아니… 성능은 좋아졌는데 어떻게 중량은 70%나 감소할 수 있죠?

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  알스톰(Alstom) 스페인에서는 기존 캐스트 파트의 설계를 개선하고자 할 때, 적층 제조를 이용한 캐스트 레일 부품의 설계 및 최적화를 위해 알테어(Altair)하이퍼웍스(HyperWorks)도 많이 사용하지만, 솔리드씽킹(solidThinking) 인스파이어(INSPIRE)이볼브(EVOVLE)도 그에 못지않게 사용하고 있습니다. 이렇게 개발된 파트는 현재 앤티롤 장치(anti-roll system) 지원을 위한 열차의 보기(bogies)에서 알스톰의 메트로폴리스(Metropolis) 유닛에 사용되고 있습니다. 사실 인스파이어와 이볼브를 사용하기 전, 이 파트의 최초 설계 안은 너무 많은 작업량이 필요했고, 유한요소(FE) 모델의 안전 요소도 너무 과하다는 사실을 알았습니다.

  첫 단계로 인스파이어로 해석을 진행했습니다. 위상 최적화를 통해, 재료 사용량에 대해 최적화하는 동시에 파트의 설계 볼륨을 키움으로써 최적화 옵션을 더욱 확장시켜, 더욱 나은 설계를 도출할 수 있었습니다. 인스파이어로 여러번 반복 해석을 한 결과, 요구에 맞는 최적의 안을 찾을 수 있었고, 그 다음 단계로 이볼브를 이용하여 외부 형상을 다듬고 고정시켰습니다. 이렇게 나온 최종 형상을 다시 유한요소 해석을 통해 확인했습니다. 다음으로, 적층 제조가 필요한 부분에 대해 준비하고 해석했습니다. 이를 위해 알스톰은 3D 프린팅 회사들과 협력하였습니다.

알스톰은 어떤 회사?

  알스톰은 철도 관련 장비 및 서비스를 개발하여 제공하고 있는 기업입니다. 알스톰은 고속 철도에서 전차 선로에 이르기까지, 철도와 관련된 넓은 범위에 대해 맞춤형 서비스(유지 보수, 현대화 등) 및 인프라 구축과 신호 솔루션 등을 제공합니다. 통합 철도 시스템의 선두 주자라고 할 수 있습니다. 2015/16년에는 이미 69억 유로의 매출을 달성했으며, 106억 유로의 매출이 예정되어 있습니다. 프랑스에 본사를 둔 알스톰은, 전 세계 60개국에서 약 31,000명의 직원이 근무하고 있습니다.

  해당 프로젝트에 대한 사례 연구(Case Study)는 알스톰이 개발하는 다른 열차들의 구조를 정기적으로 설계 및 검증하며, 알스톰 다른 부서의 기술적인 질문들에 대해 컨설팅을 해주는, 알스톰 바르셀로나의 차체 및 계산 부서에서 수행했습니다. 해당 프로젝트의 리더는, 알스톰 바르셀로나에서 일하고 있는 구조 및 계산 부분 리드 엔지니어인 후안 마누엘 로메로(Juan Manuel Romero)가 담당했습니다.

2▲ 앤티롤 장치 지원을 위한
주조 부품 모델

3▲ 인스파이어를 이용하여,
해석 전에 지지 및 하중 정의

4▲ 인스파이어를 통해 얻은
위상 최적화 결과


알스톰이 시뮬레이션을 사용하는 이유

  어떤 산업에서든지 개발 엔지니어들은, 가능한한 최고의 제품을 만들기 위해 최선의 제조와 개발 프로세스에 대해 탐구합니다. 완벽한 구조 설계 솔루션을 찾고자 할 때, 그들은 기술과 경제적인 측면도 고려해야 합니다. 시뮬레이션은 원하는 목적을 달성하도록 도와주며, 전체 제품의 제작의 과정도 지원해줍니다. 바르셀로나에서 일하는 알스톰 엔지니어들은 일반적으로 형상, 재료, 고정 등에 대한 연구를 위해 강도, 부피 제한, 열 등 몇몇의 입력 값들을 얻게 됩니다. 이후 엔지니어들은 생각해낸 해결책을 직접 확인하고, 보기 좋게 시각화를 합니다. 알스톰의 엔지니어들은 일반적으로 개발에서 발생할 수 있는 장애 요소들을 해결하도록 돕는 일을 하며, 일주일에 몇 가지의 시뮬레이션을 처리합니다. 문제 해결을 위해 알스톰은, 모든 관련 개발의 효율적인 작업과, 제품 전체 제작 과정에 대해 지원할 수 있는 정교한 소프트웨어 툴을 사용하고 있습니다.

환상의 콤비! 인스파이어와 이볼브!

  시뮬레이션을 위해 알스톰 바르셀로나는, 메시 작업과 정적 FE 해석을 위해 하이퍼웍스(HyperWorks)를 사용했습니다. 또한 엔지니어들은 최적화 및 설계 작업에서 솔리드씽킹 인스파이어와 이볼브를 사용했습니다. 이 소프트웨어들은 산업 공정과 설계 사이의 물성 문제, 지오메트리 수정 및 조정과 같은 문제를 해결할 수 있습니다. 먼저 엔지니어들은, 앤티롤 장치 지원을 위한 열차 보기에서의, 알스톰 메트로폴리스 유닛에서 사용할 파트 재설계 작업에 앞서 기존 설계에 대해 우선 해석을 해 보았습니다. 유한요소 모델은 너무 과한 안전율을 보였고, 이를 다시 솔리드씽킹 인스파이어로 해석했습니다. 처음에는 최초 해석과 동일한 결과를 보여주었습니다. 여기서, 재료의 이용을 최소화하면서 전체적인 설계를 향상시키기 위해, 설계 볼륨을 넓혀 최적화 옵션을 확장했습니다. 다음으로, 위상 최적화 작업을 위해 엔지니어들은 먼저 설계 공간을 만들고, 하중 및 다른 경계조건들을 적용한 후, 이 입력 데이터들을 기반으로 최적화를 실행했습니다. 설계 공간을 변경하고, 그 외에 여러 하중 및 경계조건들을 다양하게 하여 인스파이어로 반복 해석 작업을 거듭한 결과, 마침내 맞춤형 솔루션을 개발할 수 있었습니다. 마지막으로, 외형적인 모습을 다듬고 고정하기 위해 솔리드씽킹 이볼브를 사용했습니다. 그리고 이렇게 나온 최종 모델을, 테스트를 통해 다시 한 번 꼼꼼하게 확인하는 것도 잊지 않았습니다.

5▲ 이볼브를 이용한 지오메트리 수정

6▲ 하이퍼웍스를 이용한 유한요소 해석으로 최종 형상 테스트

7▲ 앤티롤 장치 지원을 위한
최종 3D 프린터 출력 모델



  알테어의 하이퍼웍스와 솔리드씽킹 덕분에 알스톰은 매우 만족스러운 결과를 얻을 수 있었습니다. 알테어 솔루션은 엔지니어에게 완벽한 프로세스와 구조적인 시뮬레이션을 제공합니다. 이렇게 인스파이어와 하이퍼웍스 제품들을 이용한 시뮬레이션 기반 설계 방식을 통해, 알스톰 엔지니어들은 드라마틱한 변화와 함께 제품을 개발해 낼 수 있었습니다. 그래서 보다 나은 제품을 개발한 것은 물론, 더욱 빠르게 생산할 수 있게 되었습니다. 또한 파트의 재설계로, 전체 중량의 약 70%를 절감하는 효과도 얻을 수 있었습니다. 알스톰은 구조 최적화 및 시뮬레이션을 위한 개발 프로세스 구축을 위해 지난 4~5년간 알테어 및 솔리드씽킹의 제품을 사용해오고 있습니다. 구조 설계에 대한 전문 지식이 있는 알스톰의 엔지니어들은, 알테어 솔루션이 제공하는 시뮬레이션 및 테스트와 만나, 대부분의 예측 가능한 상황속에서 최고의 결과를 얻을 수 있습니다.

성능은 더 좋아지고, 중량은 70%나 줄였다!

  알테어 솔루션을 사용하여, 알스톰은 더 뛰어나고, 강건하고, 가벼운 제품을 얻을 수 있었습니다. 중량은 무려 70%나 가벼워졌습니다. 강건하고 가벼워짐으로 인해 기존 캐스트의 설계를 향상시켰을 뿐 아니라, 적층 제조 이점에 대한 연구 경험을 쌓아, 새로운 전문 지식도 얻을 수 있었습니다.


  “우리는 알테어 제품을 통해, 짧은 기간 안에 모든 구조적인 요구 사항들을 만족할 수 있는 더 나은 설계를 실현하였고, 달성한 결과에 매우 만족하고 있습니다. 하이퍼웍스는 지금도 우리의 주요 구조 연구를 도와주고 있을 뿐 아니라, 최고의 솔루션이며, 앞으로도 꾸준히 하이퍼웍스를 사용하여 연구할 계획입니다.”

후안 마누엘 로메로(Juan Manuel Romero),
알스톰 바르셀로나의 구조 및 계산 리드 엔지니어




* 산업
– 교통 / 철도

* 과제
– 뛰어난 부품 제조를 위해 기존 부품 설계의 최적화, 적층 제조 기술로 대안 탐색

* 솔루션
– 솔리드씽킹 인스파이어, 위상 최적화와 이볼브의 형상 개선, 하이퍼웍스의 유한요소 해석을 이용한 시뮬레이션 기반 설계

* 결과
– 개발 시간 감소
– 보다 가벼워지고, 강성은 증가된 컴포넌트
– 적층 제조와 함께, 새로운 생산 옵션에 대한 통찰력

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