Design

how to make tensegrity model with 3D printer 2

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Tensegrity is a simple structural system. It is consist of two materials such as the cable and the strut. It is a lightweight structure and its load resisting mechanism is very clear.

Buckminster Fuller is known as the first person to develop tensegrity as a structure. However, the first ideas and attempts at tensegrity were initiated by young artist Kenneth Snelson. Snelson created a tensegrity model in 1948 and showed it to his instructor Fuller. Later, Fuller summarized the theoretical background of tensegrity and actively engaged in engineering attempts. Therefore, the young Kenneth Snelson who created and gave the idea of ​​the first tensegrity model is relatively unknown.

Fuller coined the term “tensegrity” and sometimes described it as “island on the sea.” If you look at a tensegrity structure, you will feel like “Strut is floating on the cable”. Fuller’s expression of “Island of Compressed Materials on the Sea of ​​Tension” (1965) is sufficient to define tensegrity.

A cap is designed by a young architect and was recently 3D printed and applied to produce a model of icosahedral tensegrity.

The tensegrity model is very helpful in understanding the load resistance mechanism of structures. In particular, even without much theoretical background, it is useful to experience the structural system directly with the model.

Recently, engineering students, who try to understand structures, are increasing. To understand the structure well and become an expert on the structures, it is necessary to be interested in the structure itself. Tensegrity structure may be a good example of the first step in understanding the structure.

3D 프린터를 이용한 텐세그리티 구조 제작

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20면체 텐세그리티 구조물 제작 동영상을 만들어 2013년 2월 유튜브에 올려놓은 적이 있다. 세명의 제자와 함께 제작한 것인데 오늘 확인해 보니 조회횟수가 20,085이다. 평균적으로 하루에 10번이상의 조회가 이루어진 것으로 나타났다.

구조연구실이 구조혁신센터를 부설로 운영하기로 결정하였다. 최근에는 3D프린터를 구입하고 이용하고 있다. 이번에 20면체 텐세그리티 구조물의 제작과정에 조금의 변화를 주기로 했다. 구조물에 사용될 부품을 제작하는 과정에 3D프린터를 이용하기로 하였다.

4차 산업혁명이라는 다소 피곤한(?) 소용돌이 속에 있다고 하는데 사실 큰 변화를 느끼지 못하는 상황이다. 공학도들이 조금이나마 현 상태를 즐길 수 있는 기회를 가질 수 있다면 성공이다. 그래서 텐세그리티를 만드는 작업자체 보다도 각 구조요소를 제작하고 준비하는 과정에 최신기술을 도입하는 것에 초점을 맞추었다.

동영상을 보면 기존의 제작방법은 텐세그리티의 스트럿(Strut)은 나무로 된 바 그리고 케이블은 실로 제작하였다. 제작과정에 스트럿의 끝에 실을 걸기위해서 스트런 단부의 중앙을 칼로 반으로살짝  분리하여 실을 걸었다.

이번 제작과정은 기존의 것과는 다르게 케이블을 스트럿에 걸수 있는 캡(cap)을 만들어 보기로 했다. 캡을 제작하기 위해서 CAD 도구를 이용하여 캡을 디자인 하였다. 그리고 디자인 된 캡을 STL파일로 만들고 이를 이용해서 3D프린팅하는 작업을 진행하였다. 이러한 과정은 칼로 나무 스트럿의 단부 단면을 자르는 제작과정이 생략될 수 있게 되었다. 기존의 작업을 하면서 학생들이 손을 다칠수도 있다는 생각이 들었는데 이제는 걱정이 없다. 그리고 디자인된 캡은 필요할 때 마다 프린트해서 사용할 수 있으므로 한번 디자인한 캡은 지속적으로 사용할 수 있다. 또한 캡의 디자인이나 성능을 지속적으로 개선할 수 있게 되었다. 캡의 디자인은 젊은 건축학도에게 의뢰하여 이루어졌다.

따라서 3D프린팅으로 만든 캡과 나무로 된 스트럿 그리고 실대신에 고무줄을 이용하여 20면체 텐세그리티 구조를 제작할 수 있게 되었다. 구조모델을 만드는 이유는 여러가지가 있으나 가장 중요한 것은 손으로 직접 구조물의 거동을 경험해 볼 수 있기 때문이다. 구조모델을 만드는 과정을 통해서 구조물을 효율적으로 시공하는 구법을 스스로 이해하게 될 수도 있다. 축소모델을 통해서 힘에 대한 구조의 저항방식을 잘 이해할 수 있는 장점이 매우 크다. 이때 모델을 제작할 때 건설재료가 정확히 동일하지는 않은 것은 중요하지 않다.

(to be continued)

자유곡면 공간구조 생성

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이 연구는 프리폼 구조(free form)를 설계하기 위한 기반기술을 확보하기 위해서 수행하였다.

연속체 구조물은 곡면을 조절하기 위해서 CAGD가 도입된 바 있다. 그러나 1차원 요소를 사용하는 공간구조물은 상대적으로 이와 관련한 기반기술의 개발과 보유가 미흡하였다.

따라서 먼저 자유곡면(free-form surface)을 가지는 공간구조를 생성하기 위해서 CAGD(Computer aided geometric design)를 도입하였다.

특히 CAGD를 이용하여 모델링된 자유곡면에 상응하는 2개의 층을 가지는 공간구조를 자동으로 생성하는 기법의 개발에 초점을 맞추었다.

이를 위하여 모델링 도구를 이용하여 생성한 자유곡면 데이터를 이용하였다. 이 프로젝트에서는 최근 다양한 분야에서 사용되는 Rhino를 이용하여 원하는 자유곡면을 형성하였다.

이렇게 생성된 자유곡면은 Rhino의 모델링 환경내에서 직접 수정할 수 있다. 그러나 현재로써는 이렇게 형성된 자유곡면 자체만으로는 구조적 의미가 결여되어 있다. 즉 곡면의 수정으로 인해 발생하는 구조 성능의 변화에 대한 확인이 어렵다. 따라서 구조엔지니어가 해석도구를 이용하여 각 케이스별로 안전성을 점검하게 된다.

이 프로젝트에서는 Rhino로 형성된 자유곡면을 CAGD의 수학적 정의로 변환하는 과정을 포함하고 있다. 따라서 구조해석과 최적화를 통하여 자유곡면에 상응하는 공간구조의 안전성과 경제성을 직접 확인할 수 있게 하였다. 이때 CAGD의 정의에 대한 컴퓨터 코드를 직접개발하여 이용하였다.

이 연구에서 가장 중요한 부분은 공간구조의 최적설계에 적용할 자유곡면 형태를 가지는 공간구조 자동생성기를 확보하는데 있다. 자유곡면 공간구조 생성기는 주어진 제약조건을 만족하는 공간구조물의 형태를 설계하는데 이용될 수 있다.

이 프로젝트를 통해서 자유곡면 형태를 가지는 공간구조에 대한 적용기술이 확보되었으며 특히 새로운 형태의 공간구조를 효율적으로 설계하기 위한 기반기술이 확보되었다.

공간구조 부재크기 자동선정

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전라북도 무주군 설천면 무설로 1482에 위치한 태권도 경기장의 지붕 구조설계를 최적화한 결과이다.

참고로 이 경기장은 세계에서 규모가 제일 큰 단일 태권도 경기장이며 연면적 18,107 m2, 지하 2층, 지상 4층 규모의 건물이다.

부재수가 많은 비정형 공간구조물에 대한 초기단면을 가정하는 것은 경험이 많은 엔지니어도 힘든 부분이다.

이 프로젝트를 통하여 구조엔지니어가 설계한 부재의 패턴을 검토하고 최적설계기법을 이용하며 최상의 부재사이즈를 제공하였다.

최적설계프로그램은 직접 개발하였으며 수학적프로그래밍기법과 유한요소법을 기반으로 하였다.  공간구조물의 주요부재 단면증가와 단면감소를 정량적으로 계산하고 최종 부재사이즈를 제공하였다.

참고로 좌측은 단면이 증가한 부재를 우측은 단면이 감소한 부재를 나타내고 있다.

이는 초기부재단면을 설계 최적화기법을 통해서 정량적으로 산정하여 전체 물량을 줄일 수 있는 프로젝트로 구조분야의 원가절감(Value Engineering)을 실현한  좋은 사례로 간주될 수 있다.

이 프로젝트는 2009년 상반기 CS구조의 의뢰를 받고 수행하였다.

 

 

건축구조물의 3D 프린팅

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1994년 겨울 A는 영국유학길에 올랐다. 하나만 보고 달리는 나이였다. 그래서인지 두려운 것도 무서운 것도 없었다. 하나만 보고 달리면 그 하나 이외에는 아무것도 보이지 않기 때문이다.

곡면을 최적화하는 일을 시작하면서 A는 RP(Rapid Prototyping)에 대해서 알게 된다. 그 당시에도 신발 회사에서 mock-up을 만들때 3D 프린터를 사용하고 있었다. 곡면의 정의를 개발하는 일련의 그룹이 존재한다는 사실도 알게 되었고 기하학적인 정의가 컴퓨터에서 사용하기 쉬운 형태로 만들어졌다는 것도 알게 되었다. 신기하기만 했다. 벌써 20년도 훨씬 넘는 때의 일이다.

한국에 돌아와서 3D프린터에 대해서 까맣게 잊고 있다가 A는 자신이 사용하는 CAD모델링 도구에 STL파일을 생성해 주는 기능이 있다는 것을 알게 되었다. 그리고 한참 뒤인  2014년 학교플랜트에 3D프린터가 들어왔다. 제대로된 고가의 장비가 들어 오니 사용해 보고 싶다는 생각이 제일 먼저 들었다.

그래서 그동안 진행했던 연구결과 중의 일부를 STL파일로 생성해서 프린트해 보았다. 곡률을 가지는 단순한 면인데도 거의 42시간의 시간이 소요되었고 시뮬레이션을 통해서 디자인 한 막구조의 mock-up을 처음으로 손에 쥐었다. 4차 산업혁명이 A의 연구분야에서도 이루어 지고 있었다.

그런데 2016년에 구입할 것으로 계획했던 3D프린터는 학과에 전산실을 만드는 일로 2년 정도 미루어졌다. 그리고 2018년 여름 3D프린터의 구입이 완료되었다. 하지만 구조 커리큘럼에 이용될 이 새로운 기자재를 사용하기 위해서 실험실을 운영하게 된다. 유학시절 가장 부러워했던 이노베이션 센터(Innovation center)를 벤치마킹하기로 했다. 아래는 구조혁신실험실의 운영을 알리는 안내문이다.

“구조연구실(structure lab)에서 구조혁신센터를 함께 운영합니다. 2년간 한시적으로 통합 운영되며 실험실 공간이 마련되면 공간분리 예정입니다. 구조혁신센터에 새 장비가 설치되었습니다. 구조디자인을 통해서 설계한 구조물을 RP를 통해 모델을 직접 만들 수 있게 되었습니다. 학교 플랜트에 있는 고가의 장비와 비교하면 유지관리면에서도 유리하고 3D프린터를 가까이에서 경험할 수 있게 되어 연구/교육 환경이 일부 개선될 것 같습니다.”

구조혁신센터에 설치된 3D프린터는 학교 플랜트에 설치된 장비와 비교하면 정밀도가 다소 떨어졌다. 그리고 구동방식이 레진에 레이저를 쏘아서 굳게 만드는 Stereolithography방식이다. 따라서 프린팅을 하는 동안 가상의 지지대를 꽤 많이 생성하는데 이러한 상황이 프린트 결과물에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 기본적인 mock-up을 만들기에는 부족함이 없었다. 다만 곡면을 표현하는데 있어서 정밀도가 현저하게 떨어져 원하는 결과물을 얻지 못하는 상황이 빈번하게 발생하였다.

따라서 정밀도와 대상구조물에 따라서 3D프린터를 선별적으로 이용하는 것이 필요한 것으로 보인다.

하나만 보고 달릴때는 단 하나만 보여야 한다. -S LEE

막구조 형상탐색

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막구조는 막의 단면이 하중에 저항하는 구조물이다.

일차원적으로 생각하면 케이블과 같은이 인장(tension)에는 저항하나 압축(compression)에는 그 저항성능이 매우 낮다. 따라서 막구조는 케이블로 연속체면을 형성한 구조로 간주할 수 있다.

막구조는 가해지는 힘에 의해서 그 형상이 결정되어진다. 역으로 생각하면 막구조에 가해지는 프리스트레스(prestress)가 막의 형태(shape)를 결정하게 된다.

일정한 장력이 가해지는 막 구조의 형상을 탐색하는 것은 구조물의 평형(equilibrium)상태를 찾는 과정이다.

이러한 평형을 찾는 기법은 다양한데 본 연구에서는 내력밀도법(force density method)을 이용하여 막구조의 형상를 탐색하였다.