3D 프린팅 격자 구조로 소음과 충격 흡수 극대화하기

트리스탄 안톤센(Tristan Antonsen), 애플리케이션 엔지니어, 패스트 래디우스(Fast Radius)

격자 구조(Lattices)는 교차하는 빔과 노드의 패턴으로 생성된 일련의 반복 단위 세포(Unit Cells)로 구성된 3차원 구조입니다. 이러한 미세 구조는 여러 이유로 최근 인기를 얻고 있는데, 레거시 컴포넌트와 비슷하거나 더 나은 자재 특성과 구조적 무결성을 가진 경량 부품 생산을 가능하게 하고, 종종 더 적은 여분 자재로도 가능하기 때문입니다. 격자는 낮은 강성과 변형을 견디고 회복하는 능력 덕분에 충격, 소음 흡수, 진동 감쇠에도 활용됩니다.

이는 어쩌면 놀라운 실제 적용 사례를 가지고 있습니다. 카본(Carbon)의 선구적인 디지털 라이트 신서시스(Digital Light Synthesis™) 기술로 이뤄내는 성과에 감명받은 스포츠웨어 대기업 아디다스(Adidas)가 격자가 제공하는 높은 충격 흡수 기능을 활용한 운동화 미드솔 설계를 의뢰했습니다. 자재 요구사항은 도전적이었습니다: 밑창은 탄력 있고 유연해야 하며, 우수한 리바운드를 제공하고 선수 몸에 가해지는 충격을 최소화해야 했습니다. 카본의 기술은 이 도전에 부응했습니다. 그 결과는 멋지고 고성능인 아디다스 퓨처크래프트 4D(Adidas Futurecraft 4D) 미드솔로, 작은 부품 부피로 뛰어난 충격 흡수를 제공합니다.

격자가 어떻게 최대 진동 감쇠와 에너지 감쇠를 제공하는 데 활용될 수 있는지 제품 관리자가 알아야 할 내용을 소개합니다.

격자 구조의 모든 것

일반적으로 격자의 작은 크기와 복잡한 기하 구조는 기존 절삭 제조 방식으로 만들기 어렵기 때문에, 격자는 보통 3D 프린팅 공정으로 생산됩니다.

적층 제조 설계의 핵심 이점은 역설계 프로세스를 구현할 수 있다는 점입니다. 즉, 이미 존재하는 적합한 자재를 찾는 대신 주어진 애플리케이션에 맞춰 최적의 자재 특성을 설계할 수 있습니다.

일부 자재는 본질적으로 에너지를 더 잘 소산시킵니다. 예를 들어 EPU 40이 EPU 41보다 더 나은 진동 감쇠 자재입니다. 부품 애플리케이션에 요구되는 특성에 부합하는 자재를 선택하면 제조업체는 컴포넌트의 충격 흡수를 높일 수 있습니다.

자재 선택이 격자의 진동 감쇠와 에너지 소산 능력에 중요한 역할을 하지만, 대부분의 경우 격자 설계가 부품의 감쇠 효과에 더 큰 영향을 미칩니다. 거시적 수준에서 격자 구조는 일반적으로 충격 시 굽히거나 버클링(Buckling)하도록 설계됩니다. 굽힘 격자는 매우 탄력적이고 스프링 같은 반면, 버클링 격자는 개별 빔이 양보하고 굽도록 해 에너지를 소산시키는 데 매우 효과적입니다. 자유 층 감쇠 처리(Free layer damping treatments)도 부품에 적용할 수 있습니다.

세부 수준에서, 격자를 구성하는 빔과 노드의 반복 패턴을 단위 세포(Unit Cells)라고 합니다. 노드와 빔의 잠재적 조합은 엄청나게 많지만, 열리고 희소한 단위 세포는 일반적으로 부드러운 격자를 만드는 반면, 삼각형과 빔의 농도가 높은 단위 세포는 일반적으로 딱딱한 구조를 만듭니다.

세포 유형, 크기, 방향은 격자의 자재 감쇠 비율에 직접적인 영향을 미치며, 빔의 상대적 두께가 단위 세포 크기에 비해 어떻게 변하느냐에 따라 격자가 극적으로 다른 거동을 보이기도 합니다. 이 모든 것을 고려해 충격 흡수와 에너지 소산을 극대화해야 합니다.

제조를 위한 격자 설계

적층 방식이 이전에는 불가능했던 것들을 만들게 해주었지만, 격자는 여전히 의도한 기능을 효과적으로 수행하도록 잘 설계되어야 합니다. 적층 제조 설계(DFAM) 원칙을 적용하면 엔지니어는 3D 프린팅 공정의 특정 속성을 활용해 격자 구조가 충격, 소리, 진동 흡수에 최대한 효과적이도록 보장할 수 있습니다.

두 가지 중요한 DFAM 고려사항은 격자 단위 세포의 구조와 방향입니다. 격자는 무엇보다 프린트 가능해야 합니다. 여기에는 프린팅 공정, 프린트 방향, 때로는 서포트 구조 같은 고려사항을 설계에 반영해 부품의 생존 가능성을 보장하는 것이 포함됩니다.

격자 세포 방향은 본질적으로 이방성(Anisotropic) 부품을 만듭니다. 즉, 컴포넌트가 한 방향에서 다른 방향과 다르게 거동합니다. 이는 반드시 단점이 아닙니다. 격자가 한 방향으로 거동해야 하는 경우(버클링 격자 같은 경우) 제품 관리자는 구조의 세포 방향이 그 방향으로 적절히 정렬되도록 해야 합니다.

제대로 구현되면 DFAM은 레거시 제조 방식의 한계를 극복하고 완전히 새로운 것을 가능하게 합니다. 많은 경우 격자 구조를 적용한 적층 생산 부품은 레거시 공정으로 만든 부품과 동등하거나 더 우수한 품질을 가집니다.

패스트 래디우스(Fast Radius)가 제조 혁신을 이끄는 방식

격자 구조는 충격, 소리, 진동을 흡수하고 소산시키는 부품을 만드는 다재다능하고 효과적인 방법입니다. 격자 설계의 핵심 고려사항은 요구사항을 초기에 명확히 정의하고, 이 요구사항과 격자의 원하는 기능을 기반으로 적절한 자재를 선택하고, 그에 맞춰 격자 구조를 설계하는 것입니다. 필요한 성능 특성을 기반으로 진동 감쇠에 최적의 자재를 선택하는 것이 이상적인 시작점입니다. 이는 부품의 에너지 소산과 충격 흡수 능력을 극대화하는 데 도움이 됩니다.

패스트 래디우스는 최첨단 기술과 검증된 방법을 모두 사용해 모든 제조를 더 효율적이고 효과적으로 만드는 데 전념합니다. 우리는 모든 고객과 협력해 부품을 설계와 제조 가능성 측면에서 최적화합니다. 우리는 정시에 경쟁력 있는 가격으로 우수한 품질의 컴포넌트를 제공하는 데 자부심을 느낍니다. 오늘 문의해 우리가 어떻게 도울 수 있는지 알아보세요.