FDM 인쇄 PLA 부품에 대한 단순화된 로컬 충전 크기 최적화

Jan 25, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5933(2023) 이 기사 인용

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적층 제조의 가장 큰 장점은 주어진 충전재로 속이 빈 부품을 만들 수 있다는 것입니다. 그러나 표준화된 상용 슬라이서 소프트웨어는 균일한 채우기 패턴 생성 솔루션을 제공합니다. 엔지니어링 실무에서 제조된 부품은 기능적이므로 적절한 하중 지지력이 대부분 필수입니다. 이 논문에서는 단순화된 로컬 채우기 크기 최적화 방법이 제시되었습니다. 유한 요소 분석을 기반으로 패턴의 국부 밀도는 나타나는 국부 응력에 따라 조정될 수 있습니다. 결과는 패턴 유형에 관계없이 스케일링을 적용한 경우 기계적 저항이 동일한 정도로 향상되었음을 보여줍니다. 최악의 성능을 보인 균일 패턴의 경우 최적화를 통해 기계적 저항이 84% 향상되었습니다. 또한 제안된 방법을 사용하면 반드시 제거되어야 하는 FDM 인쇄 문제가 강조되었습니다.

일반적으로 3D 프린팅이라고 불리는 적층 제조(AM)는 빠르게 정복되고 있는 제조 공정입니다1. 부품을 적층 방식으로 생성할 수 있다는 기본 아이디어는 큰 타협 없이2 요구 사항을 가장 잘 충족하면서 특정 기능에 최적화된 부품을 생성할 수 있는 설계의 새로운 관점을 열어줍니다. 감산 기술의 경우처럼 공구의 기하학적 구조와 기계의 움직임이 생산에 영향을 미치지 않기 때문에 형성할 수 있는 모양과 관련된 제약이 훨씬 적습니다. AM 중에 부품이 층별로 쌓이기 때문에 더 복잡한 표면을 가진 모양도 형성될 수 있습니다. 자주 활용되는 또 다른 이점은 속이 비어 있거나 반쯤 속이 빈 부품도 만들 수 있다는 것입니다. 이는 원자재를 크게 절약하고 생산 시간을 단축할 수 있음을 의미합니다.

채우기 패턴과 채우기 비율은 거의 모든 슬라이싱 프로그램에서 쉽게 설정할 수 있습니다. Tanveer et al.3은 일반적으로 충전재 밀도가 높을수록 기계적 저항이 더 좋아질 수 있다고 결론지었습니다. Birosz et al.4는 단순한 채우기 패턴의 이방성 거동을 조사하여 패턴의 방향이 기계적 거동에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 기본적인 정하중 외에 Ötekaya et al.5은 진동 감쇠를 위한 최적의 채우기 비율과 패턴을 발견했습니다. 그들의 작업은 기능적인 부분에서 때때로 낮은 충전재가 단단한 부분보다 더 나은 선택이 될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 기존의 충전 유형과 별도로 부품의 내부 구조를 형성함으로써 특수한 조건에서 더 나은 성능을 발휘할 수 있습니다. 또한 이전의 여러 연구에서는 다양한 측면을 고려하고 다양한 기술을 사용하여 경량 구조를 조사했습니다.

Ichihara와 Ueda9는 생체 영감을 받은 부품의 위상 벡터 필드를 기반으로 채우기 구조를 최적화했습니다. 하중 경로 방향으로 재료를 배치함으로써 부품의 상대적 강성이 향상되었습니다. 채우기가 경계면 내의 몸체 구조로 정의되면 추가 최적화는 두 개의 더 큰 그룹으로 분류될 수 있습니다. 하나는 구조 내부에 구멍과 에어갭을 생성하는 것과 같이 도메인 내의 재료 연결이 정의되는 기본 토폴로지 최적화입니다. 결과적으로 부품은 일반적으로 초기에 정의된 설계 영역 내에서 스트럿 기반 구조를 갖습니다. 이 경우 기존의 채우기 패턴보다 부품의 공극이 더 크기 때문에 일반적으로 목표가 유사하더라도 부품의 부피와 질량을 줄이는 채우기로 간주되지 않습니다. 또 다른 그룹은 FGLS(Functionally Graded Lattice Structures)로, 단위 셀이 생성되고 곱해져 부품 볼륨12,13,14을 채웁니다. 단위 셀의 밀도는 전체 부품의 밀도를 결정할 수 있습니다. 또한 FGLS는 국부적으로 압축된 충전에 사용할 수 있습니다. 즉, 하중이 더 큰 경우 더 많은 응력이 발생하므로 해당 위치에서는 국부적인 밀도가 더 높아야 합니다. 두 솔루션 그룹 모두 부품의 강성을 유지하면서 전체 밀도를 최소화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 그러나 계산 비용이 많이 들고 최적화를 수행하려면 전문가가 필요합니다. 생산된 부품의 대부분이 반드시 완벽하게 최적화될 필요는 없기 때문에 이러한 작업은 비용이 매우 많이 들기 때문에 설계자는 무게와 재료 손실을 희생하고 부품을 솔리드 바디로 프린팅합니다. 그러나 생산된 부품의 기능에 따라 기본 채우기 패턴을 빠르고 쉽게 조정할 수 있는 솔루션이 있다면 상용 슬라이서 소프트웨어의 멋진 확장이 될 것입니다.