오늘날의 설계 부서들이 따르는 설계 원칙은 효율성입니다. 적은 자원으로 최대한의 성과를 내면서도 품질이나 성능을 헛되이하지 않는 것이 목표입니다. 이를 위해 많은 연구원들이 자연을 모방해오고 있습니다. 자연은 오랜 진화 과정을 거쳐 고효율 해답을 많이 도출해 왔는데, 그중 하나가 격자 구조입니다. 반복적인 패턴을 통해 강하면서도 가벼운 개방형 셀 구조를 만들어 내는 방식이죠.

눈송이의 작은 격자 패턴부터 물고기 비늘, 벌집, 뼛속의 구조 까지, 많은 디자이너들이 자연에서 영감을 얻어 제품의 효율성을 높이는 격자 구조를 개발해 왔습니다. 강철로 만든 다리와 타워, 대문과 울타리, 가구, 심지어 체리 파이 껍질 같은 음식에도 격자 구조가 적용됩니다.

자연에서 영감을 받은 구조를 사용하는 것은 새롭고 특별한 경우는 아닙니다. 항공우주 산업에서는 벌들이 벌집을 격자 패턴으로 짓는 것에서 영감을 받아, 오랜 기간 동안 항공기 외피(Skin) 사이에 벌집형 코어를 사용해 왔습니다. 이러한 벌집 구조는 재료를 최소화하고 무게와 비용을 줄이면서도 매우 강하게 유지할 수 있게 합니다.

그러나 최근 몇 년간 변화한 것은 적층 제조(additive manufacturing)의 광범위한 채택과 사용입니다. 적층 제조 방법의 응용으로 인해 기존의 전통적인 제조 공정으로는 만들기 어려웠던 복잡한 격자 구조를 이제는 쉽게 만들 수 있게 되었습니다.

격자 설계자들의 요구를 충족시키기 위해, 우리는 최근 CATIA Lattice Designer라는 클라우드 연결 솔루션을 도입했습니다. 이 솔루션은 CAD 모델에서 격자 구조를 직접 생성할 수 있게 해 주며, 내보내기와 가져오기 작업이 필요하지 않습니다. 또한 Lattice Design Assistant라는 마법사를 통해 쉽게 배우고 사용할 수 있습니다. 주요 장점은 격자 구조가 CAD 파라메트릭 모델과 연동된다는 점입니다. 즉, CAD 모델에서 설계 변경이 있을 경우 격자 구조도 자동으로 업데이트됩니다.

또한 플랫폼의 협업 및 데이터 관리 기능을 활용하여 격자 설계를 쉽게 찾고 수정하며 공유할 수 있습니다.

우리는 최근 브라우저 기반 설계 솔루션인 3D Creator와의 호환성을 확장했습니다. 오늘은 주로 그 작업 흐름에 대해 집중적으로 다루고자 합니다.

Lattice Designer에는 직사각형 또는 원형의 정규 격자부터 TPMS(삼중 주기 최소 표면) 또는 맞춤형 셀 유형까지 다양한 격자 셀을 사용할 수 있습니다. Lattice Designer의 또 다른 장점은 격자 설계를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 시뮬레이션 애플리케이션과 직접 연결되어 있어 다양한 격자 셀 유형의 강도, 강성 또는 온도를 평가하고, 제품에 가장 적합한 대안을 결정할 수 있다는 점입니다.

그림 1: 래티스 디자이너에서 사용할 수 있는 격자 단위 셀의 일부 예

Gyroid 격자는 TPMS(삼중 주기 최소 표면) 유형의 격자 셀로, 업계에서 매우 인기가 있습니다. 이 기하학적 구조는 매우 복잡하지만, 3D 프린팅을 사용한 제조 가능성뿐만 아니라 강도, 강성, 무게 면에서 많은 이점을 제공합니다. 또한 구조 내에 분리된 폐쇄된 공간을 제공하므로 열 교환기와 같은 응용 분야에 이상적입니다. TPMS, 특히 Gyroid는 Lattice Designer에서 생성할 수 있으며, 이 도구는 구조 검증을 위한 유한 요소 분석(FEA) 시뮬레이션 기능과도 직접 연결되어 있습니다.

그림 2: 다양한 격자 설계 대안의 응력 결과 비교

3D Creator와의 연동 방식은 매우 간단합니다. 예를 들어, 3D Creator에서 만든 모델을 Lattice Designer로 열어 격자 설계 기능을 활용할 수 있습니다. 가장 큰 장점은 3D Creator에서 변경 사항을 반영하면 격자 설계도 자동으로 업데이트된다는 점입니다. 이렇게 함으로써 두 시스템 간의 원활한 통합을 통해 설계 변경 과정이 더욱 효율적이고 일관성 있게 이루어집니다.

그림 3: 3D 크리에이터 및 래티스 디자이너를 사용한 빠른 디자인 반복(Iterations)

격자 구조의 또 다른 유망한 시장은 산업 기계 분야입니다. 예를 들어, 열 교환기는 냉장, 난방 및 공조 시스템, 발전소, 화학 처리 시스템, 식품 가공 시스템, 자동차 라디에이터, 폐열 회수 장치 등 다양한 엔지니어링 응용 분야에서 사용됩니다. 격자 구조는 이러한 열 교환기에 적용되어 열 전달 성능을 향상시키고, 경량화 및 제조 효율성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

그림 4: 격자 설계자에서 자동으로 생성되는 두 개의 유체 공동이 있는 자이로이드 셀을 사용하여 격자를 형성한 열 교환기

그림 5: 두 가지 격자 설계 대안의 열 시뮬레이션 비교를 통해 몰드 설계 냉각 효율 개선

의료 기기 산업에서도 격자 구조는 의료용 임플란트에 큰 이점을 제공합니다. 격자 구조는 뼈의 성장을 촉진하고 환자의 회복 속도를 가속화하는 데 도움을 줍니다. 이를 과학적으로는 "골유착(Osseointegration)"이라고 합니다. 골유착은 임플란트가 뼈와 결합하여 안정적인 통합을 이루는 과정으로, 격자 구조를 사용하면 임플란트 표면적이 증가하고 세포가 더 잘 부착되어 뼈 조직이 빠르게 자라도록 도울 수 있습니다.

그림 6: 다양한 격자 세포 유형으로 설계된 척추 의료 임플란트​

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격자 설계는 자전거와 신발 시장과 같은 소비재 분야에서도 인기가 높습니다. 예를 들어, 신발 시장에서는 격자 설계를 통해 외관을 개선할 뿐만 아니라 충격 흡수 기능을 향상시킬 수 있습니다. 전반적으로 격자 설계를 사용하면 제품에 새로운 혁신적인 외관을 제공하여 고급스럽고 독특하며 소비자가 더 선호하는 제품을 만들 수 있습니다. 이는 결과적으로 기업에 경쟁 우위를 제공하는 데 큰 도움이 됩니다.

그림 7:래티스 디자이너가 래티스로 설계된 자전거 프레임

그림 8:래티스 디자이너에서 생성한 드론의 래티스 구성 요소에 주석을 달고 xDrawing 앱으로 만든 그림에 표시