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KR20190117835A - Method and system for lightweight design based on porous structure using topology optimization and 3d printing - Google Patents

Method and system for lightweight design based on porous structure using topology optimization and 3d printing Download PDF

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KR20190117835A
KR20190117835A KR1020180034358A KR20180034358A KR20190117835A KR 20190117835 A KR20190117835 A KR 20190117835A KR 1020180034358 A KR1020180034358 A KR 1020180034358A KR 20180034358 A KR20180034358 A KR 20180034358A KR 20190117835 A KR20190117835 A KR 20190117835A
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KR
South Korea
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design
porous structure
printing
lightweight
topological
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장인권
김진수
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한국과학기술원
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Abstract

위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법은, 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A lightweight design method and system based on porous structure using topological design and 3D printing are presented. According to one embodiment, a lightweight structure-based design method based on a porous structure using 3D printing and topologies is used to determine a porous structure according to a given load by using topology optimization before implementing the structure through 3D printing. Designing can be done.

Description

위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR LIGHTWEIGHT DESIGN BASED ON POROUS STRUCTURE USING TOPOLOGY OPTIMIZATION AND 3D PRINTING}METHOD AND SYSTEM FOR LIGHTWEIGHT DESIGN BASED ON POROUS STRUCTURE USING TOPOLOGY OPTIMIZATION AND 3D PRINTING}

아래의 실시예들은 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중 환경에 최적화된 다공성 구조를 설계하고 이를 적층가공 기술에 연계하는 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템에 관한 것이다. The embodiments below are related to a porous structure-based lightweight design method and system using topological design and 3D printing, and more specifically, to design and stack a porous structure optimized for a given load environment using a topological design. The present invention relates to a lightweight design method and system based on porous structure using 3D printing and topology optimization in connection with processing technology.

현재 전세계적으로 강화되고 있는 연비 및 온실가스 배출 관련 규제(미국의 CAFE, EU의 EURO 등)에 효과적으로 대응하기 위한 기술 개발의 필요성이 증가하고 있다. 대표적인 접근법으로 구동계(엔진, 트렌스미션 등) 효율 향상, 차체 경량화 등이 있다. There is an increasing need for technology development to effectively cope with the globally tightened fuel economy and greenhouse gas emission regulations (CAFE in the US, EURO in the EU, etc.). Typical approaches include improving the efficiency of drive systems (engines, transmissions, etc.) and reducing body weight.

특히, 자동차 경량화 기술동향과 개발 전략에 따르면 차량을 10% 경량화할 경우 3.8%의 연비 향상효과와 CO 4.5% 및 NOx 8.8%의 감소 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라 구조 경량화 관련 기술은 향후 완성차 업체의 기술 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술이 될 것으로 예상된다.In particular, according to the technology trend and development strategy of lightweighting automobiles, if the vehicle is reduced by 10%, fuel efficiency can be improved by 3.8% and CO 4.5% and NOx 8.8%. As a result, the technology related to weight reduction is expected to become a key technology that determines the technological competitiveness of automakers.

구조 경량화 기술은 크게 소재 변경을 통한 경량화와 구조설계 변경을 통한 경량화로 구분할 수 있다. 최근 미국, 독일 등의 선진국에서는 이와 관련한 연구를 활발히 진행하고 있다. Structural lightweight technology can be classified into light weight through material change and light weight through structural design change. Recently, advanced countries such as the United States and Germany are actively conducting research on this.

한편, 전 세계 3D 프린터 시장의 급성장에 따라, 선진국들은 관련 사업을 전략적으로 육성하고 있으며, 정책 제정 등을 통해 공격적으로 해당 산업을 키우고 있다. 국내에서도 이를 고부가가치 산업으로 인식하고, 차세대 성장 동력 산업의 중점육성기술로 선정하여 기술 경쟁력을 향상시키고자 추진하고 있다.Meanwhile, with the rapid growth of the global 3D printer market, developed countries are strategically cultivating related businesses, and aggressively raising their industries through policymaking. In Korea, this is recognized as a high value-added industry, and it is being selected as a key development technology for the next-generation growth engine industry to promote technological competitiveness.

현재 세계 3D 프린터 시장은 Stratasys (미국), 3D systems (미국), Beijing Tiertime (중국) 등과 같은 소수의 외국 대기업들이 독점하고 있다. 이에 비하면, 국내 시장규모는 아직 미미한 수준으로 '13년 기준으로 대부분 고가의 3D 프린터용 산업용 장비를 90% 수입에 의존하고 있는 상황이다. 또한, 국내 관련 기업의 기술 경쟁력이 낮은 상황이다.The global 3D printer market is currently dominated by a few foreign conglomerates such as Stratasys (US), 3D systems (US) and Beijing Tiertime (China). In comparison, the domestic market is still insignificant, and as of 2013, most industrial equipment for expensive 3D printers depended on 90% imports. In addition, the technological competitiveness of domestic companies is low.

기존의 절삭가공(subtractive manufacturing) 대비, 적층가공(additive manufacturing)의 가장 큰 장점은 시제품 제작까지 소요되는 시간의 절감과 복잡한 형태의 구조물에 대한 가공이다. 일반적으로 주물틀의 제작에는 매우 긴 시간이 소요되며, 표면처리 과정을 위해 고품질의 석영(quartz)을 사용하기 때문에 제작비가 상승하게 된다. 최근 3D 프린터의 가격이 하락하고 있으며, 프린팅 품질과 속도가 향상됨에 따라 3D 프린팅의 적용은 지속적으로 확대될 것으로 예상된다.Compared with conventional subtractive manufacturing, the biggest advantage of additive manufacturing is the reduction of time required for the production of prototypes and the processing of complex structures. In general, the casting mold takes a very long time, and the manufacturing cost increases because high quality quartz is used for the surface treatment process. The price of 3D printers has recently been falling, and the application of 3D printing is expected to continue to expand as printing quality and speed improve.

적층가공 방식은 절삭가공, 사출성형 등 기존의 대량 생산방식에 대한 보완이 가능하여, 최근에는 다품종 소량 생산품의 제작으로 활용폭이 넓어지고 있다. The additive manufacturing method can complement the existing mass production methods such as cutting processing and injection molding, and recently, the use of the laminated processing method has been expanded to produce small quantity products of various kinds.

한국공개특허 10-2017-0133682호는 이러한 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법에 관한 것으로, 복잡하고 다양한 3차원 형태를 갖는 다공체를 제조하거나, 소량의 다공체를 3차원 프린팅 방식으로 제조할 수 있는 3차원 다공체 프린팅 장치 및 이를 이용한 3차원 다공체 프린팅 방법에 관한 기술을 기재하고 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2017-0133682 relates to such a three-dimensional porous printing apparatus and a three-dimensional porous printing method using the same, to prepare a porous body having a complex and various three-dimensional shape, or to a small amount of the porous body by a three-dimensional printing method A technique relating to a three-dimensional porous body printing apparatus that can be manufactured and a three-dimensional porous body printing method using the same is described.

한국공개특허 10-2017-0133682호Korean Patent Publication No. 10-2017-0133682

실시예들은 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중 환경에 최적화된 다공성 구조를 설계하고, 이를 적층가공 기술에 연계하는 구조 경량화 설계 기술을 제공한다. Embodiments describe a lightweight design method and system based on porous structure using topological design and 3D printing, and more specifically, design a porous structure optimized for a given load environment by using a phase optimized design, and then laminate processing technology. To provide a structure-lightweight design technology linked to.

실시예들은 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계를 수행하고 적층가공 방식으로 3D 프린팅을 구현함으로써, 경량화가 가능한 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. Embodiments design a porous structure according to a given load by using a phase-optimal design and implement 3D printing in a lamination process, so that a lightweight and lightweight design method and system based on a porous structure using a 3D printing can be lightweight To provide.

일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법은, 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. According to one embodiment, a lightweight structure-based design method based on a porous structure using 3D printing and topologies is used to determine a porous structure according to a given load by using topology optimization before implementing the structure through 3D printing. Designing can be done.

그리고, 설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The method may further include implementing 3D printing using an additive manufacturing method using the designed porous structure.

상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는, 구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계할 수 있다. The step of designing a porous structure according to a given load by using the phase optimization design, using the phase optimization design based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeleton structure to maintain the strength of the structure and reduce the mass It can be designed to determine the porous structure according to a given load and to place the material in the design space.

상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는, 설계공간 및 설계변수를 설정하는 단계; 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행하는 단계; 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하는 단계; 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 상기 설계변수를 갱신하는 단계; 및 경량의 상기 위상최적설계를 도출하는 단계를 포함할 수 있다. Designing a porous structure according to a given load by using the phase optimization design, setting the design space and design parameters; Performing a formula of a phase optimization design for biomimetics of spongy bones in a human skeleton structure; Obtaining behavior information of the target structure through finite element analysis; Updating the design variable based on the sensitivity information in the sequence process; And deriving the lightweight phase optimization design.

여기서, 상기 설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)일 수 있다. Here, the design variable is the relative density of the individual finite element, the objective function is the minimization of the strain energy of the target structure, and the constraints may be the mass and the perimeter of the structure.

이 때, 내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 상기 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정할 수 있다. At this time, a lower bound may be set for the circumferential length to ensure porosity of the internal structure.

상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는, 대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하는 단계; 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하는 단계; 및 지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 상기 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출하는 단계를 포함하고, 상기 설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 단계는, 도출된 상기 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하는 단계; 및 변환된 상기 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작하는 단계를 포함할 수 있다. Designing a porous structure according to a given load by using the phase optimization design, simplifies the CAD model within a range that does not affect the behavior of the target structure; Implementing an initial model in a hollow spherical pattern to mimic the spongy bone structure; And deriving a design of an optimum porous structure by performing the phase optimization design by reflecting the working environment of a jig, and 3D printing using an additive manufacturing method using the designed porous structure. The implementation may include converting the derived porous structure into a file of a predetermined format for laminating a design; And manufacturing a product by using a converted laser sintering (SLS) method using the converted file.

다른 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템은, 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 다공성 구조 설계부를 포함하여 이루어질 수 있다. According to another embodiment, a lightweight structured design system based on a porous structure using topological optimization and 3D printing may be used to determine a porous structure according to a given load by using topology optimization before implementing the structure through 3D printing. It can be made by including a porous structure design to design.

그리고, 설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 3D 프린팅부를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a 3D printing unit that implements 3D printing by an additive manufacturing method using the designed porous structure.

상기 다공성 구조 설계부는, 구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계할 수 있다.The porous structure design unit determines the porous structure according to a given load by using the topology optimization design based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeleton structure in order to maintain the strength of the structure and reduce the mass. It can be designed to place the material in.

상기 다공성 구조 설계부는, 설계공간 및 설계변수를 설정하고, 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행한 후, 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하고, 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 상기 설계변수를 갱신하여, 경량의 상기 위상최적설계를 도출할 수 있다. The porous structure design unit sets a design space and design variables, performs a phase optimization design for biomimetic of the spongy bone in the human skeletal structure, obtains behavior information of the target structure through finite element analysis, and then sequentially processes By updating the design variable on the basis of the sensitivity information in the can be derived the lightweight phase optimization design.

여기서, 상기 설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)일 수 있다. Here, the design variable is the relative density of the individual finite element, the objective function is the minimization of the strain energy of the target structure, and the constraints may be the mass and the perimeter of the structure.

이 때, 내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 상기 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정할 수 있다. At this time, a lower bound may be set for the circumferential length to ensure porosity of the internal structure.

상기 다공성 구조 설계부는, 대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하고, 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하며, 지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 상기 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출하고, 상기 3D 프린팅부는, 도출된 상기 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하고, 변환된 상기 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작할 수 있다. The porous structure design unit, to simplify the CAD model within a range that does not affect the behavior of the target structure, to implement the initial model in a hollow spherical pattern to mimic the sponge bone structure, reflecting the working environment of the jig (jig) By performing the phase optimization design to derive an optimal porous structure design, the 3D printing unit converts the derived porous structure into a file of a predetermined format for laminating the design, and using the converted file SLS Products can be manufactured by (Selective Laser Sintering) method.

상기 다공성 구조 설계부 및 상기 3D 프린팅부는, 3D 프린터에 소프트웨어적으로 애드온(add-on)될 수 있다. The porous structure design unit and the 3D printing unit may be added to the 3D printer software.

실시예들에 따르면 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중 환경에 최적화된 다공성 구조를 설계하고 이를 적층가공 기술에 연계하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템을 제공할 수 있다. According to embodiments, a porous structure-based lightweight design method and system using topological optimization and 3D printing that design a porous structure optimized for a given load environment by using a phase optimized design and associate it with a lamination processing technology may be provided. Can be.

실시예들에 따르면 과거 절삭가공 방식 하에서는 불가능했던 중공 구조(hollow structure)나 격자 구조(lattice structure)를 이용한 경량화가 가능하며, 복잡한 기하구조의 적용을 통해 심미적인 향상도 가능하다. 또한, 실시예들에 따르면 개발 과정에서의 소요시간을 획기적으로 개선시킬 수 있으므로, 다품종 소량 생산 방식의 품목에 대해 경량화 적용 시 유리하며, 이를 통해 제품 경쟁력 향상에 기여할 수 있다. According to the embodiments, it is possible to reduce the weight using a hollow structure or a lattice structure, which has not been possible under the cutting method in the past, and aesthetic improvement through the application of a complicated geometry. In addition, according to the embodiments it is possible to significantly improve the time required in the development process, it is advantageous when the weight reduction application for the multi-type small quantity production method, it can contribute to the improvement of product competitiveness.

도 1은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 위상최적설계를 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 골격계 구조의 생체 모방을 위한 위상최적설계 기술의 적용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 제작의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 구조의 예를 나타내는 도면이다.1 is a view for explaining the concept of a lightweight design method based on a porous structure using a phase optimization design and 3D printing according to an embodiment.
2 is a block diagram illustrating a lightweight design system based on a porous structure using a phase optimization design and 3D printing according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a method for designing a lightweight structure based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing, according to an exemplary embodiment.
4 is a flowchart illustrating a light weight design method based on a porous structure using a phase optimization design according to an embodiment.
5 is a view for explaining the application of the phase optimization design technique for biomimetics of the skeletal structure according to an embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of fabrication of a lightweight design based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing, according to an exemplary embodiment.
7 is a diagram illustrating an example of a lightweight design structure based on a porous structure using 3D printing and a phase optimization design according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Shape and size of the elements in the drawings may be exaggerated for more clear description.

아래의 실시예들은 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법 및 시스템에 관한 것으로, 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중 환경에 최적화된 다공성 구조를 설계하고, 이를 적층가공 기술에 연계하는 구조 경량화 설계 기술을 제공한다. The following embodiments relate to lightweight design method and system based on porous structure using topological design and 3D printing. Designing a porous structure optimized for a given load environment using topological design and linking it with additive manufacturing technology To provide a structure and light weight design technology.

도 1은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining the concept of a lightweight design method based on a porous structure using a phase optimization design and 3D printing according to an embodiment.

보다 구체적으로, 도 1의 (a)는 인체 골격계 구조의 예를 나타내며, (b)는 인체 골격계 구조를 생체 모방한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 구조의 예를 나타낸다. More specifically, Figure 1 (a) shows an example of the human skeleton structure, (b) shows an example of a lightweight structure based on the porous structure that mimics the human skeleton structure.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 골격계의 구조는 피질골 및 해면골로 이루어질 수 있다. 여기서, 피질골은 뼈에서 뼈 층판이 빽빽하게 밀집되어 단단하게 된 부분으로, 뼈의 둘레에 형성되어 있고 단면에서는 희게 보이는 부분이다. 또한, 해면골은 뼈의 잔 기둥들이 입체적으로 서로 얽혀 있고 사이의 공간에는 골수가 차 있는 뼈의 부분으로, 대개 피질골의 속에 형성되어 있다. As shown in (a) of Figure 1, the structure of the skeletal system may be composed of cortical bone and sponge bone. Here, the cortical bone is a portion where the bone lamina is densely packed and hardened in the bone, and is formed around the bone and is white in cross section. In addition, the spongy bone is a part of the bone where the pillars of the bone are intertwined in three dimensions and the bone marrow is filled in the space between them, and is usually formed in the cortical bone.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 인체 골격계 구조를 생체 모방한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 구조를 나타낼 수 있으며, 특히 인체 골격계 구조를 모방하여 위상최적설계를 통해 그 구조를 최적화 하고, 적층가공 기술을 통해 구조를 구현할 수 있다. As shown in (b) of FIG. 1, a lightweight design structure based on a porous structure that mimics the human skeletal structure may be represented, and in particular, the structure may be optimized and laminated through a phase optimization design by mimicking the human skeletal structure Machining techniques enable the construction of the structure.

한편, 에펠탑과 같은 트러스(truss) 구조는 제한된 질량으로 강성을 높일 수 있는 효과적인 설계 방법이다. 2011년, 두께 100nm, 직경 100μm의 빈 관을 교차하여, 10mg/cm3 미만의 초저밀도를 가진 마이크로 트러스(micro truss) 구조가 제안된 바도 있다.On the other hand, the truss (truss) structure, such as the Eiffel Tower is an effective design method to increase the rigidity with a limited mass. In 2011, a micro truss structure having an ultra low density of less than 10 mg / cm3 was proposed to cross an empty tube having a thickness of 100 nm and a diameter of 100 μm.

다공성(porous) 구조는 내부에 많은 구멍을 가진 형태를 지칭하며, 자연계에 존재하는 대표적인 사례로서 해면골(trabecular bone)을 들 수 있다. Wolff‘s law에 따르면, 해면골의 개별 섬유주(trabeculae)의 두께와 방향은 골 재형성(bone remodeling) 과정을 통해 주어진 하중 환경에 최적화된, 고유의 구조(최소의 질량으로 최대의 강성 확보)로 배치된다. Porous (porous) structure refers to a form having a lot of holes therein, a typical example exists in nature is a trabecular bone (trabecular bone). According to Wolff's law, the thickness and direction of the individual trabeculae of the spongy bones is due to the unique structure (maximum stiffness with minimum mass), optimized for a given load environment through bone remodeling. Is placed.

따라서 위상최적설계를 이용하여 단순 반복적인 형태의 다공성 구조가 아닌 주어진 하중 환경에 최적화된 다공성 구조를 설계하고, 이를 적층가공 기술에 연계하는 구조 경량화 설계 기술을 제공할 수 있다.Therefore, it is possible to design a porous structure optimized for a given load environment rather than a simple repetitive porous structure using a phase-optimal design, and to provide a structure-lightweight design technique that is connected to the lamination processing technology.

도 2는 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템을 설명하는 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a lightweight design system based on a porous structure using a phase optimization design and 3D printing according to an embodiment.

일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템(200)은 다공성 구조 설계부(210)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 실시예에 따라 3D 프린팅부(220)를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the porous structure-based lightweight design system 200 using topological optimization and 3D printing may include a porous structure design unit 210. In addition, according to the embodiment may further include a 3D printing unit 220.

다공성 구조 설계부(210)는 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계할 수 있다.Before implementing the structure through 3D printing, the porous structure design unit 210 may design the porous structure according to a given load by using topology optimization.

다공성 구조 설계부(210)는 구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계할 수 있다.The porous structure designing unit 210 determines the porous structure according to a given load by using a phase optimization design based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeletal structure to maintain the strength of the structure and reduce the mass. It can be designed to place the material in.

다공성 구조 설계부(210)는 설계공간 및 설계변수를 설정하고, 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행한 후, 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하고, 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 설계변수를 갱신하여, 경량의 위상최적설계를 도출할 수 있다. The porous structure design unit 210 sets the design space and design variables, formulates the topology optimization design for the biomimetic of the spongy bone in the human skeletal structure, and acquires the behavior information of the target structure through the finite element analysis. In the process, the design variables can be updated based on the sensitivity information to derive a lightweight topological design.

여기서, 설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)일 수 있다. 이 때, 내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정할 수 있다. Here, the design variable is the relative density of the individual finite elements, the objective function is the minimization of the strain energy of the target structure, and the constraints may be the mass and the perimeter of the structure. In this case, a lower bound may be set for the circumferential length to ensure the porosity of the internal structure.

실시예들에 따르면 다공성 구조를 고려한 위상최적설계 기술을 위해 둘레 길이(perimeter)를 고려하며, 다공성 구조를 고려한 위상최적설계 기술로 경량화를 효과적으로 달성할 수 있다. According to the embodiments, the perimeter may be considered for the topology optimization technique considering the porous structure, and the weight reduction may be effectively achieved by the topology optimization technique considering the porous structure.

3D 프린팅부(220)는 설계된 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현할 수 있다. The 3D printing unit 220 may implement 3D printing by an additive manufacturing method using the designed porous structure.

특히, 다공성 구조 설계부(210)는 대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하고, 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하며, 지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출할 수 있다. In particular, the porous structure design unit 210 simplifies the CAD model within a range that does not affect the behavior of the target structure, implements the initial model in a hollow spherical pattern to mimic the spongy bone structure, the working environment of the jig (jig) The optimal design of the porous structure can be derived by performing the phase optimization design.

이후, 3D 프린팅부(220)는 도출된 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하고, 변환된 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작할 수 있다. Thereafter, the 3D printing unit 220 may convert the derived porous structure into a file of a predetermined format in order to laminate the design, and may manufacture a product by using a converted laser sintering (SLS) method using the converted file.

실시예들에 따르면 적층가공 기술 중에 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에서 문제가 되는 오버행(overhang) 이슈를 해결할 수 있는 위상최적설계 수행하는 동시에, 다공성 구조를 고려한 위상최적설계 기술로 경량화를 효과적으로 달성할 수 있다. According to the embodiments, the phase optimization design can solve the overhang issue which is a problem in the FDM (Fused Deposition Modeling) method in the lamination processing technology, and the weight reduction can be effectively achieved by the phase optimization design considering the porous structure. Can be.

여기서, 다공성 구조 설계부(210) 및 3D 프린팅부(220) 중 적어도 어느 하나 이상은 3D 프린터에 소프트웨어적으로 애드온(add-on)될 수 있다. Here, at least one or more of the porous structure design unit 210 and the 3D printing unit 220 may be added to the 3D printer by software.

도 3은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 설명하는 흐름도이다. 그리고, 도 4는 일 실시예에 따른 위상최적설계를 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 설명하는 흐름도이다. 3 is a flowchart illustrating a method for designing a lightweight structure based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing, according to an exemplary embodiment. 4 is a flowchart illustrating a light weight design method based on a porous structure using a phase optimization design according to an embodiment.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법은, 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계(310)를 포함하여 이루어질 수 있다. 그리고, 설계된 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 단계(320)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 3, a light weight design method based on a porous structure using 3D printing and topology optimization according to an embodiment is given by using topology optimization before implementing a structure through 3D printing. It may comprise a step 310 of designing a porous structure according to the load. In addition, the method may further include a step 320 of implementing 3D printing in an additive manufacturing method using the designed porous structure.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법의 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계(310)는, 설계공간 및 설계변수를 설정하는 단계(311), 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행하는 단계(312), 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하는 단계(313), 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 설계변수를 갱신하는 단계(314) 및 경량의 위상최적설계를 도출하는 단계(315)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, a step 310 of designing a porous structure according to a given load by using a phase optimization design of a lightweight design method based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing according to an embodiment may include design space. And setting a design variable (311), performing a formulation of a topology optimization design for biomimetic of the cancellous bone in the human skeletal structure (312), and obtaining behavior information of the target structure through finite element analysis (313). The method may include updating the design variable based on the sensitivity information in the sequential process 314 and deriving a lightweight phase optimal design 315.

위상최적설계(topology optimization)를 적용할 경우, 기존의 “단순 반복적인 형태”의 다공성 구조가 아닌, 해면골과 같이 주어진 하중 환경에 “최적화”된 다공성 구조를 결정할 수 있다. 또한, 외판의 두께도 피질골의 구조와 같이 하중 환경에 따라 서로 상이한 최적의 두께 배치가 가능하다. By applying topology optimization, it is possible to determine a porous structure that is "optimized" for a given loading environment, such as sponges, rather than the conventional "simple repetitive" porous structure. In addition, the thickness of the outer shell can be optimally arranged differently depending on the load environment, such as the structure of the cortical bone.

기존의 절삭가공 기술로는 높은 다공성을 가진 복잡한 형태의 3차원 구조의 제작이 불가능하나, 적층가공 기술은 이에 대한 구현이 가능하다. Conventional cutting technology is unable to produce a complex three-dimensional structure with high porosity, but the laminated processing technology can be implemented.

아래에서 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 하나의 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, a light weight design method based on a porous structure using 3D printing and a phase optimization design according to an embodiment will be described in more detail with one example.

일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법은 앞에서 설명한 도 2의 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템을 이용하여 보다 구체적으로 설명할 수 있다. 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템은 다공성 구조 설계부를 포함하여 이루어질 수 있고, 또한 3D 프린팅부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the light weight design method based on the porous structure based on the phase optimization design and the 3D printing method may be performed using the light weight design system based on the porous structure based on the phase optimization design and the 3D printing according to the embodiment of FIG. It can be explained concretely. According to an embodiment, the lightweight structure design system based on the porous structure using the phase optimization design and the 3D printing may include a porous structure design unit and may further include a 3D printing unit.

단계(310)에서, 다공성 구조 설계부는 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계할 수 있다. In step 310, the porous structure design unit may design the porous structure according to a given load by using topology optimization before implementing the structure through 3D printing.

다공성 구조 설계부는 구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계할 수 있다. The porous structure design unit determines the porous structure according to a given load by using a phase-optimal design based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeletal structure to maintain the strength of the structure and reduce the mass. Can be designed to be deployed.

위상최적설계의 방법은 다음과 같이 나타낼 수 있다. The method of topological design can be expressed as follows.

먼저, 단계(311)에서, 다공성 구조 설계부는 설계공간 및 설계변수를 설정한다. 이 때, 설계 하고자 설계공간을 설정하기 위해 불필요한 부위를 제거하는 작업이 선행될 수 있다. 이는 도 5의 (a)와 같이 나타낼 수 있다. First, in step 311, the porous structure design unit sets the design space and design variables. At this time, the work of removing unnecessary parts to set the design space to be designed may be preceded. This may be represented as shown in FIG.

그리고, 단계(312)에서, 다공성 구조 설계부는 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행할 수 있다. 여기서, 위상최적설계의 수식에서 목적함수는 변형률 에너지(strain energy)를 최소화시키는 것으로 설정할 수 있다. 그리고 제한조건으로는 경량화를 위해 질량 제한조건을 적용하고, 2 번째 제한조건은 다공성을 위해 둘레 길이(perimeter)에 대한 제한조건을 적용할 수 있다. 이는, 아래의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. And, in step 312, the porous structure design unit may perform a formula of the phase optimization design for biomimetics of the spongy bone of the human skeleton structure. Here, the objective function in the equation of the phase optimization design may be set to minimize strain energy. As a constraint, mass constraints can be applied to reduce the weight, and a second constraint can be applied to the perimeter for porosity. This may be represented by Equations 2 and 3 below.

단계(313)에서, 다공성 구조 설계부는 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득할 수 있다. 유한요소해석을 위해서 하중 및 경계 조건을 설정하는 작업과 같이 진행될 수 있다. 이는 도 5의 (b)와 같이 나타낼 수 있다.In operation 313, the porous structure design unit may acquire behavior information of the target structure through finite element analysis. For finite element analysis, the work can be done with setting loads and boundary conditions. This may be represented as shown in FIG.

단계(314)에서, 다공성 구조 설계부는 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 설계변수를 갱신할 수 있다. 이는 도 5의 (c)와 같이 나타낼 수 있다.In operation 314, the porous structure design unit may update the design variable based on the sensitivity information in the subsequent process. This can be represented as shown in (c) of FIG.

이에 따라, 단계(315)에서, 다공성 구조 설계부는 최적의 경량의 위상최적설계를 도출할 수 있다. Accordingly, in step 315, the porous structure design can derive the optimal lightweight phase optimal design.

한편, 2차원 문제의 경우, 둘레 길이(P)는 다음 식과 같은 수학적 형태로 나타낼 수 있다. On the other hand, in the case of a two-dimensional problem, the circumferential length (P) can be represented by the following mathematical form.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, P 는 둘레 길이이고, h 는 요소 높이이며, ρ는 상대밀도를 나타낸다. Where P is the perimeter length, h is the element height, and ρ represents the relative density.

설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)일 수 있다. 이 때, 내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정할 수 있다. The design variable is the relative density of the individual finite elements, the objective function is the minimization of the strain energy of the target structure, and the constraints may be the mass and perimeter of the structure. In this case, a lower bound may be set for the circumferential length to ensure the porosity of the internal structure.

단계(320)에서, 3D 프린팅부는 설계된 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현할 수 있다. In operation 320, the 3D printing unit may implement 3D printing using an additive manufacturing method using a designed porous structure.

한편, 다공성 구조 설계부는 대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하고, 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하며, 지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출할 수 있다. Meanwhile, the porous structure design unit simplifies the CAD model within the range that does not affect the behavior of the target structure, implements the initial model in a hollow spherical pattern to mimic the spongy bone structure, and reflects the working environment of the jig. By performing the phase optimization design, the optimal porous structure can be derived.

이후, 3D 프린팅부는 도출된 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하고, 변환된 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작할 수 있다. Thereafter, the 3D printing unit converts the derived porous structure into a file of a predetermined format for laminating a design, and may manufacture a product by using a converted laser sintering (SLS) method.

도 5는 일 실시예에 따른 골격계 구조의 생체 모방을 위한 위상최적설계 기술의 적용을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining the application of the phase optimization design technique for biomimetics of the skeletal structure according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 위해 골격계 구조의 생체 모방을 위한 위상최적설계 기술을 적용할 수 있다. 즉, 위상최적설계를 통해 주어진 하중에 최적화된 다공성 구조를 설계할 수 있다. Referring to FIG. 5, a phase optimization design technique for biomimetic structure of a skeletal structure may be applied to a lightweight design method based on a porous structure using 3D printing and topology optimization according to an embodiment. In other words, it is possible to design a porous structure optimized for a given load through the phase optimization design.

여기서, 위상최적설계는 설계공간 내의 물질을 재배치하여 주어진 경계조건 하에서 최대의 성능을 가지는 구조를 수학적으로 구하는 방법이다. 이러한 위상최적설계는 제품의 형상과 관련한 설계인자(구멍의 수, 위치 등)를 효과적으로 반영하기 때문에, 개발 대상의 개념 설계안을 구하는데 주로 사용되고 있다. 특히, 많은 수의 구멍으로 구성된 다공성 구조를 표현하는데 효과적이다. Here, the topology optimization design is a method of mathematically obtaining a structure having the maximum performance under a given boundary condition by rearranging materials in the design space. Since the topological design effectively reflects design factors related to the shape of the product (number of holes, location, etc.), it is mainly used to obtain a conceptual design plan for development. In particular, it is effective in expressing a porous structure composed of a large number of holes.

위상최적설계의 적용을 위해, 설계변수로는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)를 선정할 수 있고, 목적함수로는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화를 나타낼 수 있으며, 제한조건으로는 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter) 등을 선정할 수 있다. 이 때, 내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 부여할 수 있다. For the application of the topology optimization design, the relative density of individual finite elements can be selected as a design variable, and the objective function can represent the minimization of the strain energy of the target structure. The mass and perimeter of the structure can be selected. At this time, a lower bound may be given to the circumferential length in order to ensure the porosity of the internal structure.

위상최적설계의 수식에서 목적함수는 변형률 에너지(strain energy)를 최소화시키는 것으로 설정할 수 있다. 그리고 제한조건으로는 경량화를 위해 질량 제한조건을 적용하고, 2 번째 제한조건은 다공성을 위해 둘레 길이(perimeter)에 대한 제한조건을 적용할 수 있다. The objective function in the formula of the phase-optimal design can be set to minimize strain energy. As a constraint, mass constraints can be applied to reduce the weight, and a second constraint can be applied to the perimeter for porosity.

목적함수로 대상 구조의 변형률 에너지의 최소화를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. The objective function can be expressed by the following equation to minimize the strain energy of the target structure.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, c 는 가중계수이고,

Figure pat00003
는 변형률 에너지를 의미한다. Where c is the weighting factor,
Figure pat00003
Means strain energy.

그리고, 제한조건으로 구조의 질량(M)과 둘레 길이(P)를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. As a constraint, the mass (M) and the perimeter length (P) of the structure can be expressed by the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, M E 는 외곽의 비설계공간의 무게이고, M I 는 내부의 설계공간의 무게이며, P I 는 내부 설계의 둘레 길이를 의미한다. 사람의 뼈를 모사하기 위해서 외부의 피질골과 내부의 해면골을 모사하기 위해서 이와 같이 수식을 설정하였다.Here, M E is the weight of the outer design space, M I is the weight of the interior design space, P I is the circumferential length of the internal design. In order to simulate the bones of humans and the internal cortical bones to simulate the bones of humans, the formula is set as described above.

도 6은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 제작의 예를 나타내는 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of fabrication of a lightweight design based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing, according to an exemplary embodiment.

도 6을 참조하면, 본 발명의 유효성을 입증하기 위해, 예를 들어 차량 도어트림 지그(door trim　jig)의 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법을 나타낸다. Referring to FIG. 6, to demonstrate the effectiveness of the present invention, for example, a weight optimization design method based on porous structure using 3D printing and a phase optimization design of a vehicle door trim jig is shown.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 효율적인 위상최적설계를 수행하기 위해서 구조 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화한 후, (b)에 도시된 바와 같이 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현할 수 있다. 그리고, (c)에 도시된 바와 같이 지그의 작업 환경을 반영하여 위상최적설계를 수행하여 최적의 결과를 도출하고, (d)에 도시된 바와 같이 해당 결과를 적층가공하기 위해 STL 포맷으로 변환할 수 있다. (e)에 도시된 바와 같이 적층가공의 경우, SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 시제품을 제작할 수 있다.In order to mimic the spongy bone structure as shown in (b) after simplifying the CAD model within a range that does not affect the structural behavior in order to perform an efficient phase optimization design as shown in FIG. Initial models can be implemented with hollow spherical patterns. And, as shown in (c), the optimum design is performed by reflecting the working environment of the jig to derive the optimum result, and as shown in (d), the result is converted into STL format for lamination processing. Can be. As shown in (e), in the case of additive manufacturing, a prototype may be manufactured by SLS (Selective Laser Sintering).

도 7은 일 실시예에 따른 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 구조의 예를 나타내는 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a lightweight design structure based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing according to an embodiment.

도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 3D 프린팅을 하게 되는 대상을 나타내며, (b)는 상기의 대상을 이용하여 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계를 통해 구현된 구조를 나타낸다. Referring to FIG. 7, (a) of FIG. 7 illustrates an object to be subjected to 3D printing, and (b) is implemented through a lightweight structure based on a porous structure using phase optimization design and 3D printing using the above object. The structure is shown.

이 때, 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계를 수행하고 적층가공 방식으로 3D 프린팅을 구현함으로써 경량화가 가능하다. At this time, it is possible to reduce the weight by designing a porous structure according to a given load by using a phase optimization design and implementing 3D printing in a lamination process.

이와 같이, 실시예들에 따르면 과거 절삭가공 방식 하에서는 불가능했던 중공 구조(hollow structure)나 격자 구조(lattice structure)를 이용한 경량화가 가능하며, 복잡한 기하구조의 적용을 통해 심미적인 향상도 가능하다. 또한, 개발 과정에서의 소요시간을 획기적으로 개선시킬 수 있으므로, 다품종 소량 생산 방식의 품목에 대해 경량화 적용 시 유리하며, 이를 통해 제품 경쟁력 향상에 기여할 수 있다. As such, according to the embodiments, it is possible to reduce the weight using a hollow structure or a lattice structure, which was not possible under the cutting method in the past, and aesthetic improvement through the application of a complicated geometry. In addition, since the time required in the development process can be significantly improved, it is advantageous to apply the weight reduction to the multi-product small quantity production method, thereby contributing to the improvement of product competitiveness.

이상과 같이, 실시예들은 새로운 패러다임인 생체 모방형 다공성 구조 기반의 경량화 설계 기술로, 3D 프린터에 소프트웨어적으로 애드온(add-on) 가능하다.As described above, the embodiments are lightweight design technology based on a biomimetic porous structure, which is a new paradigm, and can be software added to a 3D printer.

실시예들에 따르면 위상최적설계를 이용하여 설계공간 상에서 최적의 위치에 재료를 배치함으로써, 대상 구조의 강도를 유지하면서 질량을 줄이는 경량화 설계가 가능하다. 또한, 적층가공 방식과 연계함으로써 위상최적설계로부터 도출된, 복잡한 형상의 경량 구조가 구현 가능하다.According to embodiments, by placing the material in the optimal position in the design space using the phase optimization design, it is possible to reduce the weight while maintaining the strength of the target structure. In addition, in combination with the additive manufacturing method, a light weight structure having a complicated shape, which is derived from the topology optimization design, can be realized.

그리고, 실시예들에 따른 생체 모방 경량화 설계기술 및 이를 3D 프린터와 연계할 수 있는 인터페이스 기술이 개발할 경우, DFAM(Design for Additive Manufacturing) 관련 차세대 핵심기술로 부각될 수 있다.In addition, when a biomimetic lightweight design technology and an interface technology for linking the same with a 3D printer may be developed, it may be highlighted as a next generation core technology related to DFAM (Design for Additive Manufacturing).

나아가, 이러한 기술은 자동차, 항공, 우주, 국방 등의 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다.Furthermore, this technology can be applied to various industrial fields such as automobile, aviation, space, defense and the like.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable arrays (FPAs), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For the convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person skilled in the art will appreciate that the processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively. You can command the device. Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. It can be embodied in. The software may be distributed over networked computer systems so that they are stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and the drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (15)

3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계
를 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법. Before constructing the structure through 3D printing, design the porous structure according to the given load by using topology optimization
Including, a porous structure-based lightweight design method using topological design and 3D printing. 제1항에 있어서,
설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 단계
를 더 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법.The method of claim 1,
Implementing 3D printing by additive manufacturing using the designed porous structure
Further comprising, a porous structure-based lightweight design method using topological design and 3D printing. 제1항에 있어서,
상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는,
구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법. The method of claim 1,
Designing a porous structure according to a given load using the phase optimization design,
Based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeletal structure to maintain the strength of the structure and reduce the mass, it is designed to determine the porous structure according to the given load and to place the material in the design space based on the topological design. To do
Light weight design method based on porous structure using a phase optimization design and 3D printing. 제1항에 있어서,
상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는,
설계공간 및 설계변수를 설정하는 단계;
인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행하는 단계;
유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하는 단계;
축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 상기 설계변수를 갱신하는 단계; 및
경량의 상기 위상최적설계를 도출하는 단계
를 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법.The method of claim 1,
Designing a porous structure according to a given load using the phase optimization design,
Setting a design space and a design variable;
Performing a formula of a phase optimization design for biomimetics of spongy bones in a human skeleton structure;
Obtaining behavior information of the target structure through finite element analysis;
Updating the design variable based on the sensitivity information in the sequence process; And
Deriving the lightweight phase optimization design
Including, a porous structure-based lightweight design method using topological design and 3D printing. 제4항에 있어서,
상기 설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)인 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법. The method of claim 4, wherein
The design variable is the relative density of the individual finite elements, the objective function is the minimization of strain energy of the target structure, and the constraints are the mass and perimeter of the structure.
Light weight design method based on porous structure using a phase optimization design and 3D printing. 제5항에 있어서,
내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 상기 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법. The method of claim 5,
Setting a lower bound to the perimeter length to ensure the porosity of the internal structure
Light weight design method based on porous structure using a phase optimization design and 3D printing. 제2항에 있어서,
상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 단계는,
대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하는 단계;
해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하는 단계; 및
지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 상기 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출하는 단계
를 포함하고,
상기 설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 단계는,
도출된 상기 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하는 단계; 및
변환된 상기 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작하는 단계
를 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 방법.The method of claim 2,
Designing a porous structure according to a given load using the phase optimization design,
Simplifying the CAD model without affecting the behavior of the target structure;
Implementing an initial model in a hollow spherical pattern to mimic the spongy bone structure; And
Deriving the optimum porous structure design by performing the phase optimization design reflecting the working environment of the jig
Including,
Implementing 3D printing in an additive manufacturing method using the designed porous structure,
Converting the derived porous structure into a file of a predetermined format for laminating the design; And
Manufacturing a product by the SLS (Selective Laser Sintering) method using the converted file
Including, a porous structure-based lightweight design method using topological design and 3D printing. 3D 프린팅을 통해 구조물을 구현하기 이전에, 위상최적설계(topology optimization)를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 설계하는 다공성 구조 설계부
를 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템. Before constructing the structure through 3D printing, the porous structure design unit uses a topology optimization to design the porous structure according to the given load.
Including, a porous structure-based lightweight design system using 3D printing and topology optimization. 제8항에 있어서,
설계된 상기 다공성 구조를 이용하여 적층가공(additive manufacturing) 방식으로 3D 프린팅을 구현하는 3D 프린팅부
를 더 포함하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템.The method of claim 8,
3D printing unit for implementing 3D printing by additive manufacturing method using the designed porous structure
Further comprising, lightweight structure design system based on porous structure using 3D printing and topology optimization. 제8항에 있어서,
상기 다공성 구조 설계부는,
구조의 강도를 유지하고 질량을 줄이도록 인체 골격계 구조 중 해면골을 생체 모방한 다공성 구조를 기반으로 상기 위상최적설계를 이용하여 주어진 하중에 따른 다공성 구조를 결정하고, 설계공간 상에 재료를 배치하도록 설계하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템. The method of claim 8,
The porous structure design unit,
Based on the porous structure that mimics the spongy bone of the human skeletal structure to maintain the strength of the structure and reduce the mass, it is designed to determine the porous structure according to the given load and to place the material in the design space based on the topological design. To do
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that. 제8항에 있어서,
상기 다공성 구조 설계부는,
설계공간 및 설계변수를 설정하고, 인체 골격계 구조 중 해면골의 생체 모방을 위한 위상최적설계의 수식화를 수행한 후, 유한요소해석을 통한 대상 구조의 거동 정보 획득하고, 축차 과정에서 민감도 정보를 바탕으로 상기 설계변수를 갱신하여, 경량의 상기 위상최적설계를 도출하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템.The method of claim 8,
The porous structure design unit,
After setting the design space and design variables, formulating the topology optimization design for the biomimetic of the spongy bone in the human skeletal structure, obtaining the behavior information of the target structure through finite element analysis, and based on the sensitivity information in the sequential process Updating the design variable to derive the lightweight phase optimal design
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that. 제11항에 있어서,
상기 설계변수는 개별 유한요소의 상대밀도(relative density)이고, 목적함수는 대상 구조의 변형률 에너지(strain energy)의 최소화이며, 제한조건은 구조의 질량과 둘레 길이(perimeter)인 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템. The method of claim 11,
The design variable is the relative density of the individual finite elements, the objective function is the minimization of strain energy of the target structure, and the constraints are the mass and perimeter of the structure.
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that. 제12항에 있어서,
내부 구조의 다공성을 보장하기 위해 상기 둘레 길이에 대해 하한값(lower bound)을 설정하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템. The method of claim 12,
Setting a lower bound to the perimeter length to ensure the porosity of the internal structure
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that. 제9항에 있어서,
상기 다공성 구조 설계부는,
대상 구조의 거동에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 CAD 모델을 단순화하고, 해면골 구조를 모방하기 위해 중공 구형 패턴으로 초기 모델을 구현하며, 지그(jig)의 작업 환경을 반영하여 상기 위상최적설계를 수행하여 최적의 다공성 구조를 설계를 도출하고,
상기 3D 프린팅부는,
도출된 상기 다공성 구조를 설계를 적층가공하기 위해 소정 포맷의 파일로 변환하고, 변환된 상기 파일을 이용하여 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 제품을 제작하는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템.The method of claim 9,
The porous structure design unit,
Simplify the CAD model within the scope of not affecting the behavior of the target structure, implement the initial model in a hollow spherical pattern to mimic the spongy bone structure, and perform the phase optimization design by reflecting the working environment of the jig. To derive the optimum porous structure design,
The 3D printing unit,
Converting the derived porous structure into a file of a predetermined format for laminating a design, and manufacturing a product in a SLS (Selective Laser Sintering) method using the converted file
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that. 제9항에 있어서,
상기 다공성 구조 설계부 및 상기 3D 프린팅부 중 적어도 어느 하나 이상은,
3D 프린터에 소프트웨어적으로 애드온(add-on)되는 것
을 특징으로 하는, 위상최적설계와 3D 프린팅을 이용한 다공성 구조 기반의 경량화 설계 시스템. The method of claim 9,
At least one or more of the porous structure design unit and the 3D printing unit,
Being software-added to a 3D printer
Lightweight design system based on porous structure using topological design and 3D printing, characterized in that.
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