Design of Lattice Structure using Multiscale Topology Optimization

Abstract

미세구조물은 내부가 꽉 차 있는 구조물보다 좌굴 안정성, 에너지 흡수율, 냉각 성 능,강건성등여러방면에서더나은성능을보인다. 따라서이러한미세구조물을공학적 용도로 이용하기 위한 다양한 시도가 계속되어왔다. 그러나 미세구조물은 매우 복잡한 형상을 지니고 있어 설계 및 제작이 까다롭다는 난관이 있다. 때문에 매우 높은 설계 자유도를 필요로 한다. 위상최적화는 일반적인 최적화 방법론에 비해 설계 자유도가 매우 높기 때문에 이를 이용해 미세구조물 설계를 시도한 연구가 폭넓게 수행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구가 미세구조물을 어떻게 설계하는지에만 초점을 맞추었고 성능을 탐구하기 위한 실험에 대한 연구가 부족한 편이다. 본 연구에서는 균질화 설계법 기반 멀티스케일 위상최적화를 사용해 구조물의 외부와 내부를 모두 설계한다. 이를 통해 얻은 위상최적화 결과를 격자구조물로 바꾸는 역균질화 과정을 통해 CAD 형식으로의 변환을 한 후 적층제조를 이용해 제작까지 수행 한다. 제작된 격자구조물의 특성을 시험하기 위해 3점 굽힘 실험을 수행하여 힘과 변위에 대한 데이터를 측정하였다. 그리고 서로 다른 종류의 설계변수를 사용하는 접근법으로 만들어낸 서로 다른 구조물 간의 수치적 비교와 실험적 비교를 통해 격자구조물의 성능과 효과 등을 다양하게 탐구하였다. 특히 재료를 넓은 영역에 배치함으로 인해 발현되는 높은 강건성을 재료 결함 및 하중작용점 변동에 대해 비교하였다. 여기서 더 나아가 강건성을 설계 단계에서 고려함으로써 격자구조물이 하중 작용점 변동에 높은 강건성을 가질 수 있을 것이란 가능성을 제시하였다.|Microstructures show better performance in various areas, such as buckling stability, energy absorption rate, cooling performance, and robustness, than structures with a full interior. Therefore, various attempts have been made to use these microstructures for engineering purposes. However, microstructures have a very complex geometry so that design and manufacturing are not easy. Therefore, it requires very high degree of design freedom. Since topology optimization has a very high degree of design freedom compared to conventional optimization methodologies, studies that attempt to design microstructures using this have been widely conducted. However, most of the research has focused only on how to design microstructures, and there is a lack of research on experiments to explore performance of them. In this study, both the exterior and interior of the structure are designed by using multiscale topology optimization based on the homogenization design method. The resulted topology optimization is converted into a CAD format through a de-homogenization process in which the result of the topology optimization is converted into a lattice structure, and then fabrication is performed using additive manufacturing. In order to test the characteristics of the fabricated lattice structures, a three-point bending test was performed and data on force and displacement were measured. In addition, through numerical and experimental comparisons between different structures created by an approach that uses different types of design variables, the performance and effects of the lattice structure were explored in various ways. In particular, the high robustness developed by distributing material in spacious area was compared with respect to material deficiency and load position variation. Furthermore, by considering the robustness at the design stage, it was suggested that the lattice structure could have high robustness against the load position variation.