사례 연구

KARI, DfAM 프로세스 및 Materialise 3-matic으로 3D 격자 설계 디자인 최적화 및 변환

5 분 분량

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한국항공우주연구원(KARI)은 항공우주 과학 및 기술 분야의 새로운 탐구, 기술의 고도화, 개발 및 보급을 통해 국가경제의 발전과 국민의 삶의 질 향상에 기여합니다. 최근 항공구조 경량화 기술 개발을 위해 격자의 구조적 무결성을 방해하지 않으면서 STL 파일을 프린팅할 수 있도록 새로운 격자 설계 디자인을 완벽하게 제어할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 필요했습니다.

적층 제조 설계 디자인(DfAM) 지식 및 Materialise 3-matic을 통해 부드러운 표면 재설계 및 해석 결과물을 최적화 할 수 있도록 도왔습니다. 동시에 구조적으로 신뢰할 수 있는 격자 파일을 원형에 가깝게 프린팅 할 수 있도록 하여, 모델의 시뮬레이션 결과와 일치한 결과물을 얻을 수 있었습니다. 이를 통해 팀은 첨단 드론에 중요한 경량의 신뢰할 수 있는 금속 3D 프린팅 파트를 생산하게 되었습니다.

도전

위상최적화를 통해 생성된 격자 구조를 출력하기 위해 솔루션을 찾고, 이를 설계 단계에서 구현합니다.

김태욱 박사님은 KARI의 항공기술연구부에서 근무하며 더 높은 정확도와 신뢰성을 목표로 드론의 착륙 장치에 사용되는 파트의 무게를 줄이는 방법을 연구합니다. 이전 연구에서 김태욱 박사님은 Altair®의 테스트 결과를 변환했습니다. OptiStruct 시뮬레이션 기술을 토폴로지에 최적화된 3D 모델로 변환하고 외부 출력 업체를 통해 파트를 성공적으로 3D프린팅 했습니다. 다음 연구에는 이전 결과를 기반으로 OptiStruct 소프트웨어의 고급 기능을 사용하여 무게를 더 줄일 수 있는 방안을 검토하였습니다.

새로운 모델은 재료 사용량을 최소화하고 결과적으로 파트의 전체 중량을 낮추기 위해 격자 구조를 활용했습니다. 그러나 김태욱 박사님은 이 변환된 모델의 시뮬레이션을 반복하여 설계의 새로운 격자 기능의 신뢰성을 확인하려고 할 때 두 가지 문제에 부딪쳤습니다. 첫 번째는 위상최적화 결과로 생성된  격자 구조의 원형을 유지하면서 전체 표면을 매끄럽게 하는 것이었고, 두 번째는 3D프린팅 가능한 STL 파일을 만드는 것이었습니다. 

삼각형의 모양을 지 금속 항공우주 파트.
KARI의 첫 번째 금속 항공우주 적층제조 파트는 신뢰할 수 있었지만, 보다 강력한 경량화 설계를 위한 격자 구조를 적용하고자 했습니다.

격자에서 영감을 받은 원본 데이터를 실제 3D프린팅 가능한 파일로 변경하기 위해 김태욱 박사님은 격자 구조를 완전히 제어할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 필요했습니다. 또한 일반적으로 3D 프린팅(3DP) 설계 디자인 전문가가 권장하는 DfAM 프로세스를 고려해야 했습니다. 그러나 기존의 CAD 소프트웨어로는 데이터를 처리하는 것이 현재 상태로는 불가능했고 서비스 부서에서는 솔루션을 제공할 수 없었습니다.

솔루션

Materialise 3-matic을 통하여 DfAM 적용과정에 대한 맞춤형 교육 진행

김태욱 박사님이 Materialise와 만나 요구 사항에 대해 논의했을 때, OptiStruct에서 설계된 새로운 격자 구조를 STL 형식으로만 변환할 수 있다면 출력이 가능할 것이라고 생각했습니다. 그러나 실제로는 또 다른 문제가 나타났습니다. 개방형 볼륨에서 생성된 격자 구조와 같이 불완전하거나 다듬어지지 않은 STL 디자인을 3D프린팅 하는 것은 불가능합니다. 이렇게 노출된 격자 구조물은 파트를 생산하는 데 필요한 서포트 구조와 병합되어, 서포트 제거 과정에서 파손 가능성이 높아집니다. 이점이 외부 출력 업체가 제시한 주요 문제점으로, 업체가 이 출력 작업을 수락하지 못하는 이유였습니다. 그러나 상담 내내 Materialise의 김동호 설계 디자인 엔지니어는 DfAM 프로세스를 설명하고 AM의 편집 및 모델링 최적화 프로세스의 중요성을 조언했습니다.

김동호 연구원은 Materialise 3-matic  제품 전문가이자 설계 디자인 및 엔지니어링 부서와 관련이 있기 때문에 어려운 문제에 대한 솔루션을 찾는 데 익숙합니다. 상담 과정에서 빌드 오리엔테이션을 고려하고 3-matic을 사용하여 격자의 표면적을 계산하면서 설계 디자인을 향상하여 3D프린팅 문제를 탐색하는 방법을 생각해 냈습니다. 김동호 연구원은 김태욱 박사님께 서포트 구조와 격자 사이의 상호 작용을 극복하기 위해 간단하지만 스마트한 솔루션을 사용하라고 조언했습니다. 이는 즉, 파트의 아래쪽을 향하는 영역에 선택적으로 얇고 단단한 레이어를 생성하는 것 이였습니다. 이 접근 방식은 3D프린팅 가능성 문제를 해결하는 동안 최소한의 재료만 파트에 추가되도록 합니다. (3DP 스파이더 브라켓 사례에서 볼 수 있는 유사한 기술).

김태욱 박사님은 초기 학습 곡선을 빠르게 통과하고 당면한 작업에 집중하기를 원했기 때문에 맞춤형 교육 세션이 포함된 3-matic을 구입하기로 결정했습니다. 또한 Materialise 팀은 박사님께 맞춤형 세션을 제공하고 예비 계획에서 최종 제품까지 안내했습니다.

결과

AM에 최적화되고 3D프린팅 가능한 격자 설계 디자인을 얻을 수 있었습니다.

Materialise 3-matic을 사용하여 김태욱 박사님은 위상최적화 결과와 격자 구조가 혼합된 모델링에서 시작하여, 출력하기 위한 모델링으로 제작하는 접근방법을 마스터했습니다. 격자 구조를 보호하기 위해 표면 구조물을 생성하여 데이터를 성공적으로 변환함으로써 격자 파손 위험을 피했습니다. 그리고 서포트 재료가 격자와 융합되는 것을 방지합니다. 그 결과 김태욱 박사님과 KARI 팀은 DfAM을 통해 시뮬레이션을 실제 파트로 구현할 수 있었습니다.

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격자 구조를 통한 KARI의 금속 3D 프린팅 항공우주 파트는 이전 버전보다 더 가볍고 신뢰할 수 있습니다.

KARI는 3-matic의 3D 설계 도구와 AM 전문가의 기술 지원을 통해 시행착오를 거치며 불필요한 실험을 줄이고 보다 직관적인 설계 디자인 접근 방식을 확립할 수 있었습니다. 그리고 금속 3DP에 대한 우리의 독특한 지식과 경험은 팀이 AM에 최적화된 디자인으로 파트를 향상시켜 3D프린팅 가능성을 높이는 데 도움이 되었습니다.

KARI는 항공우주 산업에서 사용되는 파트의 핵심 요소인 경량 구조에 대해 보다 진보된 접근 방식을 확립했습니다. 김태욱 박사님과 그의 팀은 시뮬레이션에서 완성된 3D 모델을 검증하고 반복했습니다. 이는 검증하고 반복하는 과정에서 얻은 데이터를 기반으로 실제 파트를 완성하고 3D프린팅 하는 과정입니다. KARI 팀은 결과에 깊은 인상을 받아 현재 3-matic을 사용하여 다른 프로젝트를 수행하고 있습니다. 적층 제조 어플리케이션을 위한 다양한 기능을 제공하고 있는 3D모델링 프로그램임을 보여주었습니다. 그리고 DfAM 전문 지식과 결합된 3DP는 신뢰성과 경량화를 개선하는 목적으로 많은 사례에서 입증되었고, 이는 항공우주 분야의 바람직한 솔루션으로 자리잡고 있습니다.

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KARI 3D 프린팅 된 금속 파트에 깊은 인상을 받은 항공구조분야 연구팀은 현재 3-matic을 사용하여 다른 프로젝트를 수행하고 있습니다.

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이 사례 연구를 간단히 요약

산업

항공우주 과학 및 기술

금속 3D 프린팅

사용한 솔루션

Materialise 3-matic

적층 제조 설계 디자인(DfAM)

이 접근 방법인 이유

모델링 최적화

경량 격자 구조

향상된 신뢰성 및 경량화

도움을 준 방법

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