Mechanical Properties of Metallic Additive Manufactured Lattice Structures according to Relative Density

상대 밀도에 따른 금속 적층 제조 격자 구조체의 기계적 특성

The lattice structure is attracting attention from industry because of its excellent strength and stiffness, ultra-lightweight, and energy absorption capability. Despite these advantages, widespread commercialization is limited by the difficult manufacturing processes for complex shapes. Additive manufacturing is attracting attention as an optimal technology for manufacturing lattice structures as a technology capable of fabricating complex geometric shapes. In this study, a unit cell was formed using a three-dimensional coordinate method. The relative density relational equation according to the boundary box size and strut radius of the unit cell was derived. Simple cubic (SC), body-centered cubic (BCC), and face-centered cubic (FCC) with a controlled relative density were designed using modeling software. The accuracy of the equations for calculating the relative density proposed in this study secured 98.3%, 98.6%, and 96.2% reliability in SC, BCC, and FCC, respectively. A simulation of the lattice structure revealed an increase in compressive yield load with increasing relative density under the same cell arrangement condition. The compressive yield load decreased in the order of SC, BCC, and FCC under the same arrangement conditions. Finally, structural optimization for the compressive load of a 20 mm × 20 mm × 20 mm structure was possible by configuring the SC unit cells in a 3 × 3 × 3 array.

격자 구조체는 강도 및 강성, 초경량 및 에너지 흡수 능력 등의 우수성을 가지고 있어서 전방위 산업에서 주목을 받고 있으나, 다양한 장점에도 불구하고 복잡한 형상에 따른 제조 공정의 어려움으로, 현재까지 광범위한 상용화 및 사용은 제한되고 있다. 한편 적층 제조는 전통적인 제조 방법으로는 불가능한 복잡한 기하학적 형상 제조가 가능한 기술로써, 격자 구조체 제조를 위한 최적 기술로 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 3차원 좌표 방법으로 단위 셀을 형성하고, 단위셀의 바운더리 박스 크기 및 스트럿 반경에 따른 상대 밀도의 관계식을 도출하였다. 본 연구에서는 Simple Cubic(SC), Body-Centered Cubic(BCC) 및 Face-Centered Cubic(FCC)을 모델링 소프트웨어를 사용하여 상대 밀도 맞춤형 구조체를 설계하였다. 본 연구에서 제안한 상대 밀도 산출식 정확도는 SC, BCC 및 FCC에서 98.3 %, 98.6 % 및 96.2%의 신뢰성을 확보하였다. 격자 구조체를 대상으로 시뮬레이션 수행 결과, 동일한 셀 배열 조건에서는 상대 밀도가 커짐에 따라 항복 하중이 커지고, 동일 배열 조건에서는 SC, BCC, FCC 순으로 압축 항복 하중이 작아지는 결과가 나타났다. 최종적으로 20 mm × 20 mm × 20 mm 크기의 구조체는 SC 단위 셀을 3×3×3 배열로 구성하는 것이 압축 하중에 대한 구조적 최적화가 가능한 것으로 나타났다.