위상최적화는 유한 요소(FE)구조 분석과 연결된 형상 최적화 방법이며, 최근 적층 제조(AM)의 급속한 발전으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 3 차원 스캔, FE 분석, 위상최적화 및 AM을 결합하여 스포츠 ...
위상최적화는 유한 요소(FE)구조 분석과 연결된 형상 최적화 방법이며, 최근 적층 제조(AM)의 급속한 발전으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 3 차원 스캔, FE 분석, 위상최적화 및 AM을 결합하여 스포츠 바이애슬론 소총 견착부를 개발하였다. 바이애슬론은 크로스컨트리 스키를 주행 후 안정적인 사격 동작이 필요하다는 점을 고려하여 3차원 스캐닝 데이터를 기반으로 인체에 적합하도록 설계되었다. 부품 중량을 효율적으로 감소시키기 위해 위상최적화를 수행하고, 이방성 재료 특성 및 관련 인쇄 방향을 고려한 FE 분석에 의해 구조적 안전성 및 강성을 평가 하였다. 최적화 된 설계 및 인쇄 방향은 방향에 따라 특정 강성에서 12.7 % 개선 및 구조적 안전성에서 23-43 % 개선을 나타냈다. 최종 디자인은 3차원 프린터를 사용하여 제작되었다. 구조 안전성을 평가하기 위해 압축 테스트를 수행했으며, 그 결과 생성 된 상대 임계하중은 기존 설계와 비교하여 40 % 개선되었다. 격자구조는 높은 비 강성 및 강도 측면에서 유리하며, 최근 적층 제조(AM)의 개발로 인해 경량 구조의 설계에 적용되어왔다. AM의 고유한 설계 유연성으로 격자 크기를 점진적으로 변경하고 격자구조의 구조 효율성을 향상시켜 FGL(Functionally Graded Lattice)을 제작할 수 있다. 기능적으로 등급이 매겨진 재료는 순응도를 줄이도록(즉, 강성을 높이기 위해)설계되었지만 본 연구는 인공적인 방식으로 순응도를 높이기 위해 연질 폴리머 FGL을 개발하고자 하였다. 이를 위해, 광중합형 3차원 프린터 및 광경화성 폴리우레탄 수지를 사용하여 다양한 격자를 설계하고 압축 시험을 수행하였으며, 변형 거동을 실험적으로 분석 하였다. 다양한 격자 설계 파라미터 및 경화 시간의 영향을 조사하였다 압축 강성은 10-3에서 102 N/mm 의 범위 내에서 광범위하게 변할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 선형 등급 격자를 가진 소프트 FGL이 개발되어 강구의 자체 위치 지정 기능이 가능해졌다. 격자구조가 적용된 경량구조 설계를 수행하였으며 위상최적화가 적용된 경량구조와 비교를 수행하였다. 격자구조 최적화가 적용된 압축지그가 위상최적화가 적용된 압축지그와 비교하여 강성 및 제조측면에서 유리함을 확인하였다.
위상최적화는 유한 요소(FE)구조 분석과 연결된 형상 최적화 방법이며, 최근 적층 제조(AM)의 급속한 발전으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 3 차원 스캔, FE 분석, 위상최적화 및 AM을 결합하여 스포츠 바이애슬론 소총 견착부를 개발하였다. 바이애슬론은 크로스컨트리 스키를 주행 후 안정적인 사격 동작이 필요하다는 점을 고려하여 3차원 스캐닝 데이터를 기반으로 인체에 적합하도록 설계되었다. 부품 중량을 효율적으로 감소시키기 위해 위상최적화를 수행하고, 이방성 재료 특성 및 관련 인쇄 방향을 고려한 FE 분석에 의해 구조적 안전성 및 강성을 평가 하였다. 최적화 된 설계 및 인쇄 방향은 방향에 따라 특정 강성에서 12.7 % 개선 및 구조적 안전성에서 23-43 % 개선을 나타냈다. 최종 디자인은 3차원 프린터를 사용하여 제작되었다. 구조 안전성을 평가하기 위해 압축 테스트를 수행했으며, 그 결과 생성 된 상대 임계하중은 기존 설계와 비교하여 40 % 개선되었다. 격자구조는 높은 비 강성 및 강도 측면에서 유리하며, 최근 적층 제조(AM)의 개발로 인해 경량 구조의 설계에 적용되어왔다. AM의 고유한 설계 유연성으로 격자 크기를 점진적으로 변경하고 격자구조의 구조 효율성을 향상시켜 FGL(Functionally Graded Lattice)을 제작할 수 있다. 기능적으로 등급이 매겨진 재료는 순응도를 줄이도록(즉, 강성을 높이기 위해)설계되었지만 본 연구는 인공적인 방식으로 순응도를 높이기 위해 연질 폴리머 FGL을 개발하고자 하였다. 이를 위해, 광중합형 3차원 프린터 및 광경화성 폴리우레탄 수지를 사용하여 다양한 격자를 설계하고 압축 시험을 수행하였으며, 변형 거동을 실험적으로 분석 하였다. 다양한 격자 설계 파라미터 및 경화 시간의 영향을 조사하였다 압축 강성은 10-3에서 102 N/mm 의 범위 내에서 광범위하게 변할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 선형 등급 격자를 가진 소프트 FGL이 개발되어 강구의 자체 위치 지정 기능이 가능해졌다. 격자구조가 적용된 경량구조 설계를 수행하였으며 위상최적화가 적용된 경량구조와 비교를 수행하였다. 격자구조 최적화가 적용된 압축지그가 위상최적화가 적용된 압축지그와 비교하여 강성 및 제조측면에서 유리함을 확인하였다.
Topology optimization is a shape optimization method connected with finite element (FE) structural analysis, and has recently received increasing attention owing to rapid evolution of additive manufacturing (AM). In this study, a rifle support for the sport biathlon is developed by combining three-d...
Topology optimization is a shape optimization method connected with finite element (FE) structural analysis, and has recently received increasing attention owing to rapid evolution of additive manufacturing (AM). In this study, a rifle support for the sport biathlon is developed by combining three-dimensional (3D) scanning, FE analysis, topology optimization, and AM. Considering that the biathlon requires a stable shooting motion under hard breathing after a distance of cross-country skiing, the rifle support was designed to be fitted to a human body based on 3D scanning data. Topology optimization was then performed to reduce the part weight efficiently, and its structural safety and stiffness were evaluated by FE analyses considering the orthotropic material properties and the relevant printing directions. The optimized design and printing direction were showed 12.7% improvements in the specific stiffness and 23–43% improvements in the structural safety according to the direction. The final design was fabricated using a fused deposition modeling type 3D printer with acrylonitrile butadiene styrene filament. Compression tests were then performed to evaluate its structural safety, and the resulting relative critical force showed a 40% improvement in comparison with the original design. Lattice structures are advantageous in terms of their high specific stiffness and strength, and have been applied to the design of lightweight structures owing to the recent development of additive manufacturing (AM). The unique design flexibility of AM has enabled the fabrication of a functionally graded lattice (FGL) by gradually changing the lattice size and enhancing structural efficiency of lattice structures. Although functionally graded materials have been designed to reduce the compliance (i.e., to increase the stiffness), this study aims to develop a soft polymeric FGL to increase compliance in an artificial manner. For this purpose, various lattices were designed and fabricated using a photo-polymerization type 3D printer and photo-curable polyurethane resin. Compression tests were conducted on these lattices, and their deformation behaviors were analyzed experimentally. The effects of various lattice design parameters and the curing time were also investigated, and the resulting changes in the compliance were analyzed. As the result indicate the compressive stiffness can vary widely, within a range of 10-3 to 102 N/mm. Based on these results, a soft FGL with a linearly graded lattice was developed, which enables a self-positioning function for a rigid ball. Light-weight structure design with lattice structure was carried out and compared with light weight structure with topology optimization. It was confirmed that the compression jig with lattice structure optimization is advantageous in terms of rigidity and manufacturing compared with the compression jig with topology optimization.
Topology optimization is a shape optimization method connected with finite element (FE) structural analysis, and has recently received increasing attention owing to rapid evolution of additive manufacturing (AM). In this study, a rifle support for the sport biathlon is developed by combining three-dimensional (3D) scanning, FE analysis, topology optimization, and AM. Considering that the biathlon requires a stable shooting motion under hard breathing after a distance of cross-country skiing, the rifle support was designed to be fitted to a human body based on 3D scanning data. Topology optimization was then performed to reduce the part weight efficiently, and its structural safety and stiffness were evaluated by FE analyses considering the orthotropic material properties and the relevant printing directions. The optimized design and printing direction were showed 12.7% improvements in the specific stiffness and 23–43% improvements in the structural safety according to the direction. The final design was fabricated using a fused deposition modeling type 3D printer with acrylonitrile butadiene styrene filament. Compression tests were then performed to evaluate its structural safety, and the resulting relative critical force showed a 40% improvement in comparison with the original design. Lattice structures are advantageous in terms of their high specific stiffness and strength, and have been applied to the design of lightweight structures owing to the recent development of additive manufacturing (AM). The unique design flexibility of AM has enabled the fabrication of a functionally graded lattice (FGL) by gradually changing the lattice size and enhancing structural efficiency of lattice structures. Although functionally graded materials have been designed to reduce the compliance (i.e., to increase the stiffness), this study aims to develop a soft polymeric FGL to increase compliance in an artificial manner. For this purpose, various lattices were designed and fabricated using a photo-polymerization type 3D printer and photo-curable polyurethane resin. Compression tests were conducted on these lattices, and their deformation behaviors were analyzed experimentally. The effects of various lattice design parameters and the curing time were also investigated, and the resulting changes in the compliance were analyzed. As the result indicate the compressive stiffness can vary widely, within a range of 10-3 to 102 N/mm. Based on these results, a soft FGL with a linearly graded lattice was developed, which enables a self-positioning function for a rigid ball. Light-weight structure design with lattice structure was carried out and compared with light weight structure with topology optimization. It was confirmed that the compression jig with lattice structure optimization is advantageous in terms of rigidity and manufacturing compared with the compression jig with topology optimization.
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