3D 프린팅으로 달성한 7가지 복잡한 디자인

엔지니어는 3D 프린팅이 제공하는 설계 유연성을 활용하여 가장 어려운 아이디어라도 실현할 수 있습니다.

3D 프린팅은 기존의 제조 방식으로는 얻을 수 없는 형상과 특징을 생산할 수 있는 기술입니다. 기술의 힘을 보여주기 위해 3D 프린팅으로만 가능한 인상적인 디자인의 7가지 예를 살펴봅니다.

1. Bugatti의 3D 프린팅 티타늄 브레이크 캘리퍼

애플리케이션:자동차

장점:경량화, 강화된 강도

프랑스 자동차 제조업체인 Bugatti는 최신 Chiron 슈퍼카에 3D 프린팅의 자유도를 활용하여 티타늄으로 3D 프린팅한 세계에서 가장 강력한 브레이크 캘리퍼를 생산했습니다.

브레이크 캘리퍼는 일반 캘리퍼처럼 작동하지만 3D 프린팅과 티타늄의 조합으로 현재 사용 중인 알루미늄 부품보다 훨씬 강하고 약 40% 가볍습니다.

Selective Laser Melting이라고 하는 금속 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 Bugatti 팀은 기존 제조 기술로는 얻을 수 없는 다양한 형상과 벽 두께를 실험할 수 있었습니다.

결과:벽 두께가 1mm에서 4mm 사이인 복잡한 모양의 브레이크 캘리퍼.

2018년 말에 Bugatti는 높은 하중에서 캘리퍼를 성공적으로 테스트했으며, 회사는 이제 구성 요소를 생산할 준비를 하고 있습니다.

그러나 Bugatti는 브레이크 캘리퍼 디자인에 혁명을 일으킨 유일한 회사가 아닙니다. 영국의 자동차 기술 회사인 Carbon Performance도 캘리퍼스를 포함한 3D 인쇄 자동차 부품의 '지속 가능한 디자인 생성'을 위해 3D 인쇄를 사용하고 있습니다.

이를 달성하기 위해 Carbon Performance는 새로운 AI 기반 소프트웨어 플랫폼을 사용하고 있습니다. 플랫폼은 예를 들어 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 구성 요소를 설계하는 데 도움이 됩니다.

Carbon Performance는 디자인 소프트웨어와 3D 프린팅을 사용하여 부분적으로 더 가벼운 무게 덕분에 더욱 견고하고 환경 친화적인 브레이크 캘리퍼를 생산할 수 있습니다. 3D 프린팅으로 경량 금속 부품을 만들 수 있다는 것은 더 적은 재료가 필요하고 생산 공정에서 재료 낭비가 덜 발생한다는 것을 의미합니다.

가벼운 디자인을 만드는 것은 3D 프린팅의 주요 이점 중 하나입니다. 전기 자동차와 더 효율적인 자동차에 대한 추세가 계속해서 성장함에 따라 더 많은 자동차 제조업체가 더 나은 성능의 경량 자동차 부품을 만들기 위해 3D 프린팅을 모색하는 것을 보게 될 것입니다.

2. General Motor의 제너레이티브 디자인 시트 브래킷

애플리케이션:자동차

이점:상당한 무게 감소

GM(GM)은 최근 제너레이티브 디자인 도구를 사용하여 기존 시트 브래킷의 3D 인쇄 버전을 만들었습니다.

제너레이티브 디자인 소프트웨어는 고급 알고리즘을 사용하여 여러 디자인을 자동으로 생성합니다. 무게, 재료, 크기, 강도 및 제조 방법과 같은 특정 매개변수를 기반으로 한 변형. 후속 디자인은 종종 3D 프린팅을 통해서만 생생하게 재현할 수 있는 복잡하고 유기적인 형태를 특징으로 합니다.

GM의 시트 브라켓이 딱 그랬다. Autodesk의 Fusion 360 생성 설계 소프트웨어를 사용하여 150개의 설계 반복이 생성되었습니다. 그런 다음 GM은 무게, 성능 및 제조 가능성 사이에서 최상의 균형을 제공하는 디자인을 선택했습니다.

최종 디자인은 원래 브래킷과 거의 유사하지 않습니다. 금속으로 3D 프린팅된 새로운 시트 브래킷은 원본보다 40% 더 가볍고 20% 더 강력합니다. 또한 8개의 개별 부품으로 조립해야 하는 원래 부품과 달리 하나의 구성 요소로 제조되었습니다.

복잡한 부품을 보다 빠르고 유연하게 생성할 수 있는 3D 프린팅의 기능은 이 기술을 재설계된 구성 요소를 생산하기 위한 자연스러운 선택으로 만듭니다. 이 예에 표시된 이점은 부품 통합입니다. 여러 부품을 하나의 구성요소로 인쇄하여 조립 시간과 비용을 줄이는 기능입니다.

GM의 시트 브래킷은 여전히 ​​개념 증명이지만 회사는 3D 프린팅과 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 결합할 때 엄청난 잠재력을 보고 있습니다. 두 기술 모두 보다 빠른 설계 및 제품 개발은 물론 복잡한 자동차 부품의 생산을 촉진함으로써 자동차 제조의 미래에서 확실히 중요한 역할을 할 것입니다.

3. Altair의 토폴로지 최적화된 고관절 임플란트

신청:의료

장점:재료 최적화

토폴로지 최적화는 설계자가 고급 알고리즘을 적용하여 부품의 형상을 최적화할 수 있도록 하는 생성 설계 기술입니다. 이 기술을 사용하면 부품의 재료 분포를 최적화하여 설계에서 불필요한 재료를 제거할 수 있습니다.

토폴로지 최적화를 활용하는 한 회사는 IT 회사인 Altair로 3D 프린팅과 토폴로지 최적화를 결합하여 개선된 엉덩이 줄기 임플란트.

3D 프린팅은 견뎌야 하는 특정 하중에 맞게 임플란트를 맞춤화할 수 있는 기능을 포함하여 엉덩이 임플란트에 다양한 이점을 제공합니다. 토폴로지 최적화 소프트웨어는 엔지니어가 고관절 임플란트가 수명 주기 동안 볼 수 있는 다양한 하중 사례를 고려할 수 있도록 하여 이를 용이하게 합니다.

하중 케이스 및 설계 제약 조건과 같은 매개변수를 입력하여 소프트웨어는 정의된 재료 볼륨 내에서 재료 분포를 최적화합니다. 이 과정을 통해 최고의 성능을 발휘하는 고관절 임플란트를 만들기 위해 재료를 제거할 수 있는 위치를 보여주는 디자인이 만들어집니다.

Altair 팀은 임플란트를 더 가볍게 만들기 위해 격자 구조로 semi-dense 영역을 채우기 전에 임플란트의 고체 및 semi-dense 영역을 결정하기 위해 이 접근 방식을 사용했습니다.

완전한 대퇴골이나 기성 임플란트가 있는 대퇴골과 비교할 때 팀은 새로운 디자인이 내구성 한계를 약 1천만 회까지 증가시키는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 이것은 엉덩이 임플란트가 로스앤젤레스에서 뉴욕까지, 그리고 다시 두 번 조깅을 견딜 수 있음을 의미합니다.

새로운 디자인은 또한 응력 차폐를 57%까지 줄이는 데 도움이 됩니다. 스트레스 차폐는 환자 내부에 티타늄 임플란트를 식립하여 골밀도가 감소하는 것을 말하며, 궁극적으로 골절 및 탈구로 이어질 수 있습니다. 이러한 이유로, 원래의 뼈 조직에 최대한 가깝게 임플란트를 설계하는 것이 응력 차폐를 줄이고 이러한 원치 않는 효과를 제거하는 열쇠입니다.

3D 프린팅을 제조 기술로 사용하는 것이 이러한 디자인에 생명을 불어넣는 유일한 방법입니다. 격자와 같은 복잡한 모양을 만들 수 있을 뿐만 아니라 기존 방법보다 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다.

오늘부로 토폴로지에 최적화된 3D 인쇄 임플란트가 실제 사용 사례에 적용되기 시작했습니다. 의료 규제 기관이 이러한 새로운 임플란트 디자인에 대한 새로운 표준화 방법을 개발하는 데는 시간이 걸릴 것입니다. 그러나 미래를 내다보면 3D 프린팅이 특정 환자에게 더 잘 맞고 오래 지속되며 고성능의 고관절 임플란트를 만드는 핵심 기술이 될 것이 분명합니다.

4. MX3D의 3D 인쇄 보행자 다리

신청:건설

장점:혁신적인 디자인

2018년 Dutch Design Week에서 공개된 MX3D의 스테인리스 스틸 3D 인쇄 보행자용 다리는 3D 인쇄 공간에서 가장 흥미로운 디자인 프로젝트 중 하나입니다.

MX3D 팀은 로봇 팔에 용접기를 장착하여 12미터 길이의 다리를 3D 프린팅하여 독특한 모양과 모양을 얻을 수 있었습니다. 예를 들어, 다리의 디자인은 많은 곡선과 복잡한 기능이 있는 유기적이고 패브릭과 유사합니다. 다리의 표면은 매끄럽지 않은 상태로 남겨져 퇴적된 강철 층이 눈에 띄게 되어 다리에 거칠고 특이한 마감 처리가 되었습니다.

흥미롭게도 3D 프린팅이 이 프로젝트. 교량의 안전과 최적화된 성능을 모두 보장하기 위해 3D 인쇄된 강철 구조물에는 교량 상태를 모니터링하는 센서 네트워크가 장착되어 있으며 다리를 건너는 사람의 수를 기록하고 무게 분산 및 공기질.

전체 프로젝트를 실행하는 데 거의 4년이 걸렸고 이제 완성된 다리는 올해 말 암스테르담에 설치될 예정입니다.

5. GE Research, 생체모방 열교환기 개발

응용 프로그램:에너지

장점:향상된 성능

GE 리서치는 가스터빈과 같은 발전 장비를 위한 초고효율, 저배출 열교환기를 개발하고 있습니다. 놀랍게도 이를 달성하기 위해 팀은 인간의 폐에서 영감을 받은 혁신적인 디자인을 생각해 냈습니다.

인간의 폐는 가장 효율적이고 컴팩트한 열교환기 중 하나입니다. 기관은 혈액의 흐름을 작은 흐름으로 나누는 모세혈관 네트워크로 열 교환 기능을 수행합니다. 이 네트워크는 우리가 들이마시는 더 차가운 공기를 데우면서 동시에 체온을 조절합니다.

GE의 열교환기는 비슷한 방식으로 작동하지만 훨씬 더 높은 온도와 압력에서 작동합니다. 이 구성 요소는 가스 터빈에서 나오는 뜨거운 공기를 가져오는 세 갈래 채널 네트워크를 특징으로 합니다. 이 네트워크는 반대 방향으로 흐르는 더 차가운 작동 유체로 채워진 다른 채널 네트워크와 얽혀 있습니다. 뜨거운 공기와 차가운 유체는 서로 섞이지 않지만 가까이 있기 때문에 뜨거운 공기를 냉각시켜 가스터빈의 열효율을 향상시킵니다.

결정적으로 3D 프린팅은 이처럼 복잡한 디자인을 생산할 수 있는 유일한 기술이었습니다.

개발 프로세스가 완료되면 GE는 오늘날의 열교환기보다 250°C(450°F) 더 높은 온도에서 비용 효율적으로 작동할 수 있는 열교환기를 3D 프린팅할 수 있습니다. 작동 온도가 크게 증가한 3D 인쇄 구성 요소는 차세대 고성능 열 교환기를 나타냅니다.

6. BMW의 경량 루프 브래킷

애플리케이션:자동차

이점:무게 감소

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

폴딩을 도와주는 작은 구성요소인 루프 브래킷 차량 상단을 펼치고 루프 폴딩 메커니즘의 성능을 극대화하기 위해 새로운 디자인이 필요했습니다. 이 목표를 달성하기 위해 BMW의 엔지니어들은 토폴로지 최적화 소프트웨어로 눈을 돌렸습니다.

엔지니어는 이 소프트웨어를 사용하여 무게, 구성 요소 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.

현재 소규모 시리즈로 생산되는 이 부품은 토폴로지 최적화 기술의 힘과 결합될 때 차량 설계를 위한 엄청난 경량 잠재력을 보여줍니다.

7. KW Micro Power와 VELO3D가 협력하여 마이크로터빈 구성요소 혁신

응용 프로그램:에너지

장점:복잡한 내부 기능

엔지니어링 회사인 KW Micro Power는 몇 년 동안 마이크로터빈 발전기 설계 작업을 해왔지만 이 설계를 생산에 적용하는 데 어려움을 겪었습니다. 핵심 과제는 장치 구성 요소 중 하나를 생산하는 데 있었습니다.

문제의 구성 요소는 배기 가스를 보다 효율적으로 관리하는 데 도움이 되는 복잡한 내부 채널이 있는 티타늄 디스크입니다. 금속으로 3D 프린팅할 때 이 부품은 프린팅 과정에서 처지거나 뒤틀림을 방지하기 위해 지지 구조가 필요합니다.

그러나 부품의 내부 기능이 복잡하여 생산 후 지지대를 제거하는 것이 불가능했습니다.

이 문제를 극복하기 위해 회사는 독점 금속 3D 프린팅 기술인 Intelligent Fusion을 개발한 3D 프린터 제조업체인 VELO3D와 협력했습니다. 이 기술을 통해 VELO3D의 Sapphire 3D 프린터는 지지 구조를 최소화하고 종종 뒤틀림의 원인이 되는 잔류 응력을 줄여 부품을 인쇄할 수 있습니다.

이것은 레이저로 녹이고 융합할 새로운 분말 층을 전달하는 데 사용되는 특허받은 비접촉 리코터로 인해 달성되었습니다. 분말 기반 금속 3D 프린팅에서 분말을 다른 레이어 위에 놓을 때 빌드 플레이트에 고정되지 않은 경우 리코터가 부품을 떼어낼 수 있습니다.

VELO3D의 사파이어 시스템에서 재도장 블레이드는 파우더 베드와 접촉하지 않습니다. 분말이 침전되면 스크레이퍼 블레이드와 진공 공정을 분말 상단에 적용하여 절대적으로 수평이 되도록 합니다.

이전 분말 층과 접촉하지 않는 리코터를 사용하면 부품을 금속 빌드 플레이트에 고정하는 지지대가 필요하지 않습니다. 그 동안 프린터에 전원을 공급하는 시뮬레이션 및 폐쇄 루프 제어 시스템을 통해 지원 없이 복잡한 내부 기능을 인쇄할 수 있습니다.

Sapphire 3D 프린터의 모든 기능을 활용하기 위해 VELO3D의 팀은 KW Micro Power가 발전기 구성 요소의 설계를 더욱 개선할 수 있도록 도왔습니다. 완성된 부품은 원래 디자인보다 37% 더 가벼우며 응력 감소 덕분에 성능이 더 좋아졌다고 합니다. 그러나 더 중요한 것은 이전에는 제조할 수 없다고 여겨졌던 디자인이 차세대 금속 3D 프린팅 기술 덕분에 가능했다는 것입니다.

가장 복잡한 아이디어를 실현

3D 프린팅은 엄청난 디자인 유연성을 제공하므로 디자이너와 엔지니어는 토폴로지에 최적화된 모양, 격자 구조, 경량 디자인을 비롯한 새로운 형태와 기능을 실험할 수 있습니다.

3D 프린팅으로 많은 기회가 열리면서 이 기술을 통해 제조업체는 기존 제조 방식으로는 불가능한 최적화된 맞춤형 디자인으로 혁신적인 제품을 생산할 수 있습니다.

그러나 이러한 잠재력을 발휘하려면 적층 제조 고유의 설계 원칙을 따르는 것이 중요합니다. 3D 프린팅의 가능성과 한계에 대한 이해로 무장할 때만 기업은 이 기술을 사용하여 가장 창의적인 아이디어를 실현할 수 있습니다.