위상최적화 + 3D 프린터 = 질량 48% 감소

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  3D 프린팅 또는 “적층제조”(AM)를 둘러싼 관심은 기하급수적으로 높아져왔으나 다소 둔화되는 추세입니다. 큰 덩어리를 깎아내는 것이 아닌, 적층하는 방식은 제조산업의 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 지녔습니다. 그 결과, 다양한 업종의 회사들이 설계 및 제조 프로세스에 AM을 적용시키고 있습니다. 이러한 동향은 AM 개발, 구현 및 산업화에서 선도역할을 해 온 우주항공 산업에서 더욱 두드러지게 나타납니다.

  탈레스 알레니아 스페이스(Thales Alenia Space)는 유럽의 우주항공 제조업체입니다. 이 회사는 프랑스, 이탈리아, 스페인, 벨기에, 영국, 독일 및 폴란드에 소재하고 있으며 방위, 지구관측, 통신, 내비게이션 및 보안 시장에서 사용되는 우주 시스템의 설계, 통합, 테스트, 운영 및 제공 사업을 진행하며 전 세계 약 7,500명의 직원을 보유하고 있습니다.

  스페인의 탈레스 알레니아 스페이스는 우주 위성 개발을 위한 AM과 그 가능성을 연구하던 중, 설계 최적화 기술을 새로운 제조 기술과 결합하여 설계할 수 있는 방법을 개발하기 위한 연구 프로젝트를 시작했습니다. 그들은 함께 연구를 수행할 파트너로 알테어 프로덕트 디자인을 선택했습니다. 알테어는 설계 최적화 기술 개발 및 우주항공 산업에서 이러한 기술을 효율적으로 적용할 수 있는 전문지식을 보유했습니다.

  탈레스 알레니아 스페이스는 해당 연구의 테스트 사례로 위성의 알루미늄 필터 브래킷을 선택했습니다. 알루미늄 필터 브래킷은 지지부에서 발생하는 두 가지 구조적 부하의 고유한 조합은 물론, 필터를 통과하는 기류로 인한 열 부하와 우주 비행 시 발생하는 극한 온도가 요구됩니다.

  이 연구의 주 목적은 경량화를 위해 요소를 최적화하고 적층 제조를 위한 최종 설계를 준비하는 동시에 설계 최적화 기법을 사용하여 브라켓의 열 컴플라이언스를 감소시키는 것이었습니다.

열적 구조 모델 생성

  탈레스 알레니아 스페이스는 열 해석 및 구조해석 두 가지를 위한 브라켓 모델을 보유하고 있습니다. 알테어 프로덕트 디자인은 가장 먼저 이 두 모델을 하이퍼웍스의 구조해석 솔버옵티스트럭트에 적합한 형식으로 변환하고 두 모델을 조합하여 고유한 열적 구조 모델을 생성했습니다. 그리고 하이퍼웍스의 전처리 프로그램하이퍼메시로 모델을 조합하여 제약 조건의 영향을 동시에 살펴보았습니다. 이는 적절한 시간 내에 모든 설계 조건을 만족하는 최적의 설계를 찾기위한 중요한 단계입니다.

  모델을 분석하여 그 결과를 비교함으로써 새로운 프로세스가 제품의 성능을 저하시키지 않는다는 것을 확인할 수 있었습니다. 탈레스 알레니아 스페이스에서 제공하는 모달, 정적, 랜덤 및 열 하중을 포함하여 결과를 비교하였으며, 연구 팀은 기존의 두 모델에서 확인한 성능과 새롭게 조합된 모델에서 확인한 성능이 매우 밀접한 상관관계가 있음을 증명했고 모델에 대한 확신을 가졌습니다.

4▲ 기존 필터 브라켓 설계의 형상

5▲ 열적 구조 모델의
설계 영역 정의

6▲ 토폴로지 최적화 결과
(옵티스트럭트)

7▲ 제조 가능한 형태로 해석된 토폴로지 결과
(알테어 프로덕트 디자인)

8▲ 최적화된 브라켓 렌더링 이미지

적층 제조를 위한 최적화

  알테어 프로덕트 디자인 팀은 새 모델이 실제 브래킷을 정확히 구현한 것에 만족하고 설계 최적화 단계로 넘어갔습니다. 알테어 팀은 옵티스트럭트를 사용하여 모델을 구성했으며 만족스러운 솔루션을 위해 다양한 제약조건을 지정했습니다. 예를들어 브라켓에는 온도, 응력 및 정상모드 주파수에 대한 최대최소값이 주어졌으며, 대칭면 조건과 열 컴플라이언스를 경감하고 질량을 최소 15~20% 감소해야한다는 조건도 지정했습니다.

  옵티스트럭트를 사용하여 브라켓을 ‘설계 가능한’ 영역(재료를 제거할 수 있는 부분)과 ‘설계가 불가능한’ 영역(고정점 등 재료가 유지되어야 하는 부분)으로 나누었습니다. 이 정보는 제약조건과 함께 탈레스 알레니아 스페이스에서 제공한 구조 및 열 하중 데이터와 연결됩니다. 옵티스트럭트는 토폴로지 최적화를 통해 설계에 뚜렷한 영향을 미치지 않는 영역의 재료를 제거하고 필요한 곳에 추가하여 효율적인 설계를 제안합니다. 옵티스트럭트에서 제안한 지오메트리는 알테어 프로덕트 디자인 엔지니어가 해석하여 AM 프로세스에 더욱 적합한 형태와 생산 가능한 CAD 모델로 변환되었습니다.

질량의 48% 감소 달성

  AM과 최적화 기술을 결합하여 기존과는 크게 다른 설계를 완성할 수 있었습니다. 만약 탈레스 알레니아 스페이스가 기존의 제조 방법을 사용했다면 이런 효율적인 최적화 결과를 얻지 못했을 것입니다. 질량이 추가될 수도 있으므로 이상적인 질량 및 성능 최적화 솔루션과는 거리가 멀어지게 됩니다. AM과 토폴로지 최적화 기법을 결합하면 균형잡힌 설계와 새로운 유기적 브라켓을 생산할 수 있습니다. 새로운 브라켓 설계는 기준 설계 대비 질량을 48%나 감소시켰으며 이는 기존의 무거웠던 설계의 구조적 성능을 유지하면서도 필터 브라켓의 열 컴플라이언스를 성공적으로 감소시켰습니다.

  이번 연구를 통해 탈레스 알레니아 스페이스 제품에 설계 최적화 기법과 AM의 결합이 미칠 수 있는 영향을 성공적으로 확인할 수 있었습니다. 이제 우리는 중량과 재료를 최대한 절약할 수 있는 이상적인 형상에 최소한의 만큼만 변형하여 중량 대비 성능이 우수한 독창적인 디자인을 설계할 수 있습니다.

  알테어와 탈레스 알레니아 스페이스의 협업은 매우 유익했습니다. 이제 두 회사의 엔지니어로 구성된 팀은 심층 연구를 진행하면서 브라켓 설계에 격자 구조를 도입하여 얻을 수 있는 성능 및 중량 개선 가능성을 연구하고 있습니다.



마틴  “우리는 경량화 및 열적가공 성능 측면에서 최적화 기법과 적층제조 기술을 결합하여 우수한 결과를 얻었습니다. 이제 우리는 고정관념을 뛰어넘어 더욱 전도유망하고 자극적인 결과도 쉽게 상상해볼 수 있게되었습니다.”


앙헬 마르티네스 마틴(Angel MARTINEZ MARTIN),
유효하중-물리적 설계 감독관
탈레스 알레니아 스페이스


* 업종
– 항공우주

* 과제
– 설계 최적화와 적층 구조의 결합 시 경량화 가능성 조사

* 알테어 솔루션
– 위성 브래킷의 고유 열적 구조 모델을 사용한 토폴로지 최적화

* 이점
– 48% 질량 감소
– 열 컴플라이언스 감소

[알테어 프로덕트 디자인]
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