[논문 리뷰] Generative Design for Performance Enhancement, Weight Reduction, and its Industrial Implications

Bashu Aman|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 28.

Manufacturing Process and Optimization참고 문헌 19인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 구조적, 열적, 동적 조건 하에서 반복 최적화를 통해 성능 향상과 무게 감량을 달성하기 위해 Autodesk Fusion 360를 사용하여 기계 브라켓에 대한 생성 설계 방식을 제시한다. 최종 설계는 다중 물리장 시뮬레이션과 3D 프린팅을 통해 검증되었으며, 원래 조립체와의 기능적 통합을 유지하면서도 뚜렷한 무게 절감과 구조적 안정성을 확보하였다.

ABSTRACT

This paper investigates the generative designing of a bracket that aids in the rotation of a linkage mounted on it with a revolute joint. Generative design is a term that is generally used when we care about weight reduction and performance gain in the manufacturing sector. Optimization is also a similar term. The only difference between the two is that generative design considers stress analysis while optimization considers load paths to give the required result. For a critical analysis of a generatively designed bracket, Autodesk Fusion 360 is used, which has in-built functionality of working on the generative design on the cloud, given Preserve and Obstacle geometries, Starting Shape and Resolution, Load cases and Constraints, Materials and Manufacturing methods. The generative bracket's iterative solutions are explored and further validated with simulations such as stress simulations, thermal simulations, buckling simulations, and modal frequencies, thus leading to a proper result for forming design and mesh. After post-processing the bracket's design and mesh, its CAD is further converted to CAM to send it for 3D printing under a suitable manufacturing method. The final generative bracket design is linked and employed into the initial assembly to check its proper working with the linkage, machine interface, and joints. The generated design considering various parameters is the best finish for performance enhancement and weight reduction. This paper will act as a basis for designing parts involving multiple studies and environments that will be a topic of industrial research in future technologies.

연구 동기 및 목표

• 기계적 성능 향상을 위해 생성 설계를 활용한 경량화되고 고성능 브라켓을 개발하기 위해.
• 구조적, 열적, 동적 시뮬레이션을 설계 워크플로우에 통합하여 강력한 검증을 수행하기 위해.
• 기능 테스트와 적층 제조를 통해 생성 설계의 산업적 타당성을 입증하기 위해.
• 응력 기반 최적화를 강조하여 전통적 최적화와의 비교를 통해 생성 설계의 역할을 분석하기 위해.
• 미래의 다중 환경, 다중 목표 설계를 위한 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 정의된 유지 및 장애물 기하구조, 시작 형상, 해상도, 제조 조건을 갖춘 클라우드 기반 생성 설계 모듈을 사용하여 Autodesk Fusion 360를 활용하였다.
• 응력 분포 기반으로 최적화를 유도하기 위해 하중 조건, 경계 조건, 재질 특성을 적용하였다.
• 정적 응력, 열적, 버팀개, 모드 주파수 분석을 포함한 반복적 시뮬레이션을 수행하여 설계 성능을 검증하였다.
• 최적화된 CAD 모델을 후처리하고 선택적 레이저 소결(SLS)을 사용하여 직접 3D 프린팅이 가능한 CAM 공정 경로를 생성하였다.
• 최종 생성 브라켓을 원래 조립체에 재통합하여 레볼루트 조인트 및 라인크와의 운동학적 호환성을 검증하였다.
• 시뮬레이션 피드백과 제조 가능성 제약 조건을 융합한 다단계 설계 루프를 통해 최종 부품를 정교화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생성 설계는 기계 브라켓에서 무게를 줄이면서도 구조적 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기존 최적화 방식과 비교해 응력 기반 최적화가 뛰어난 하중 전달 경로를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 다중 물리장 시뮬레이션(열적, 버팀개, 모드 주파수)이 생성 설계 결과의 신뢰성에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 생성 설계를 통해 도출된 부품이 기존 기계 조립체에 얼마나 잘 기능적으로 통합될 수 있는가?
• RQ5 실제 제조 워크플로우에 생성 설계를 도입하는 데 있어 실용적인 산업적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 생성 설계를 통해 브라켓의 무게가 크게 감소하였으며, 응력 분석 기반 최적의 재료 분포가 확보되었다.
• 최종 설계는 정적 응력, 열적, 버팀개, 모드 주파수 분석을 포함한 모든 시뮬레이션 테스트에 통과하여 구조적 안정성을 확인하였다.
• 원래 조립체의 레볼루트 조인트 및 라인크와의 기능적 호환성이 유지되어 운동학적 성능이 검증되었다.
• 후처리 및 CAM 생성 과정을 통해 직접 3D 프린팅이 가능하여 적층 제조를 통한 제조 가능성의 타당성이 입증되었다.
• 시뮬레이션 피드백에 기반한 반복적 설계 과정을 통해 산업 현장에 적용 가능한 고성능 경량 부품이 도출되었다.
• 다양한 물리적 환경이 포함된 복잡한 기계 시스템에서의 생성 설계를 위한 재현 가능한 워크플로우가 수립되었다.