 같은 회사들과 자동 섬유 적층(AFP) 시스템을 설계한 경험이 있어 이렇게 말합니다. MX3D 및 연속 복합재(Continuous Composites) 같은 회사들과의 프로젝트는 업계 리더와 OEM들에게 무엇이 가능한지 보여주기 위한 전략의 일부입니다. "이 프로젝트들을 통해 우리는 이방성의 이점을 다른 차원으로 끌어올릴 수 있습니다. 단순히 바이오닉하고 생체 모방적인 형태를 실현하는 문제가 아닙니다. 목표는 감지하고 통신할 수 있는 신경계를 가진 살아있는 구조물을 만드는 것입니다. 이것이 스마트 항공기, 자동차, 건물의 진정한 잠재력입니다. 기존 금속으로는 불가능합니다."

출처: 연속 복합재와 오토데스크.

오토데스크 유니버시티 2017에서 연속 복합재가 전시한 러더에 프린팅된 센서가 2일 동안 5기가바이트의 데이터를 수집했으며, 참석자들이 구조물을 만질 때 온도, 가속도, 응력 변화를 추적했습니다. (내 블로그 '연속 복합재'에서 더 읽어보세요.) MX3D도 임베디드 센서가 있는 구조물을 프린팅하고 있습니다.

"3D 프린팅 복합재에 대한 비전을 제시하기 시작한 이유는 툴링이 필요 없고, 부품을 합성하기 때문입니다"라고 모루치는 말합니다. "연속 복합재는 연속 섬유, 와이어 그리고 광섬유로 프린팅할 수 있으므로, 구조물에 신경계를 내장할 수 있습니다. 소재는 즉석에서 함침됩니다. 그래서 이 유형의 제조는 생성적 설계가 솔루션으로 제시하는 것과 일치합니다."

리브레아 요트, 2019 미니-트랜샛 요트 레이스에서 세계 최초 3D 프린팅 요트로 출전 예정.
출처: 오토데스크

모루치는 더 나아가, 궁극적으로 이런 유형의 첨단 제조는 생태계를 필요로 한다고 설명합니다. 여기에는 이러한 스마트 구조물이 어떻게 제조될 수 있는지에 대한 공급망이 포함됩니다. "리브레아 요트는 이 생태계의 다른 부분입니다"라고 모루치는 말합니다. 모루치가 협력하는 또 다른 회사인 리브레아 요트는 세계 최초의 3D 프린팅 세일보트를 건조 중이며, 2019 미니-트랜샛 단독 대서양 횡단 요트 레이스에 출전할 예정입니다. (이 프로젝트에 대한 자세한 내용은 스콧 프란시스(Scott Francis)의 블로그를 읽어보세요). "모든 신기술과 발전에는 투자가 필요하므로, 이 투자가 왜 가치 있는지 교육하는 것이 중요합니다. 또한 참여를 유도해야 합니다." 그는 전통적으로 새로운 소재와 제조가 레이싱 카, 레이싱 보트, 우주선을 통해 흥분을 불러일으켰다고 말합니다. "리브레아는 대서양을 횡단하는 레이싱 보트이며, 경량화를 달성하는 매우 흥미로운 생성적 설계 형태를 가지고 있고, 금형 없이 3D 프린팅으로 제작됩니다. 우리는 이를 생성적 설계와 함께 다가올 것을 방송하는 강력한 채널로 사용할 수 있습니다."

제조의 미래

그는 다른 프로젝트들도 있다며, 예를 들어 건설 산업에서 논의할 수 없지만 가능성을 더 잘 보여줄 것들이 있다고 주장합니다. 그러나 모루치는 복합재와 생성적 설계의 미래는 단지 3D 프린팅이 아니다라고 선언합니다. "그리고 우리는 아직 최종 머신을 가지고 있지 않다고 생각합니다"라고 그는 덧붙입니다. "고객은 특정 CAD/CAM 시스템이나 머신을 원하지 않습니다. 고객 은 솔루션을 원합니다."

모루치는 15년 전 복합재를 시작했을 때 직물 및 텍스타일 산업을 살펴보았다고 말합니다. "가장 진보된 구조물은 텍스타일 자체입니다. 왜냐하면 구조적 성능뿐만 아니라 기능성도 추가하기 때문입니다. 덥거나 춥게 만들 수 있고, 탄력적이거나 아니게 할 수 있으며, 형태를 취하거나 제한하거나, 수축하거나 팽창시킬 수 있습니다. 원하는 어떤 방식으로든 프로그래밍할 수 있습니다." 그는 직기 설계가 변화할 것이라고 봅니다. "현재는 룩업 테이블로 제한되어 몇 가지 다른 설계[직물]만 만들 수 있습니다. 하지만 우리는 생성적 설계와 구조적 텍스타일이 무엇일지를 동기화할 것입니다. 그래서 생성적 제조는 단지 3D 프린팅이 아닐 것입니다. 다른 옵션은 하이브리드 공정으로 직조와 편직 그리고 불연속 섬유 추가가 될 것입니다. 그러면 더 지속 가능한 소재, 생체 소재와 거미 실크 등을 사용하기 시작할 것입니다. 거대한 하이브리드 머신 움직임이 오고 있습니다. 그러면 버튼을 눌러 당신의 꿈을 합성할 수 있습니다."

시스템들이 지속적으로 개선하기 위해 협업하는 앞으로의 길도 있습니다. "설계 공간을 계산하는 생성적 설계 접근 방식으로 단일 설계 개념을 그리는 대신, 무엇이든 변경하면 이미 공간이 완전히 계산되었기 때문에 또 다른 FEA 반복이 아닙니다"라고 모루치는 설명합니다. 머신 러닝이 이미 복합재 제조 시스템에 통합되고 있습니다. 이는 배운 교훈이 미래 설계 반복에 적용되도록 생성적 설계 소프트웨어로 피드백되게 할 것입니다.

(이 개념은 ZAero 프로젝트에서 열경화성 복합재용으로 개발 중인 생산 라인과 에어본, 사빅, 지멘스의 열가소성 복합재용 생산 라인에 대한 내 블로그에서 논의되었습니다.)

완전 공개를 위해, 다른 생성적 설계 플랫폼들도 있습니다. 다쏘 시스템즈는 실제로 2016년 CW 칼럼에서 "기능적 생성적 설계"를 논의했습니다. "복합재 적층 제조의 산업적 채택 증대".

연속 섬유 및/또는 센서로 3D 프린팅을 발전시키는 다른 회사들도 있습니다:

• 아니소프린트(러시아)
• 아레보(Arevo)
• ETH 취리히 카본 팩토리
• 마크포지드(MarkForged)
• 맥네어 센터, 사우스캐롤라이나 대학교
• 모이 컴포지츠(moi composites)
• 오비탈 컴포지츠(Orbital Composites)
• 상하이 대학교
• 도쿄 이과대학 및 일본 대학
  https://www.jscm.gr.jp/3Dprinting/images/introduction_CFRP3Dprinter.pdf