[논문 리뷰] Bio-inspired method based on bone architecture to optimize the structure of mechanical workspieces

Clément Audibert, Julien Chaves‐Jacob외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 26.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 27인용 수 54

한 줄 요약

본 논문은 뼈 골격을 기반으로 한 생체 모방 접근법을 제시하여 국소 응력에 의해 다공도를 제어함으로써 오픈워크 기계 부품의 최적화를 수행하고, 실험 굽힘 시험을 통한 토폴로지 최적화와 비교한다.

ABSTRACT

Nowadays, additive manufacturing processes greatly simplify the production of openwork workpiece providing new opportunities for workpieces design. Based on Nature knowledge, a new bio-inspired workpiece structural optimization approach is presented in this paper. This approach is derived from bones structure. The aim of this method is to reduce the workpiece weight maintaining an acceptable resistance. Like in bones, the porosity of the part to optimize was controlled by a bio-inspired method as function of the local stress field. Shape, size and orientation of the porosities were derived from bone structure; two main strategies were used: one inspired of avian species and other inspired of terrestrial mammalian. Subsequently, to validate this method, an experimental test was carried out for comparing a topological optimization and the proposed bio-inspired designs. This test was conducted on a beam part in 2.5D subjected to a static three-point bending with 65% of density. Three beams were manufactured by 3D metal printing: two bio-inspired beams (terrestrial mammalian and avian species) and the last designed using a topological optimization method. Experimental test results demonstrated the usefulness of the proposed method. This bio-inspired structural optimization approach opens up new prospects in design of openwork workpiece.

연구 동기 및 목표

• 수용 가능한 구조 저항을 유지하면서 오픈워크 부품의 경량 설계를 촉진한다.
• 국소 응력장에 의해 구동되는 뼈 구조에서 영감을 얻은 다공도 최적화 방법을 개발한다.
• 조류와 육지 포유류 뼈 전략에서 다공도 형상, 크기 및 방향을 도출한다.

제안 방법

• 국소 응력의 함수로 부품의 다공도를 제어하기 위해 뼈에서 영감을 얻은 원칙을 사용한다.
• 조류 및 육지 포유류 뼈 구조로부터 다공도 기하학(형상, 크기, 방향)을 도출한다.
• 3D 금속 프린팅으로 세 가지 변형의 빔을 제작한다(두 가지 생체 모방, 하나는 토폴로지 최적화).
• 65% 밀도에서 정적 삼점 굽힘 시험으로 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뼈 구조를 바탕으로 한 생체 모방 다공도 설계가 토폴로지 최적화 설계와 비교했을 때 무게를 줄이면서 강성을 보존할 수 있는가?
• RQ2 조류에서 영감을 받은 다공도 패턴과 육지 포유류에서 영감을 받은 다공도 패턴이 굽힘 하중 하에서 어떻게 작동하는가?
• RQ3 뼈 유래 다공도를 추가적 제조된 오픈워크 부품에 구현하는 실현 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 실험적 시험은 생체 모방 설계가 굽힘 하에서 오픈워크 구조에 유용함을 보여주며, 성능은 토폴로지 최적화와 비교된다.
• 세 개의 빔이 인쇄되었다: 두 가지 생체 모방(육지 포유류와 조류)과 하나의 토폴로지 최적화, 모두 65% 밀도에서.
• 제안된 뼈 골격 기반 최적화 접근법의 유용성을 입증한다.