상식을 뛰어넘은 산악 자전거! 인스파이어와 이볼브로 만들다!

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적층 제조 기법으로 산악 자전거를 만든다?

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  로봇 바이크 컴퍼니(ROBOT BIKE COMPANY: RBC)는 항공우주 엔지니어들과 산악 자전거 애호가들에 의해 영국에서 설립된 스타트업 기업입니다. 회사를 세우면서, “최고의 자전거 프레임을 만들겠다” 라고 포부를 밝힌 RBC의 설립자는, 탄소 섬유를 이용하면서 적층 제조(AM) 기술 결합에 대한 가능성을 확인했습니다. RBC의 목표는 허용 범위 내의 제조 시간과 비용에서, 모든 요구사항을 충족하면서, 개개인의 체중, 키, 타는 스타일 등을 고려한 최고의 산악 자전거를, 적층 제조 기술을 사용하여 개발하는 것이었습니다.

  RBC 팀이 적층 제조와 항공우주 산업의 제품 및 시스템을 개발에 상당한 경험을 가지고는 있지만, 이를 수행하기 위해서는 다양한 업계 전문가들과의 협력이 필요했습니다. RBC 팀은 적층 제조 기술 관련 설계 및 엔지니어링 솔루션 전문가들로 구성된 히에타 테크놀로지(HiETA Technologies), 적층 제조 기계 개발 분야 선두 기업인 레니쇼우(Renishaw), 그리고 알테어 프로덕트디자인(Altair ProductDesign) 팀의 설계 최적화 기술을 통해, 통합된 적층 제조 기술로 자전거의 유연성을 최대한 활용할 수 있었습니다.

  최근 몇 년동안, 3D 프린팅이나 적층 제조가 자전가 산업에서 이용되었다는 몇몇 흥미로운 사례가 있었지만, 지금까지의 제조 방법은 기술을 보여주거나 시중에 판매되는 제품보다 제조 시간을 단축하는 것에는 무리가 있었습니다. RBC의 프로젝트 목표는 많은 사람들에게 온라인으로도 판매될 수 있는, 사용자의 요구를 완벽하게 충족하는 제품을 설계하고 제조하는 것이었습니다. 적층 제조 기술은, 보다 사용자의 요구를 충족할 수 있는 많은 잠재력을 가지고 있어 자전거 제조업체들에게는 매우 흥미로운 제안이었습니다. 그러나 이 기술을 최대한 활용하여 자전거 설계를 하기 위해서는 엔지니어링 및 설계에 대한 전문 지식이 필요하다는 문제가 있었습니다.

  RBC는, 업계에서 아주 흔하게 사용되는 탄소 섬유를 이용하여, 가벼우면서도 고강도의 자전거 프레임을 만들고 싶었습니다. 프레임을 제외한 다른 부품들 및 시스템은 적층 제조된 티타늄 ‘노드’로 구성하고, 개별 라이더들의 각 사양에 기초하여 이를 제작하고자 했습니다. (높이, 무게, 타는 스타일 등) 그리고 알테어 프로덕트디자인(Altair ProductDesign)의 엔지니어링 팀은 헤드 튜브, 안장 기둥, 체인 지지대를 포함한 자전거 관절에 해당하는 부분을 설계하는 임무를 맡았습니다. 목표는, 적층 제조 기술을 이용하여, 최대한 경량화를 하면서도 산악 자전거로서 충격을 견딜 수 있는 강도를 동시에 유지하도록 하는 것이었습니다.

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▲ 인스파이어에서의 설계 영역 및 하중 조건 설정

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▲ 인스파이어의 형상 최적화 작업

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▲ 최적화된 브라켓의 전과 후 비교

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▲ 최종 완성된 자전거의 렌더링

인스파이어와 이볼브를 이용한,
획기적인 설계 프로세스

  먼저 알테어 프로덕트디자인 팀은, 요구하는 성능을 만족하면서 다른 라이더들의 사양도 고려할 수 있는 재료 효율적인 최적의 설계를 찾기 위해, 각 노드에 대한 최적화 연구를 수행했습니다. 최대한 빨리 최적의 설계 안을 찾기 위해, 알테어 프로덕트디자인 팀은 솔리드씽킹 인스파이어를 사용했습니다. 인스파이어에서는, 기존의 설계 안을 순식간에 인스파이어 가상 환경으로 불러오고, 실제 자전거를 타는 동안 자전거 프레임이 받는 다양한 힘을 직관적으로 적용할 수 있었습니다.

  인스파이어는 이러한 데이터를 바탕으로, 원하는 성능 목표를 달성하면서 꼭 필요한 곳에만 재료를 사용하도록 재료 효율을 높여주는 새로운 지오메트리를 제안해 주었습니다. 이 설계 안은, 부품들이 단단히 잘 만들어지도록 이상적인 출력 각도 및 위치를 결정하는 것 등을 포함하여, 적층 제조 기술이 잘 적용될 수 있도록 최적화되어야 했습니다. 이러한 작업은 히에타 테크놀로지와 함께 수행했습니다.

  재료 효율을 높여주는 설계 뿐만 아니라, 알테어 프로덕트디자인 팀은 프레임 설계를 단순화하여 제조 비용을 낮추는 방법도 찾을 수 있었습니다. 기존에 두 대칭되는 티타늄 부품 세 개로 구성되었으며, 탄소섬유 튜브를 연결하던 체인 지지대가 그 예입니다. 인스파이어로 설계 최적화를 한 후, 이볼브로 최종 설계 안을 보기 좋게 다듬었습니다. 중량, 성능, 제조 비용에 최적화된 새로운 설계 덕분에, 팀은 히에타 테크놀로지의 적층 제조 작업을 위한 요구사항들을 충족할 수 있었습니다.

  알테어 프로덕트디자인 팀은 적층 제조된 티타늄 프레임 노드로 중량 최적화된 설계를 얻을 수 있었고, 이 최적화 작업은 매우 성공적이었습니다. 인스파이어와 이볼브가 만든 혁신적인 재료 배치는, 적층 제조에 굉장히 최적화된 유기적인 설계 솔루션이었습니다. 제조의 복잡성 및 비용을 최소화하기 위해 파트 수를 줄여 중량을 최대한으로 줄일 수 있었습니다.

더 가벼워졌는데도 튼튼하다고?
상식을 뛰어넘은 최고의 산악 자전거!

  최적화된 RBC의 산악 자전거는 설계 및 제조에서의 최신 기술을 사용한 획기적인 제품이었습니다. 알테어 프로덕트디자인 팀의 도움과 인스파이어 및 이볼브의 사용은, 아주 가볍고 강한 프레임을 만드는데 크게 기여했으며, 히에타 테크놀로지와 레니쇼우의 지원을 통해 현재 제품 생산까지 가능하게 되었습니다.

  로봇 바이크의 공동 설립자인 에드 해이돈드왈츠(Haythornthwalte)는 “솔리드씽킹 인스파이어의 사용과 알테어 프로덕트디자인 팀의 도움으로 우리의 자전거는 무게를 줄임과 동시에, 자전거에 미치는 힘이 미리 예측했던 자전거가 견딜 수 있는 값보다 작게 유지되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이를 통해 제품 내구성에 대한 고객의 높은 신뢰를 얻을 수 있었습니다.” 라고 기뻐했습니다.


* 산업
– 산악 자전거

* 과제
– 설계 및 제조의 최신 기술로 완벽하게 최적화된 3D 프린팅 산악 자전거

* 알테어 솔루션
– 여러 파트너들과 함께, 완벽한 맞춤형 3D 프린팅 탄소 섬유 산악 자전거 프레임을 설계, 시뮬레이션 및 제조

* 효과
• 각 라이더에 대한 맞춤형 경량 자전거 프레임
• 인스파이어와 이볼브를 이용한 구조적 노드 재설계로 강성 향상
• 응력 집중 감소
• 파트 수 감소

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