This study investigates the optimization of piezoelectric actuators by integrating anisotropic material properties with topology optimization (TO) techniques to enhance performance and manufacturability. The finite element method was employed to analyze the behavior and performance of piezoelectric actuators, revealing that anisotropic materials exhibit superior design potential compared to isotropic and moderately anisotropic materials. Optimized designs demonstrate complex polarization and deformation patterns, significantly improving actuator efficiency. However, anisotropy introduces challenges, such as stress concentrations and potential structural weaknesses, requiring careful design considerations. Building upon existing studies, this research not only addresses these challenges but also presents a novel approach by combining anisotropic material properties and smooth TO techniques, optimizing both structural performance and manufacturing feasibility. This integrated method provides practical advancements for additive manufacturing and expands the potential of piezoelectric actuators in high-performance aerospace and industrial applications.

본 연구는 이방성 재료의 특성과 위상 최적화(Topology Optimizaiton, TO) 기법을 결합하여 압전 액추에이터의 성능과 제조 가능성을 최적화하는 방안을 탐구하였다. 유한요소법을 이용하여 압전 액추에이터의 동작과 성능을 분석하였으며, 이방성 재료는 등방성 및 준등방성 재료에 비해 우수한 설계 가능성을 보이는 것으로 나타났다. 최적화된 설계는 복잡한 분극 및 변형 패턴을 나타내어 액추에이터의 효율성을 향상시킨다. 그러나 이방성 재료는 응력 집중과 구조적 약점과 같은 설계 상의 과제를 초래하며, 신중한 설계 고려가 요구된다. 본 연구는 기존 연구를 기반으로 이러한 문제를 해결하는 동시에, 이방성 재료 특성과 매끄러운 위상 최적화 기법을 결합한 새로운 접근법을 제시하여 구조적 성능과 제조 가능성을 동시에 최적화하였다. 이러한 통합적 방법은 적층 제조(Additive Manufacturing)에서 실질적인 발전을 제공하며, 고성능 항공우주 및 산업 응용 분야에서 압전 액추에이터의 활용 가능성을 확장한다.

Keywords: 위상최적화(Topology Optimization), 이방성 재료(Anisotropic Materials), 압전 액추에이터(Piezoelectric Actuators), 매끄러운 경계(Smooth Boundary), 유한요소법(Finite Element Method)