[논문 리뷰] On the additive manufacturing, post-tensioning and testing of bi-material tensegrity structures

Ada Amendola, Everth Hernández-Nava외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 05.

Structural Analysis and Optimization참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 전자빔 용융(EBM)을 통해 일시적 지지체를 갖는 티타늄 합금(Ti6Al4V) 기둥을 적층 제조한 후 스펙트라 섬유로 후처리 탄성 인장 처리를 수행하는 새로운 이중 단계 제조 방법을 제안한다. 결과적으로 형성된 구조물은 축방향 압축 하에서 기하학적으로 비선형적이며 탄성 강성 증가 특성을 보이며, 이는 이론적 예측을 확인하고 스마트 장치 및 음향 응용 분야에서의 기계적 메타물질 잠재력이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

An investigation on the additive manufacturing and the experimental testing of 3D models of tensegrity prisms and columns is presented. An electron beam melting facility (Arcam EBM S12) is employed to 3D print structures composed of tensegrity prisms endowed with rigid bases and temporary supports, which are made out of the titanium alloy Ti6Al4V. The temporary supports are removed after the additive manufacturing phase, when Spectra cross-strings are added to the 3D printed models, and a suitable state of internal prestress is applied to the structure. The experimental part of the study shows that the examined structures feature sitffening-type elastic response under large or moderately large axial strains induced by compressive loading. Such a geometrically nonlinear behavior confirms previous theoretical results available in the literature, and paves the way to the use of tensegrity prisms and columns as innovative mechanical metamaterials and smart devices.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조와 후처리 탄성 인장을 활용한 복잡한 이재료 텐스그리티 구조물의 스케일업 가능하고 정밀한 제조 방법 개발.
• 전통적 수작업 조립 방식에서 발생하는 접합 불일치, 마찰, 정렬 오류 등의 과제 해결.
• 축방향 압축 하에서 텐스그리티 기둥 및 기둥 구조물의 기하학적으로 비선형적이며 강성 증가하는 기계적 거동에 대한 실험적 검증.
• 파동 제어, 충격 보호, 구조물 건강 모니터링 등 응용 분야에서 텐스그리티 기반 시스템이 기계적 메타물질로 활용될 잠재성 탐색.
• 내재된 예비 응력과 마이크로스케일 텐스그리티 제조를 위한 향후 다재료 적층 제조 기술의 기초 마련.

제안 방법

• CAD 소프트웨어를 활용해 고정밀 Ti6Al4V 기초와 세 개의 구조부를 갖는 3차원 텐스그리티 기둥 모델 설계하며, EBM 동안 구조적 안정성을 확보하기 위해 임시 지지체 포함.
• Arcam EBM S12 시스템을 사용해 Ti6Al4V 분말을 대상으로 전자빔 용융(EBM)을 통한 중간 모델 제작. 층 두께는 100 µm 이하.
• 후처리: EBM 이후 임시 지지체 제거 후 수작업으로 고강도 스펙트라 섬유를 삽입하고 인장 처리하여 인장 부재로 활용.
• 후처리 탄성 인장을 통해 내부 예비 응력을 제어하여 자가균형 상태를 확보.
• 단일 기둥 및 다중 기둥 기둥(3LRL 및 3LLL 구성)에 대해 정적 압축 시험 실시하여 기계적 거동 평가.
• 디지털 영상 상관 분석(DIC) 및 변위 측정을 활용해 큰 또는 중간 크기의 축변위 및 비선형 변형 패턴 캡처.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 단계 적층 제조 및 후처리 탄성 인장 공정이 제어된 내부 예비 응력을 갖는 복잡한 이재료 텐스그리티 구조물을 신뢰성 있게 제조할 수 있는가?
• RQ2 텐스그리티 기둥의 기하 배열(예: 3LRL 대비 3LLL)이 축방향 압축 하에서의 하중-변위 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 EBM로 제조된 텐스그리티 구조물이 큰 축변형에서 예측된 기하학적으로 비선형적이며 탄성 강성 증가 거동을 보이는가?
• RQ4 다중 기둥 텐스그리티 기둥에서의 주요 파손 메커니즘은 무엇이며, 이는 구조적 구성과 응력 집중과 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 텐스그리티 시스템의 기계적 거동이 음향 또는 보호 장치용 기계적 메타물질로 활용되기 위해 어느 정도 조절 가능한가?

주요 결과

• 제작된 텐스그리티 기둥은 뚜렷한 기하학적으로 비선형 거동를 보이며, 축방향 압축이 증가함에 따라 강성이 증가하여 이론적 예측을 확인했다.
• 모든 기둥이 같은 방향으로 비틀어진 3LLL 구성은 파손 전 더 큰 축변위(최대 δ ≈ 12 mm)를 견딜 수 있었고, 반대로 방향이 반대인 3LRL 구성은 응력 집중으로 인해 더 작은 변위에서 파손되었다.
• 3LLL 시편의 파손은 상단 기둥의 바가 상단 접합부에서 분리되어 발생했으며, 3LRL 시편은 중앙 기둥의 상하 모두 접합부에서 동시에 분리되어 파손되었다.
• 3LRL 시편은 종단 기둥의 반대 방향 비틀림으로 인해 더 심한 비선형성과 조기에 발생하는 불안정성 특성을 보였으며, 이는 인터페이스에서 높은 응력 집중을 유도했다.
• 3LLL 구성은 더 넓은 변위 범위에서 단일 기둥의 거동과 유사한 기계적 거동을 나타내어, 더 우수한 하중 분포 및 안정성을 보였다.
• 실험 결과는 고정밀 기초를 갖는 텐스그리티 시스템에 대한 이론적 프레임워크를 검증하였으며, 이는 축방향 압축 하에서 조절 가능한 강성 증가 거동를 갖는 탄성 메타물질로서의 잠재력을 입증한다.