교량 구조물의 개념 설계 및 프로토타입 제작 과정 메카트로닉스 공학과 201300949 최현민 201601131 김예린 교량 구조물(bridge) 설계를 위한 3D 프린팅 프로그램 동기 및 배경 교량 구조물 설계는 반복적인 테스트와 수정을 통하여 이루어지기 때문에 초기 개념 설계는 신속하고 정확한 교량 구조물의 설계를 위하여 중요합니다. 이를 위하여 필수 설계 조건의 입력 만으로 초기 개념 설계 단계에 사용할 수 있는 교량 구조물 모델을 자동으로 도출하고 신속하게 프로토타입을 제작하기 위한 프로그램을 제작하고자 합니다. 교량 구조물의 개념 설계 및 프로토타입 제작 과정 위상최적화를 이용한 개념 설계 모델 생성 (MATLAB 및 설계 소프트웨어) 개념 설계 모델의 3D 프린팅 입력 파일 자동 생성 3D 프린팅을 이용하여 프로토타입 제작 및 평가 개념 설계 모델 도출 ‘MATLAB’ 프로그램 ‘위상최적화’ 기법 이용 STL파일로 변환 3D프린팅을 하기위해 생성된 도면을 STL파일로 포맷변환 프로토타입 제작 변환된 파일의 3D프린팅
개념 설계 도출을 위한 프로그램 개발 ‘위상최적화’란 위상최적화를 하는 이유 위상최적화 예시 간단히 말해, 제품을 작동하거나 사용할 때 하중이 가해지는 부분만 단단하게 설계하고 하중이 가해지지 않는 부분은 비워 두는 즉, 필요한 부분만 골라서 설계를 하는 것 입니다. 위상최적화를 하는 이유 위상최적화를 하면 기존 보다 훨씬 적은 재료로 제품을 만들 수 있기 때문에 많은 양의 재료 절감이 가능하여 경제적이고 제품의 경량화에도 효과적입니다. ‘99Line Topology Optimization’ code 위상최적화를 위해 기존에 개발되어 있던 ‘MATLAB 코드’를 활용하여 교량구조 설계에 적합한 코드를 개발할 것입니다. 위상최적화 예시
설계 프로그램 개발 과정 설계 요구 조건 조건 입력 MATLAB 코드 개발 및 실행 교량 개념 설계 모델 생성 3D 프린팅 도출된 파일 3D 프린터 입력 파일로 변환 교량 모델에 따른 안정성 검사 지형 조건 및 하중 등등 필요한 값들을 입력하는 것 만으로 이 모든 과정을 자동으로 실행해주는 프로그램을 개발할 것입니다.
단계별 세부 사항 설계 요구 조건 입력 MATLAB 코드 개발 및 실행 교량 개념 설계 모델 생성 설계할 교량의 크기 교량 길이 : 1000m, 교량 폭 : 37m, 교량 높이 : 15m 등 지형 및 하중 조건 풍속, 물의 유속 및 유량을 기반하여 교각에 가해지는 하중 정도 파악 MATLAB 코드 개발 및 실행 프로그램 개발 MATLAB, 설계 소프트웨어 이용 프로그램 실행 입력된 받은 필수조건을 반영하여 여러 수치 값 자동 계산 (힘, 압축, 비틀림, 모멘트 값 등) 교량 개념 설계 모델 생성 위상 최적화 기법 기반의 개념설계 모델 생성 설계된 모델 중 가장 최적의 모델 선택
단계별 세부 사항 안정성 검사 3D 프린터 입력 파일로 변환 3D 프린팅 선택된 교량 모델의 안전성 검사 안정성 검사에 부합하지 못 할 경우 설계 조건 수정 및 교량 모델 재생성 3D 프린터 입력 파일로 변환 도출된 교량 구조 입력 파일을 3D 프린팅 입력 파일(STL파일)로 변환 STL 파일: 형상을 삼각형으로 구성하여 표현해 주는 폴리곤 포멧의 모델링 데이터 삼각형 크기↓→ 출력물 품질 ↑ 3D 프린팅 생성된 3D프린팅 입력 파일 검사 3D 프린터로 입력 파일 전송 및 출력 프로토타입 검사