Inspire로 가볍고 튼튼한 자전거 만들기

영국 랭카셔에 본사를 둔 자전거 제조업체인 엠파이어 싸이클社가 1.3킬로그램이 조금 넘는 티타늄 합금의 마운틴 바이크의 최종 완성품(프로토타입이 아닌)을 만들어냈다고 밝혔다. 이는 적층가공 방식으로 3D 프린터를 활용한 것이다.

이 프로젝트는 영국 유일의 금속 기반 적층가공 제조업체인 레니쇼(Renishaw)社가 진행했으며 위상 최적화 기술을 사용하여 가장 가벼운 구조를 만들기 위해 프레임의 마지막 남은 불필요한 무게를 덜어내기 위해서 극강의 최적화를 수행했다.

레니쇼社는 먼저 안장지지 브라킷을 최적화하여 만들기로 했다. 그리고 결과가 성공적이라고 입증이 되면 엠파이어 사이클사와 함께 전체 프레임을 최적화하고 만드는 것을 목표로 삼았다.





1. 알루미늄 합금 주물을 위한 안장 지지대 디자인의 캐드 모델
2. 알테어 solidThinking 9.5를 사용하여 위상 최적화
3. 엠파이어 싸이클사는 템플릿으로서 최적화된 캐드 모델을 템플릿으로 하여 리디자인
4. 레니쇼우사의 AM250 레이저 멜팅 시스템으로 티타늄 합금으로 제작

엠파이어 싸이클가 얻은 핵심 이익은 이런 제작 방법이 가져온 퍼포먼스 상의 이점이다. 이 설계는 모터싸이클과 자동차에서 사용되는 인장 강철의 모노코크 구조를 과거 소규모 제조사에서는 투자에 감히 엄두도 못냈던 값비싼 장치 없이 가능하게 만들 수 있었다.

이는 모두 최적화 덕분이다.
그리스 어원으로 위치를 뜻하는 “토포”는 위상 최적화(topological optimization) 소프트웨어에서 물질의 “합리적인 위치”를 결정하는데 쓰이는 프로그램 용어가 됐다.
일반적으로 반복 과정과 유한 요소 해석에서 쓰인다. 물질은 적은 스트레스를 받는 부분부터 시작하여 내하력(하중을 견딜 수 있는 능력)이 최적화된 디자인이 될 때까지 제거된다.
결과 모델은 (낮은 볼륨으로 인하여) 가볍고 튼튼해진다.

레니쇼우사와 엠파이어 싸이클사는 합께 협력하면서 적층 가공을 위한 자전거 디자인을 최적화하였다. 많은 양의 감량할 수 있는 부분을 제거하였는데, 이는 바꿔 말하면 이 부분을 지탱하기 위해 불필요한 구조를 필요로 할 뻔한 것이었다.

프레임은 섹션과 연결 부분을 모두 티타늄 합금으로 하여 적층 가공(3D 프린팅) 공정으로 만들어졌다. 이 공정은 다음과 같은 이점을 디자이너에게 안겨줬다.

디자인 자유도
– 빠른 반복작업: 제품에 바로 적용할 수 있는 디자인 개선에 대한 유연성
– 위상 최적화를 활용한 형상 제작 역량
– 국긍적인 고객지향과 맞춤성: 제품 일괄처리만큼 쉬운 견본 제작

구조
– 내부 강화 기능을 이용한 복잡 형상 가능
– 내부 빈공간 구조 가능
– 빌트-인 기능 러이더 이름 기재 등

역량, 티타늄 합금
– 안장 지지 브라킷은 알루미늄 합금보다 44% 경량화 달성
– 극강의 강성 EN14766 인증(유럽 산악자전거 안전 인증)
– 부식 없음. 강한 내구성

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