토폴로지 최적화 및 3D 인쇄로 새로운 설계 기회를 얻는 방법

오늘날 적층 제조(AM)는 기능 부품의 설계 및 생산에 있어 전례 없는 가능성을 제공합니다. 그러나 기술이 제공하는 설계 복잡성을 최대한 활용하려면 토폴로지 최적화와 같은 설계 소프트웨어가 필요합니다.

토폴로지 최적화를 통해 더 강력하고 가벼운 부품을 생산할 수 있습니다. 오늘 기사에서는 3D 프린팅과 결합된 토폴로지 최적화가 엔지니어가 부품 설계 및 생산에 대한 접근 방식을 재정립하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴봅니다.

토폴로지 최적화란 무엇입니까?

토폴로지 최적화는 수학적 계산을 사용하여 객체의 기하학을 최적화하는 생성 설계 기술입니다.

부품의 형상을 최적화하는 과정은 부품이 차지할 수 있는 최대 부피를 나타내는 "디자인 공간"을 정의하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 소프트웨어는 하중, 변형, 강성 구속 및 경계 조건과 같은 여러 요구 사항을 기반으로 형상을 분석합니다.

이를 통해 소프트웨어는 부품의 기능이나 성능을 희생하지 않고 재료를 제거할 수 있는 영역을 식별할 수 있습니다.

이러한 방식으로 토폴로지 최적화는 주어진 부품의 가능한 최상의 구조를 만드는 데 도움이 됩니다.

토폴로지 최적화의 이점

더 빠른 디자인 프로세스

토폴로지 최적화 소프트웨어는 최적화된 형상을 생성할 때까지 설계를 자동으로 반복함으로써 부품 개발 및 설계 프로세스의 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

처음부터 성능 요구 사항을 설계에 반영하고 설계 생성 프로세스를 자동화함으로써 훨씬 더 빠르게 혁신적인 설계를 도출할 수 있어 궁극적으로 설계 주기를 단축할 수 있습니다.

더 가볍고 강력한 부품

토폴로지 최적화 사용의 가장 큰 장점은 아마도 무게를 줄이고 강도를 최적화하여 부품 성능을 향상시킬 수 있다는 것입니다.

토폴로지 최적화 도구는 매개변수 세트로 정의된 장소에 재료를 추가하거나 제거함으로써 엔지니어가 끝없는 설계 옵션을 탐색하고 주어진 부품의 가벼우면서도 탄력적인 구조를 최대한 찾을 수 있도록 합니다. .

많은 산업 분야에서 더 가벼운 부품을 찾고 있습니다. 예를 들어, 항공 우주에서 경량 부품은 항공기 연료 소비를 크게 줄일 수 있는 반면 모터스포츠에서는 경주용 자동차 성능을 근본적으로 향상시킬 수 있습니다.

또한 부품이 가벼울수록 부품을 만드는 데 사용되는 재료가 줄어듭니다. , 이는 제조 비용을 낮춥니다.

토폴로지 최적화와 3D 프린팅 결합

기존 제조 방식은 토폴로지 최적화 설계를 생성하는 능력이 제한적인 경우가 많습니다. 이러한 설계는 종종 기계가공 또는 사출 성형을 사용하여 생산하는 것이 불가능하거나 비용이 많이 드는 복잡한 모양을 특징으로 합니다.

반면, 3D 프린팅은 복잡성에 대한 추가 비용 없이 복잡한 모양을 생성할 수 있습니다. 따라서 3D 프린팅은 토폴로지에 최적화된 설계를 최대한 활용할 수 있는 최고의 기술입니다.

토폴로지 최적화 실제

토폴로지 최적화와 3D 프린팅의 결합 사용은 자동차, 항공 우주 및 의료와 같은 산업에서 찾을 수 있습니다.

항공우주

Aerospace는 경량 부품 제작, 감소된 지지 구조 및 생산 부품의 강도 보존 덕분에 토폴로지 최적화 설계를 가장 많이 채택한 업체 중 하나입니다.

최적화되고 적층 제조된 부품은 위성 및 우주선 발사 비용을 줄이는 데 매우 가치가 있는 것으로 입증되었습니다.

항공기 동체 패널을 생산하기 위해 토폴로지 최적화를 사용한 항공 구조 제조업체 STELIA Aerospace가 좋은 예입니다.

토폴로지 최적화 덕분에 STELIA의 설계자와 엔지니어는 향상된 안정성과 함께 더 강력한 항공기 동체 패널을 만들 수 있었습니다. 또한 토폴로지에 최적화된 설계로 재료 낭비를 줄여 생태학적 이점이 추가되었습니다.

의료

토폴로지 최적화의 이점을 얻을 수 있는 또 다른 산업은 의료입니다. 기능적으로 최적화된 구조는 환자의 뼈 강성과 밀도를 모방한 임플란트 생산을 위한 새로운 기회를 열어줍니다.

최근 IT 회사인 Altair는 3D 프린팅과 토폴로지 최적화 소프트웨어를 결합하여 개선된 고관절 임플란트를 만들었습니다.

크기, 무게 및 임플란트가 지탱할 예상 하중과 같은 매개변수를 입력하여 토폴로지 최적화 소프트웨어를 사용하여 엉덩이 임플란트를 위한 새로운 디자인을 생성했습니다. 최적화된 디자인은 일반 임플란트보다 더 효율적인 방식으로 응력과 변형을 분산시킵니다.

또한 토폴로지 최적화 소프트웨어는 임플란트를 더 가볍게 만들기 위해 격자 구조로 재료를 대체할 수 있는 위치를 결정하는 데 도움이 되었습니다.

테스트 시 최적화된 임플란트는 약 1천만 주기로 증가한 내구성 한계를 제공했습니다. 이것은 고관절 임플란트가 로스앤젤레스에서 뉴욕까지, 그리고 다시 두 번 조깅을 견딜 수 있음을 의미합니다.

자동차

2018년, BMW는 수상 경력에 빛나는 3D 프린팅 금속 루프 브래킷이 특징인 아이코닉한 i8 로드스터 자동차를 출시했습니다.

차의 상부를 접고 펴는 데 도움이 되는 작은 부품인 루프 브래킷은 루프 폴딩 메커니즘의 성능을 극대화하기 위해 새로운 디자인이 필요했습니다. 이 목표를 달성하기 위해 BMW 엔지니어들은 3D 프린팅과 토폴로지 최적화 소프트웨어를 결합했습니다.

엔지니어는 소프트웨어를 사용하여 무게, 구성 요소의 크기 및 걸릴 하중과 같은 매개변수를 입력할 수 있었습니다. 그런 다음 소프트웨어는 부품의 재료 분포를 최적화하는 설계를 생성했습니다.

엔지니어링 팀에서 달성한 디자인은 캐스팅이 불가능했습니다. 팀은 이 디자인을 가능하게 하는 유일한 방법이 금속 3D 프린팅을 통해서라는 것을 발견했습니다.

선택적 레이저 용융(SLM) 기술 덕분에 엔지니어들은 기존 대안보다 10배 더 단단하고 44% 더 가벼운 금속 지붕 브래킷을 만들었습니다.

3D 프린팅을 위한 토폴로지 최적화 소프트웨어의 예

3D 프린팅용 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어를 제공하는 많은 IT 회사에서도 토폴로지 최적화 기능을 갖춘 설계 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 섹션에서는 3D 프린팅을 위한 토폴로지 최적화의 유망한 제품을 살펴보겠습니다.

알테어 인스파이어

Altair는 제품 개발, 고성능 컴퓨팅 및 데이터 분석 분야에서 소프트웨어 및 클라우드 솔루션을 제공하는 글로벌 기술 회사입니다.

할 수 있는 일

Altair Inspire는 최적화 목표, 응력 및 변위 제약, 가속, 중력 및 온도 하중 조건을 포함한 다양한 토폴로지 옵션을 제공합니다.

토폴로지 최적화 소프트웨어는 제조 공정 제약도 관찰합니다. 예를 들어, 오버행 모양 제어가 있는 AM용 설계를 통해 오버행을 줄여 더 많은 자체 지지 구조를 만들 수 있습니다.

Ansys 기계

ANSYS는 기계 공학을 위한 시뮬레이션 소프트웨어 및 설계 도구 제공업체입니다. ANSYS는 설계자에게 전체 다중물리 소프트웨어 제품군과 통합된 자동화된 토폴로지 최적화 도구를 제공합니다.

기능

Ansys Mechanical의 토폴로지 최적화를 사용하면 고유 진동수에 대한 최적화(모달 분석)와 결합된 여러 정적 하중을 고려하고 최소 재료 두께에 대한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그 외에도 소프트웨어는 최적화 결과를 쉽게 검증하여 설계 프로세스를 가속화하도록 설계되었습니다.

ParaMatters CogniCAD

설계 및 CAD 소프트웨어 분야에는 시장을 변화시키려는 소수의 신생 기업도 있습니다. 2016년에 설립된 ParaMatters는 제너레이티브 디자인 소프트웨어인 CogniCAD를 개발했습니다.

기능

CogniCAD는 자체 개발한 토폴로지 최적화, 고해상도 유한 요소 분석 및 계산 기하학을 기반으로 고도로 자동화된 워크플로를 제공하는 것으로 알려져 있습니다.

다양한 하중 조건, 디자인이 3D 프린팅에 적합한지 확인하는 데 도움이 되는 디자인 목표와 제약 조건.

nTopology nTop 플랫폼

2015년에 설립된 nTopology는 설계 소프트웨어를 제공합니다. 지난 5월 회사는 설계 분석, 경량화 및 최적화 도구를 제공하는 설계 소프트웨어인 Element를 출시했습니다.

기능

토폴로지 최적화 도구 측면에서 nTop 플랫폼을 사용하면 사용자가 여러 하중 조건을 적용하고 응력, 변위 및 강성을 포함한 다양한 성능 기준에 대해 최적화할 수 있습니다.

설계가 최적화되면 이 도구를 사용하여 토폴로지 최적화 결과를 편집 가능한 형상으로 자동 변환할 수 있습니다. 회사에 따르면 이는 수동 형상 재구성 없이 빠르고 반복 가능한 프로세스를 제공하여 시간과 노력을 절약할 수 있습니다.

토폴로지 최적화:새로운 설계 접근 방식

AM용 토폴로지 최적화 소프트웨어는 지난 몇 년 동안 괄목할 만한 발전을 보였습니다. 대형 소프트웨어 회사와 신생 기업 모두 3D 프린팅을 위한 디자인의 한계를 뛰어 넘는 고급 솔루션을 개발하고 있습니다.

이러한 발전 덕분에 다양한 산업 분야의 기업은 이제 더 큰 설계 자유도, 더 빠른 설계 주기 및 향상된 부품 성능을 활용할 수 있습니다.

미래로 이동하여 AM용 토폴로지 최적화 소프트웨어의 기능은 계속해서 진화하여 새롭고 강력한 가능성을 열어줄 것입니다.