토폴로지 최적화와 제너레이티브 디자인 비교

목차

1. 👉 도입부
2. 👉 3D 프린팅을 위한 디자인 최적화의 중요성
3. 👉 제너레이티브 디자인과 토폴로지 최적화의 차이
4. 👉 시뮬레이션의 중요성과 시간과 노력을 절약하는 예시
5. 👉 인간적 요소: 경험과 패턴 인식의 중요성
6. 👉 미적인 요소의 역할: 심미성과 고객사의 요구
7. 👉 장단점: 3D 프린팅 디자인 최적화의 장점과 한계
8. 👉 결론

3D 프린팅을 위한 디자인 최적화의 중요성

3D 프린팅은 디자인을 최적화하여 부품을 제작하는 과정에서 단순히 부품을 3D로 출력하는 것 이상의 의미를 지니고 있습니다. Trudy Fam은 3D 프린팅의 고유한 이점인 맞춤화, 조립 통합 및 경량화 등을 최대한 활용합니다. 이를 위해 시뮬레이션 기반 소프트웨어 도구가 존재하지만, 이들은 약간의 차이를 가지고 있으며 서로 다른 목적으로 설계된 것입니다. 또한, 우리는 디자인에서 무시할 수 없는 실제적인 인간적 요소가 있습니다. 저는 최근에 Paet의 공동 창업자 겸 주요 디자이너인 Eric Miller와 이러한 문제와 3D 프린팅 내에서 디자인에 대해 어떻게 생각하는지에 대해 이야기를 나누었습니다.

👉 3D 프린팅을 위한 디자인 최적화에 대한 이해

부품을 최적화하기 위해 최적성 디자인(generative design)과 토폴로지 최적화(topology optimization)에 대해 이야기를 나누었습니다. 두 가지의 차이점에 대해 Eric은 다음과 같이 설명하였습니다. 토폴로지 최적화는 하중이 가해지는 곳을 확인하고, 그 부분에 필요한 재료를 최소화하기 위해 재료를 제거하는 과정입니다. 이는 하중을 고려하지 않는 장소나 응력이 없는 곳에서 강성과 밀도를 줄이는 방식입니다. 그에 비해, 제너레이티브 디자인은 다른 방법들을 통해 디자인을 수행합니다. 예를 들어, 우리는 식물이나 사람의 뼈와 같이 유기적인 구조에서 발생하는 모습을 따라갈 수 있습니다. 이와 같은 연구는 부품을 재료를 제거하는 것이 아닌 성장시켜 나가는 방향으로 디자인하는 것에 대한 연구입니다. 또 다른 방식으로는 내부에 격자 구조를 넣는 것이 있습니다. 이러한 격자 구조를 최적화하여 부하를 견딜 수 있도록 바꿔주는 것입니다. 따라서, 제너레이티브 디자인은 기대한 요구사항을 충족하는 디자인을 생성하는 것이며, 그에는 하중, 비용, 생산성 등의 요소가 모두 포함됩니다. 이러한 요소들을 고려하며 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 최적의 디자인을 찾는 것이 제너레이티브 디자인의 핵심입니다.

👉 시뮬레이션으로 시간과 노력을 절약하는 예시

Eric은 시뮬레이션이 시간과 노력을 절약하는 방법에 대해 몇 가지 예시를 얘기하였습니다. 폴리머 소재를 사용한 부품에 대한 예시를 먼저 소개하겠습니다. 이 고객은 큰 어셈블리를 볼트와 접착제로 연결하여 하나의 부품으로 만들었지만, 강성과 진동의 문제가 있었습니다. 이들은 시뮬레이션을 이용하여 부품의 형태를 최적화하고, 어디에 두께를 더하고 어디에서 뺄지, 리브를 추가해야 하는지 등을 파악하여 부품을 최적화하고 잘 만들어진 부품을 얻었습니다. 이와 같이 폴리머를 사용하는 경우 뿐만 아니라, 항공우주 분야에서도 토폴로지 최적화를 현재의 설계에 적용하는 사례가 많아지고 있습니다. 이는 설계를 최적화하기 위한 가이드로 사용되며, 항공우주 분야에서는 일반적인 시뮬레이션 과정에 토폴로지 최적화가 거의 표준적으로 사용되기 시작했습니다. 현재 몇몇 고객사에서는 생산 측면에서 이를 활용하여 부품을 더 신속하게 제조하는 방법을 찾는 것에 관심을 가져가고 있습니다. Eric은 시뮬레이션을 통해 한 번에 좋은 결과물을 얻는다고 말하며, 새로운 기계를 받았을 때 시뮬레이션을 통해 불량없는 테스트 부품을 즉시 출력할 수 있다는 예시를 들었습니다. 하지만 그는 고객사가 토폴로지 최적화 결과를 그대로 적용하지 않고 의사결정에 활용한다고 언급하였습니다. 이는 디자인 엔지니어들이 다수의 실패를 경험하며 누적해온 경험과 패턴인식에 의거한 것입니다. 토폴로지 최적화만을 의지한다면 고객사들이 알고 있는 유용한 정보를 컴퓨터가 인식하지 못할 수 있다는 점이 있습니다. Eric은 또한 미적인 측면인 디자인의 심미성이 중요한 역할을 한다고 언급하였습니다. 부품이 다른 부분과 다르게 보일 경우, 고객사 및 최종 사용자들은 이상하게 생각할 수 있으며, 부품이 올바르게 제작되지 않았다고 생각할 수 있습니다. 이러한 이유로, 부품의 외관 미적 요소를 고려하여 유럽내한 부분과 오른쪽 부분, 둘 사이의 차이를 최소화하고 대칭적인 디자인을 선호하는 경우가 많습니다.

👉 장단점: 3D 프린팅 디자인 최적화의 장점과 한계

3D 프린팅 디자인 최적화의 장점과 한계는 다음과 같습니다.

장점

• 맞춤화: 3D 프린팅은 제품의 맞춤화를 가능하게 합니다. 디자인 최적화를 통해 고객의 요구에 따라 부품을 최적화할 수 있습니다.
• 경량화: 3D 프린팅은 부품의 경량화를 가능하게 합니다. 토폴로지 최적화 등을 통해 부품 내에서 불필요한 재료를 제거하거나 구조를 최적화할 수 있습니다.
• 조립 통합: 3D 프린팅을 이용하여 여러 부품을 하나의 부품으로 통합할 수 있습니다. 이로써 조립 및 유지보수 과정을 간소화할 수 있습니다.

한계

• 인간적 요소: 3D 프린팅 디자인은 인간의 경험, 패턴 인식, 심미적 요소 등을 고려해야 합니다. 현재까지는 기계 학습 등을 통해 자동화된 판단이 어려운 한계가 있습니다.
• 디자인의 제약: 3D 프린팅은 특정한 형태와 구조에 대한 제약이 있을 수 있습니다. 양산을 고려하는 경우, 생산성과 비용 등의 측면에서 추가적인 제약 사항이 있을 수 있습니다.

FAQ

1. 3D 프린팅 디자인 최적화는 어떤 이점을 가지고 있나요? 3D 프린팅 디자인 최적화는 맞춤화, 경량화, 조립 통합 등의 이점을 가지고 있습니다. 부품을 최적화하여 고객의 요구에 맞게 제작할 수 있으며, 불필요한 재료를 제거하거나 구조를 최적화하여 부품의 경량화를 달성할 수 있습니다. 또한, 여러 부품을 하나의 부품으로 통합함으로써 조립과 유지보수를 간소화할 수 있습니다.

2. 3D 프린팅 디자인 최적화에는 어떤 제약 사항이 있나요? 3D 프린팅 디자인 최적화는 특정한 형태와 구조에 제약이 있을 수 있습니다. 또한, 양산을 고려하는 경우, 생산성과 비용 등의 측면에서 추가적인 제약 사항이 있을 수 있습니다.

3. 3D 프린팅 디자인에서 시뮬레이션은 왜 중요한가요? 시뮬레이션은 3D 프린팅 디자인에서 시간과 노력을 절약하는 중요한 요소입니다. 시뮬레이션을 통해 부품의 최적화된 형태를 예측할 수 있으며, 부품의 강성, 진동 등의 특성을 사전에 확인할 수 있습니다. 이는 추후에 부품을 재작하는 등의 추가적인 비용을 줄일 수 있습니다.

강조점

• 3D 프린팅 디자인 최적화를 통해 맞춤화, 경량화, 조립 통합 등의 이점을 얻을 수 있습니다.
• 제너레이티브 디자인과 토폴로지 최적화는 디자인 최적화를 위한 중요한 도구입니다.
• 시뮬레이션은 3D 프린팅 디자인에서 시간과 노력을 절약하는 중요한 역할을 합니다.
• 경험과 패턴 인식은 3D 프린팅 디자인에서 중요한 인간적 요소입니다.
• 디자인의 심미성은 3D 프린팅 디자인에서 고려해야 할 요소입니다.

자료: Paet