세계 최초 3D 프린터로 만든 자전거 이야기


이 기사는 미국 언론 ‘엔지니어링닷컴’의 기사입니다.

적층제조라고 하는 Additive Manufacturing (AM또는 3D 프린팅)은 설계자들에게 프로토타입과 제품 디자인에 대해 생각하는 방식을 바꿔주고 있다. 그러나, 대부분의 CAD 툴은 이 새로운 제조 패러다임에 대해 완벽히 지원하지 못하고 있다.

스마트한 제품을 반복적으로 만들어내기 위해서는 설계자들에게 최적화된 부품을 제안하는 툴이 필요하다. 그렇지 않으면 설계자들은 중량과 강성 설계 균형에 대한 직관적 접근에 의존할 수 밖에 없는데, 이러한 접근은 최적화된 디자인에 실패할 것이 뻔하다.

솔리드씽킹의 인스파이어와 같은 디자인 최적화 소프트웨어는 알고리즘 기반의 제안을 함으로써 필요한 구조적인 강성은 유지하면서도, 보다 가벼운 제품의 디자인을 제안하며 설계자들을 도와준다.


* 디자인 최적화 소프트웨어를 통한 드라마틱한 중량 감소

엠파이어 사이클 사의 크리스 윌리암스는 수 십년 동안 자전거 산업에서 일했다. 그동안 그는 적층 제조 기술을 이용해서 많은 자전거 부품을 만든 바 있다.

크리스는 이런 경험을 통해 보다 도전적인 프로젝트에 눈을 돌렸다. – 그것은 바로 적층 제조 기술을 이용하여 완성된 자전거 한 대를 만드는 프로젝트였다.

크리스는 금속부품 레이저 소결 제조기업 중 선두주자인 레니쇼우(Renushaw)사에 연락을 취했다. 크리스와 레니쇼우의 팀은 엠파이어 사의 안장 지지대를, 3D 프린팅으로 만들 첫번째 부품으로 정했다.

크리스의 안장 지지대 모델을 전달받은 후 레니쇼우는 솔리드씽킹 인스파이어의 CAD 패키지로 지오메트리를 보냈다. 아래의 그림은 엠파이어 사의 안장 지지대가 최적화되어가는 과정을 단계적으로 나타낸 것이다.

솔리드씽킹 인스파이어를 이용하여 레니쇼우의 엔지니어들은 중량을 최소화하면서 강성을 유지시킬 수 있는 가장 이상적인 지오메트리를 생성해내기 시작했으며, 이들은 엠파이어의 안장 지지대의 모양을 변형시키면서 크리스의 디자인을 더 강하게 만들었고, 눈에 띄게 중량을 감소시켰다. “우리는 안장 지지대 브라켓을 360그램에서 200그램까지 줄일 수 있었습니다.”고 크리스가 말했다.


* 디자인 최적화로 전체 프레임 중량의 33%를 줄이다.

최적화를 통해 어떻게 자신의 디자인이 개선되는지를 직접 확인한 크리스와 레니쇼우의 팀은 자전거 전체 프레임을 새롭게 디자인하는 것으로 프로젝트의 범위를 확대했다.

“우리는 알루미늄 프레임이 주로 사용된 것을 확인하고, 이것들은 무게가 총 2100g이라는 것을 알아냈습니다.” 크리스가 다시 말을 잇는다. “우리가 어마어마한 양의 무게를 줄일 수 있으며 동시에 이전과 똑같은 강성을 유지할 수 있다는 것을 알게 된 순간, 적층 제조를 통해 다른 메이저 프레임 부품을 만들어내는 일은 그닥 어려운 일이 아니었습니다.”

강성과 중량을 고려하여 디자인을 반복한 후 각각의 부품은 3D 프린터로 생산됐다. 엔지니어들은 엠파이어의 자전거 프레임 무게게 33% 감소된 것을 발견했다. 전체 자전거 프레임의 무게가 2.1Kg에서 1.4Kg으로 감소된 것 뿐만 아니라, 레니쇼우 팀의 엔지니어들은 새로운 프레임이 거의 영구적이라는 것을 확인했다. 영국에서 요구하는 자전거 산업 기준보다 6단계 이상 우수했다.

인스파이어와 같이 CAD 최적화 툴은 설계자들이 그들의 모델에서 중량과 강성에서 큰 변화를 만들어낼 수 있도록 돕는다. 3D 프린팅과 결합됐을 때, 최적화된 지오메트리는 과거에는 비현실적이고 불가능할 것 같았던 방법으로 새롭게 만들어질 수 있다.

이렇게 인스파이어를 통해 레니쇼우와 엠파이어 바이시클 사는 세계 최초로 적층 제조 기술을 이용하여 금속 자전거 프레임을 만들어내는데 성공했다.

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