제너레이티브 디자인 및 3D 프린팅:미래의 제조

제너레이티브 설계는 엔지니어와 설계자가 보다 혁신적이고 효율적인 방식으로 설계 문제에 접근할 수 있도록 하는 소프트웨어 도구입니다. 생성 설계 알고리즘은 목표와 제약 조건을 정의하여 가능한 모든 설계 솔루션을 탐색하고 엔지니어가 탐색할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. .

제너레이티브 디자인은 아직 초기 단계이지만 특히 3D 프린팅과 결합할 때 산업 응용 분야에서 놀라운 잠재력을 보여주었습니다. 제너레이티브 디자인과 3D 프린팅을 함께 사용하면 더 가볍고 강력한 부품을 만드는 동시에 더 많은 디자인 유연성을 얻을 수 있습니다.

오늘 우리는 특히 3D 프린팅과 결합할 때 제너레이티브 디자인을 사용할 때의 이점과 현재의 문제를 살펴볼 것입니다. 또한 3D 프린팅과 함께 사용되는 가장 인기 있는 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 살펴보고 제너레이티브 디자인 기술을 활용하여 혁신을 주도하는 회사를 살펴보겠습니다.

제너레이티브 디자인이란 무엇입니까?

제너레이티브 디자인은 상당히 새로운 기술입니다. 모든 새로운 기술과 마찬가지로, 그 정의에 대한 업계의 합의가 아직 부족합니다. 그럼에도 불구하고 제너레이티브 디자인을 보는 두 가지 주요 방법이 있는 것 같습니다. 토폴로지 최적화를 포괄하는 광범위한 용어 또는 완전히 별개의 기술입니다.

제너레이티브 디자인의 일반적인 관점은 디자인 프로세스를 지원하기 위해 강력한 계산을 사용하는 기술로 설명합니다.

제너레이티브 디자인의 작동 방식을 단계별로 살펴보겠습니다.

1. 매개변수 설정

설계자는 중량, 재료, 크기, 비용, 강도 및 제조 방법과 같은 매개변수를 기반으로 부품 설계에 대한 매개변수를 지정하고 설정합니다.

2. 디자인 생성

제너레이티브 디자인 소프트웨어는 알고리즘을 사용하여 수천 가지 디자인 옵션을 탐색하고 생성합니다. 이 단계에서 소프트웨어는 AI 기반 알고리즘을 사용하여 각 설계를 분석하고 가장 효율적인 설계를 수립할 수도 있습니다.

3. 최상의 옵션 선택
디자이너는 이러한 디자인을 연구하고 디자인 목표를 가장 잘 충족하는 결과를 선택할 수 있습니다.

디자인의 기하학을 결정하기 위해 제너레이티브 디자인 알고리즘은 다음과 같은 다양한 접근 방식을 사용할 수 있습니다. 토폴로지 최적화, 생체 모방 및 형태 생성으로.

이러한 접근 방식의 주요 차이점은 토폴로지 최적화 알고리즘은 일반적으로 기존 설계에서 시작하여 부품 무게를 줄이기 위해 재료를 제거한다는 것입니다.

반대로 생체모방 및 형태형성은 디자인에 대한 자연의 진화적 접근 방식을 모방합니다. 예를 들어 나무의 뿌리와 가지가 자라거나 뼈 구조가 진화하는 것과 같이 이를 사용하여 디자인 옵션을 생성하는 것입니다.

제너레이티브 디자인의 이점

3D 프린팅과 함께 사용하면 제조 비용 절감 및 생산성 향상을 포함하여 이점을 더욱 확장할 수 있습니다. 우리는 3가지 핵심 이점을 확인했습니다.

1. 혁신적인 디자인 옵션

제너레이티브 디자인 소프트웨어는 인간이 상상할 수 있는 것 이상의 형상을 생성할 수 있으므로 제품 디자인에서 인간의 능력을 향상시킬 수 있습니다.

2. 경량화

제너레이티브 설계 도구는 엔지니어가 엔지니어링 요구 사항을 준수하면서 필요한 최소한의 재료를 사용하여 경량 부품을 만들 수 있는 리소스를 제공합니다.

3. 부품 통합

제너레이티브 설계는 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합하는 솔루션을 제공할 수 있습니다. 부품을 통합하면 조립 프로세스, 유지 관리가 간소화되고 전체 제조 비용이 절감됩니다.

제너레이티브 디자인이 3D 프린팅에 적합한 이유는 무엇입니까?

제너레이티브 디자인 소프트웨어는 복잡하고 유기적인 형태의 부품을 개념화하는 데 도움이 됩니다. 반면에 3D 프린팅은 복잡한 형상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 비용 효율적이기 때문에 이러한 모양에 생명을 불어넣는 데 이상적인 기술일 것입니다. 전통적인 제조 방식에서는 높은 비용이나 기술의 한계로 인해 이러한 모양을 만드는 것이 불가능하지는 않더라도 종종 비실용적일 수 있습니다.

그러나 제너레이티브 디자인이 대부분의 경우 기술이 가장 최적의 생산 방법이 될 것이지만 적층 제조만 가능합니다. 일부 제너레이티브 디자인 소프트웨어 패키지를 사용하면 AM 외에도 CNC 머시닝, 캐스팅 또는 사출 성형과 같은 제조 방법을 지정할 수 있습니다.

제너레이티브 디자인의 과제

현재 제너레이티브 디자인은 개발 초기 단계에 있으므로 초기 사용자는 특정 문제에 직면할 수 있습니다.

#1:학습 곡선

예를 들어, 제너레이티브 디자인 소프트웨어가 해결해야 하는 계산 가능한 용어로 디자인 문제를 정확하게 정의하려면 가파른 학습 곡선이 필요합니다. 설계 문제를 매개변수 세트로 표현하는 데 경험이 없는 엔지니어는 느슨하게 정의된 구조적 구속조건이나 하중으로 끝날 수 있으며, 이는 결국 설계 실패를 초래할 수 있습니다.

#2:디자인과 제조 간의 격차

제너레이티브 디자인에서 고려해야 할 또 다른 점은 효율적인 디자인이 항상 효율적으로 제조될 수 있는 것은 아니라는 점입니다. 예를 들어 Renishaw 사례 연구에서 엔지니어는 서스펜션 벨 크랭크를 토폴로지 최적화했습니다. 그러나 그들은 최적화된 부품의 제조 가능성을 고려하지 않았습니다. 그 결과 많은 지지대를 인쇄해야 하는 설계가 생성되었지만 가능한 한 적은 지지대를 사용하여 부품을 설계하는 것이 좋습니다.

#3:도전적인 기하학

게다가, 제너레이티브 디자인 도구를 사용하여 만든 디자인은 3D 프린팅에서도 어려운 형상을 만들 수 있습니다. 돌출된 기능과 얇은 벽은 이에 대한 몇 가지 예에 불과합니다. 그러나 새로운 생성 설계 도구는 사용자가 돌출 각도 및 최소 벽 두께와 같은 추가 제조 데이터를 지정할 수 있는 옵션을 제공합니다.

#4:필요한 리소스

마지막으로, 제너레이티브 디자인 접근 방식은 컴퓨팅 집약적일 수 있으며 하드웨어의 강력한 컴퓨팅 기능이 필요합니다. 그러나 점점 더 많은 회사에서 클라우드 컴퓨팅을 활용하는 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 제공하므로 값비싼 하드웨어에 투자할 필요가 없습니다.

3D 프린팅을 위한 제너레이티브 디자인 소프트웨어 솔루션

제너레이티브 디자인 소프트웨어 시장은 새로운 시장이지만 적층 및 절삭 가공 모두에 사용할 수 있는 소프트웨어 패키지가 이미 많이 있습니다. 이 섹션에서는 3D 프린팅을 위한 제너레이티브 디자인에서 가장 유망한 제품을 살펴보겠습니다.

Autodesk 제너레이티브 디자인

Autodesk는 제너레이티브 디자인 개발의 최전선에 있었습니다. 4월에 이 회사는 클라우드 기반 Fusion 360 Ultimate 제품 개발 소프트웨어에 통합된 Autodesk Generative Design 플랫폼을 출시했습니다.

작동 방식

이 플랫폼을 통해 엔지니어는 재료, 크기, 무게, 강도, 제조 방법 및 비용 제약과 같은 설계 매개변수를 정의할 수 있습니다. 특히 이 소프트웨어는 다양한 설계 옵션 중에서 유효한 설계를 필터링하는 데 도움이 되는 AI 기반 알고리즘을 사용합니다. 이 소프트웨어는 또한 제조 가능성을 고려하므로 설계자는 최대 10개의 서로 다른 적층 제조 재료를 선택하여 설계를 연구할 수 있습니다.

Frustum GENERATE

2014년에 설립된 젊은 기업 프러스텀은 제너레이티브 디자인 분야에서 중요한 역할을 하고자 하는 기업입니다. 회사가 제공하는 것은 적층 제조, 밀링 및 주조를 위한 토폴로지 최적화 구성 요소를 생성하기 위한 직관적인 프로그램인 GENERATE 소프트웨어입니다. GENERATE는 클라우드 기반 플랫폼으로 Free, Professional 및 Enterprise의 세 가지 계층으로 제공됩니다.

작동 방식

GENERATE에서 사용자는 특정 하중 및 구속조건 값을 부품의 면에 할당합니다. Frustum의 생성 설계 엔진 TrueSOLIDⓇ로 구동되는 이 프로그램은 응력 집중의 유한 요소 분석(FEA) 맵을 생성합니다. 이 맵을 사용하여 사용자는 특히 구조에서 불필요한 재료의 양을 줄이기 위해 부품의 지오메트리를 수정할 수 있습니다. 모델을 STL 형식으로 저장할 수 있으며 3D 인쇄할 준비가 되었습니다.

Frustum은 작년에 Siemens와의 파트너십을 발표했으며 현재 이 기술은 Siemens PLM 소프트웨어에 상업적으로 라이선스되었으며 Siemens NX 및 Siemens SolidEdge에 통합되었습니다.

Desktop Metal's Live Parts™

미국에 기반을 둔 금속 AM 시스템 제조업체인 Desktop Metal의 연구 그룹 DM Lab은 최근 Live Parts™라는 실험 기술을 발표했습니다.

작동 방식

The Live Parts™ 생성 설계 플랫폼은 크기, 목적 및 무게와 같은 미리 결정된 매개변수 세트를 기반으로 부품이 '성장'하도록 하는 자연에서 영감을 받은 알고리즘을 사용합니다. 이 프로그램은 시드 셀에서 강하고 가벼우며 피로에 강한 최적화된 구조로 개발하여 디자인을 만듭니다. 부품 '성장' 프로세스는 모델의 크기에 따라 일반적으로 5분에서 5분 정도 걸립니다.

제너레이티브 디자인의 실제

제너레이티브 디자인 제품이 주류가 되기까지는 멀지만 항공우주, 자동차 및 의료와 같은 고부가가치 산업에 큰 가능성이 있습니다. 제너레이티브 설계 및 적층 제조 제품의 이점을 가장 먼저 얻기 위해 이러한 산업의 일부 회사는 이미 두 제품의 조합을 조사하기 시작했습니다.

자동차

예를 들어, Bugatti Automobiles는 3D 프린팅 및 제너레이티브 디자인을 통해 Siemens 제너레이티브 디자인 소프트웨어의 테스트 프로젝트에서 1,500 PS Chiron 슈퍼 스포츠카의 실제 날개 제어 시스템을 혁신했습니다.

이 자동차 제조업체는 Siemens NX 플랫폼을 사용하여 어셈블리의 무게를 최적화할 수 있었고, 그런 다음 티타늄과 탄소 섬유로 3D 인쇄했습니다. 이 접근 방식은 50% 이상의 무게 감소로 이어졌습니다.

General Motors는 Autodesk 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 사용하여 미래 제품을 위한 제너레이티브 디자인 및 3D 인쇄의 가능성을 모색하는 또 다른 자동차 제조업체입니다.

"GM에서는 우리가 기대하는 성능 기준에 부합하는 경량 부품 설계를 가능하게 하는 적층 제조 공정과 결합된 제너레이티브 설계의 큰 잠재력을 보고 있습니다." General Motors의 적층 제조 이사인 Kevin Quinn은 말합니다.

현재 GM은 생산을 위해 생성적으로 설계된 부품을 3D 프린팅하지 않고 대신 개념 증명에 중점을 둡니다. 예를 들어, 초기 프로젝트에서 GM은 Autodesk의 소프트웨어를 사용하여 좌석 브래킷의 150개 이상의 디자인 옵션을 생성했습니다. 이들은 현재 사용 중인 브래킷보다 40% 더 가볍고 20% 더 강력합니다. 이 회사는 또한 브래킷의 8가지 다른 구성요소를 하나의 3D 인쇄 부품으로 통합할 수 있었습니다.

그러나 한 자동차 회사는 생성적으로 설계되고 대량 생산된 3D 인쇄 부품으로 이정표를 달성했습니다. BMW는 최근 수상 경력에 빛나는 BMW i8 로드스터용 루프 브래킷을 선보였습니다. BMW의 엔지니어들은 토폴로지 최적화를 사용하여 부품에 필요한 재료의 양을 최소화한 다음 티타늄으로 부품을 3D 프린팅했습니다. 토폴로지 최적화는 44%의 무게 감소로 이어졌을 뿐만 아니라 3D 프린팅 프로세스 동안 지지 구조가 필요하지 않은 디자인을 만들었습니다.

의료

의료 분야에서 제너레이티브 디자인은 인간 뼈의 다공성 특성을 재현하는 임플란트를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 미국에 기반을 둔 의료 회사인 NuVasive는 독점 설계 최적화 소프트웨어를 사용하여 티타늄 임플란트를 만듭니다. 이 소프트웨어는 적층 제조에서만 가능한 격자, 비대칭, 경량 설계를 가능하게 합니다.

미래 예측:제너레이티브 디자인의 미래

제너레이티브 디자인 기술이 제품 디자인 워크플로에 점점 더 통합됨에 따라 산업 전반에 걸쳐 사용되는 제너레이티브 디자인의 예가 점점 더 보편화되고 있습니다. 여전히 비교적 새로운 기술이지만 이미 엔지니어에게 제품 설계를 바라보는 완전히 새로운 방식을 제공합니다.

AI와 머신 러닝은 최근 제너레이티브 디자인 기술 발전의 많은 부분을 담당해 왔지만 적층 제조는 제너레이티브 디자인 소프트웨어 채택을 주도하는 데도 핵심적인 역할을 했습니다. 머신 러닝, 클라우드 컴퓨팅 기능 및 AM의 추가 발전과 함께 제너레이티브 설계 기술이 뒤따를 것으로 기대하며 이는 제조의 미래에 핵심 요소가 될 것입니다.