Cell-based Generative Design Approach Guaranteeing Overall Shape of Designers Intention

Abstract

This study proposes a generative design algorithm based on a unit cell structure that guarantees the designer's intention for the overall shape. When the generative design approach is applied to the whole design space, the final shape of the design, especially its outer boundary, is obtained arbitrarily regardless of the designers original intention. To avoid this drawback, we divided the whole design space into unit cells, applied the generative design approach to each unit cell, and joined each cell together, which guarantees the overall shape of the design space to some extent. To apply the generative design for each unit cell, we need to know the load condition for each cell as if it is the independent design space. The load condition of each cell is derived such that the stress distribution when the cell is loaded independently with the load condition is similar to that of the cell in the whole design space. However, it would require a huge amount of computation to apply the generative design for each unit cell. Thus the cells with the similar stress distribution are grouped together and the generative design approach is applied to each representative cell of the groups. The group of unit cell is classified according to the directionality of the non-dimensionalized stress distribution map inside each cell. By applying the generative design approach only for representative unit cell of each group, it is possible to obtain the advanced result by effectively reducing the time and cost of the generative design algorithm while reflecting the user's intention on the overall shape. If the unit cell structure used in this paper is fabricated with flexible material by a 3D printer, it would realize a lightweight impact-proof wearable.

본 연구는 전체 형상에 설계자의 의도를 반영하는 격자 구조에 기반한 생성적 설계 알고리즘을 제안한다. 전체 설계 공간에 생성적 설계 알고리즘을 적용하여 얻은 형상의 외곽 부분에서는 설계자의 원래 의도와 관계없이 임의로 획득되는 형상이 생기는 한계점이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 본 연구에서는 전체 설계 공간을 단위 격자 구조로 나눈 후, 각 단위 격자에 독립적인 생성적 설계 알고리즘을 적용한다. 이후 각 격자를 결합하여 얻은 전체 형상을 통해 설계자가 의도가 일정 부분 반영될 수 있다. 한편, 각 단위 격자에 독립적인 생성적 설계 알고리즘을 적용하려면, 독립된 설계 공간에서 단위 격자에 작용하는 외력 조건이 필요하다. 이때 단위 격자의 외력은, 전체 설계 공간에서 단위 격자의 응력 분포가 독립된 설계 공간에서의 응력 분포와 유사하게 나타나게 되는 조건으로 정하였다.

그러나 단위 격자 모두에 각각의 독립적인 생성적 설계 알고리즘을 적용한다면, 최적화 과정에서 엄청난 계산량과 시간이 필요하게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 유사한 응력 분포를 가지는 단위 격자들을 일정한 기준을 통해 그룹별로 분류한 후, 각 그룹의 대표 단위 격자를 정하여 해당 격자에 생성적 설계 알고리즘을 적용하였다. 각 단위 격자 그룹은 단위 격자 내부의 무차원 응력 분포도의 방향성에 따라 분류된다.

각 그룹을 대표하는 단위 격자에만 생성적 설계 알고리즘을 적용하는 방식을 통해, 전체 형상에 대한 사용자의 의도를 반영하면서 동시에 생성적 설계 알고리즘에 필요한 시간과 비용을 효과적으로 줄일 수 있었다. 또한 본 연구에 제시한 단위 격자 구조를 3D 프린터를 통한 유연한 소재로 출력한다면, 충격을 방지하는 가벼운 웨어러블 제작 등에 유용하게 사용할 수 있다.