옵티스트럭트와 인스파이어로 더 가볍고 튼튼한 부품을 만들다!

아래 내용은 미국 ‘데스크탑 엔지니어링(Desktop Engineering)’에 실린 기사 내용입니다.

스노우모빌러에게 갓 내린 눈 위를 질주하는 것보다 더 스릴이 넘치는 일은 없을 것입니다. 동일 선상에서 스노우모빌 생산을 주도하고 있는 ‘폴라리스’사는 경쟁사를 압도하는 고성능, 경량 최적화 기술로 새로운 지평선을 열고 있습니다.

Snowmobile_Design(1)▲ ‘폴라리스’사는 최적화로 체인케이스와 벌크헤드의 중량을 0.2파운드 절감하면서 강성은 증가시켰다.

적절한 재료를 선정하고 경량 부품을 개발하는 것은 ‘폴라리스’나 고성능 장비, 예(例)를 들어 자동차나 레져 차량을 생산하는 기업에게는 전혀 새로운 일은 아닙니다. 하지만 경량화를 추진하는 과정에는 여러 장애물들이 존재하는데, 많은 시간이 소요되는 시뮬레이션과 반복되는 설계 개선 작업 등이 바로 대표적인 장애물입니다.

Snowmobile_Design(2)▲ 새로운 디자인: 연결구조, 보강제 제거, 두개의 부품을 하나의 부품으로 통합.

폴라리스 스노우모빌 그룹의 시니어 설계 엔지니어인 루크 윌슨(Luc Wilson)은 “개발기간이 정해져 있거나 판매 성수기가 정해져 있는, 제품 개발기간이 짧아야 하는 산업에서는 경량화를 어떻게 달성할 것인가가 가장 큰 도전입니다.”라고 이야기합니다. 폴라리스의 기존 개발 프로세스에서는 유한요소해석(FEA) 기술을 사용하여 부품에서 응력이 낮은 부위의 형상을 변경하여 중량을 줄이고, 이 결과를 반영하여 다시 재설계를 하는 반복적인 작업이 수행됩니다. 이 방법은 최적 형상을 찾기까지 아주 많은 시간이 소요됩니다.

“일의 복잡성에 따라 수십번의 반복 작업이 필요하며, 이 과정은 너무 많은 시간과 리소스를 필요로 합니다.” 라고 윌슨은 말합니다.

반복적인 작업의 제거



2012년부터 폴라리스는 경량 설계 과정의 병목현상을 제거하기 위하여 새로운 최적화 기술을 적용하기 시작했습니다. 즉, FEA 시뮬레이션을 통한 부품의 성능 검증을 통해서 3D 모델을 결정하기 전에 최적화 기술을 개발 초기 단계에 적용, 과감한 경량화를 시도하였습니다. 개발팀은 알테어사의 ‘옵티스트럭트(OptiStruct)’ 위상 최적화 솔버, 그리고 좀 더 사용자 친화적인 ‘솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking Inspire)’를 컨셉 단계의 툴로 사용하여 좀 더 빠른 경량화 프로세스를 실험하였습니다.

“위에 언급한 최적화 방법을 개발 초기 단계에 적용함으로써 신규 스노우모빌 컨셉 개발에서 많은 반복적인 작업 들을 제거하고 있습니다.” 라고 윌슨은 이야기합니다. 이것은 통상 컨셉에서 생산까지 3~4년이 소요되는 엄격한 스노우모빌 플랫폼 개발 일정을 준수하기 위해서는 대단히 중요한 일이라도 덧붙였습니다.

“설계의 첫 번째 시제품을 제작하는 과정에서 부품의 어느 부분에 살을 추가하고 또 살을 빼야 할지를 알아내고, 또한 반복적인 작업을 통하여 기한 내에 프로젝트를 마무리해야 하는 입장에서 우리는 시간을 좀 더 효율적으로 사용해야 합니다.” 라고 그는 말합니다.

최적화 툴을 이용한 폴라리스의 경량화 실험은 AXYS 2015 스노우모빌 플랫폼의 초기 기획 단계에서 시도 되었으며 이 단계에서 주요 경량화 작업이 수행 되었습니다. 폴라리스 AXYS플랫폼에서는 승차감, 조향성능, 내구성능은 우선 고려하지 않고, 경량화를 극대화 하는데 초점을 맞추었습니다. 즉, 모든 관심은 부품 수를 줄이고, 스틸 소재들은 경량의 알루미늄 소재로 바꾸는 것이었습니다.

‘옵티스트럭트’를 사용한 최적화의 첫 번째 목표는 스노우모빌 샤시의 무게를 줄이는 것이었습니다. 개발팀은 먼저 설계 공간을 정의하고 여기에 적절한 하중/제약조건을 부여하여 계산을 수행하였으며, 재료 사용량을 최소로 하는 최적 형상을 도출할 수 있었습니다. 최적화의 결과, 중앙 체인 케이스(central chain case)와 벌크헤드(bulkhead)를 하나의 단일 부품으로 통합하였으며, 연결 조인트와 보강재도 제거되었습니다. 부품 수를 줄이고 작은 부재들을 삭제함으로써 2014 스노우모빌 어셈블리는 0.2파운드의 중량 절감이 이루어졌으며, 강성은 오히려 증가되는 결과를 얻을 수 있었습니다. 이 설계 개념은 새로운 AXYS 2015플랫폼에 그대로 적용되었습니다.

“옵티스트럭트를 이용한 최적화 작업을 통해서 기존 방법으로는 상상할 수 없었던 새로운 최적 구조를 만들어 낼 수 있었습니다. 만약, 우리가 이런 기술을 사용하지 않았다면 시제품 제작에 더 많은 비용이 소요되었을 것입니다.” 라고 윌슨은 이야기합니다.

최적화 기술을 적용한 또 다른 부품은 리어 크랭크 어셈블리입니다. 서스펜션 구조물은 무겁고 용접으로 이루어진 스틸 부품이지만, 재료를 경량 알루미늄으로 변경하였습니다. 주요 제조 공법은 기본적으로 캐스팅, 중앙부에는 단조 그리고 사이드 부분은 압출기법이 사용되었으며 전체적으로 기존 대비, 2.7파운드의 경량화를 달성하였습니다.

“이런 성공을 바탕으로 폴라리스 개발팀은 경량화가 필요한 주요 부품에 옵티스트럭트솔리드씽킹 인스파이어를 본격적으로 제품 개발에 활용하게 되었습니다. 리어 샤시의 ‘X브레이스(brace)’도 이 툴들을 이용하여 형상을 ‘K’ 타입으로 변경하였으며 0.64파운드의 중량을 줄일 수 있었습니다.”고 윌슨은 설명하고 있습니다.

전체적으로 폴라리스는 AXYS 2015플랫폼에서 전작인 Pro-Ride플랫폼과 비교하여 30파운드의 중량을 줄일 수 있었습니다. 개발 초기에 최적화를 활용한 적절한 설계로 폴라리스 엔지니어들은 평가 기간도 최소화 할 수 있었습니다. 만약 우리가 예전의 반복적인 설계 개선 방법을 사용하였다면 첫 번째 평가 기간 내에 프로젝트를 종료할 수 없을 수도 있었습니다. 그는 “초기에 최적화를 빨리 마무리 할수록, 나머지 공정들은 큰 어려움 없이 잘 진행될 수 있습니다.” 라고 설명합니다.

마법의 손은 아니다



“어떻게 보면 CAD툴과 유사해 보이기도 하는 알테어사의 ‘솔리드씽킹 인스파이어’를 구조 최적화에 이용함으로써, 폴라리스는 자신들의 개발기술은 한 단계 발전시킬 수 있었습니다.” 고 윌슨은 이야기 합니다. “인스파이어는 CAE나 FEA에 대한 경험이 부족하더라도 누구나 손쉽게 사용할 수 있는 장점이 있으며 개발 프로세스를 단축 시킬 수 있게 해 줍니다. CAE를 모르는 설계자라도 인스파이어를 어려움 없이 사용할 수 있으며 제품개발에 대한 안목을 넓혀 줄 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다.

Snowmobile_Design(3)▲ 리어 크랭크: 최적화 전, 용접된 스틸 구조

“최적화가 설계 사이클에 큰 도움이 될 수 있겠지만 이런 툴들이 만병통치약은 아닙니다. 경량화 과정에는 여전히 많은 경험과 기술적 노하우를 필요로 합니다. 예(例)를 들어, 최적화 도구가 어떤 재료를 사용해야 하는가, 산출된 최적형상이 진짜 최선의 해답인지, 많은 시간을 들여 산출한 유기체 모양의 형상이 과연 생산에는 문제가 없을 것인지 100% 장담할 수는 없을 것입니다.”고 윌슨은 말합니다. 혹, 여러분들이 사용한 하중/제약조건이 올바른 것일까요? 적절한 하중/제약조건이 사용되지 않았다면 여러분이 산출한 최적화 결과는 틀린 답이 될 것입니다.

Snowmobile_Design(4)▲ 새로운 다지인: 리어 크랭크, 2.7파운드 경량화, 재질은 알루미늄

윌슨은 최적화 툴이 FEA를 대체할 수는 없으며 최적화 툴이 개발 초기 단계에 프로젝트 성공의 중요한 인자가 될 수 있지만, 궁극적으로 FEA를 통한 최종 평가가 이루어져야 한다고 강조합니다. 최적화 결과를 지나치게 의존하지 말고, 툴이 설계 검토에 적절한지 한번 사전에 검토하는 센스도 필요 하다고 윌슨은 조언합니다.

윌슨은 “현재 최적화는 그 자체로써 효과적이라는 것이 증명되었습니다. 우리는 차량의 다른 부분에도 이 기술을 적용할 것이며, 폴라리스의 다른 그룹도 최적화 기술의 이점을 공유할 수 있도록 그 범위를 확장시켜 나갈 것입니다.” 라고 말합니다.

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