2.5배 튼튼하고 8% 가벼운 농기계 제조! 인스파이어에서 답을 찾다!

  “우리는 구조를 최적화하기 위해 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)를 사용했으며, 주조 부품의 하중 별 구조 덕분에 내구성이 2.5배 증가하고 중량은 8% 감소할 수 있었습니다. 새 버전의 서스펜션 부품은 이미 적용 중이며, 이는 아마존(Amazone)의 제조 비용을 1/3로 줄였습니다.”

세바스찬 클루지(Sebastian Kluge),
아마존(Amazone)



  아마존(Amazone)은 높은 수준의 품질을 갖춘 혁신적인 농업 기술을 개발 및 생산하여, 현대적이고 경제적인 경작 농법을 가능하게 하는 농업 분야 선두 기업입니다. 이러한 목표를 가지고 아마존은 첨단의 개발 도구, 프로세스, 제조 방법을 활용하여 끊임없이 고객의 성공에 기여하고 있습니다.

  농업 기계는 매우 거칠고, 매우 다양한 조건에서 사용됩니다. 서비스 품질과 예비 부품의 가용성과 더불어, 제품 수명은 농민들에게 중요한 구매 기준입니다. 신제품을 개발할 때 제조업체는 가격 면에서 경쟁력이 있어야 할뿐만 아니라, 제품의 내구성도 함께 고려해야 합니다. 이것이 농업 분야 제조업체의 시장 평판에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

긴 제품 수명과 경쟁력 있는 가격… 정답은 새로운 제조 방법에 있다!

  농업 기계 및 관련 장비는 지난 10년간 효율성 면에서 엄청난 증가를 보였습니다. 예를 들어 높은 처리 속도, 확장된 커팅 유닛, 높은 탱크 용량으로 지면 적용 범위를 늘림으로써 전반적인 생산성이 크게 향상되었습니다. 그러나 장비는 열악한 조건에서도 견고해야하며 설계가 개선되었다고 해서 최종 제품의 가격이 상승하지는 않아야합니다.

  이를 위해 새로운 개발 및 제조 프로세스 탐구를 시작했습니다. 더 나은 제조 방식을 사용한다면, 특정 하중을 고려한 구조 설계를 통해 생산 공정에서의 자재 절약, 최종 사용자에게 추가 비용없이 제품의 내구성 향상 그리고 중량 절감의 목표를 달성할 수 있을 것입니다.

  최근 아마존은 토양 경작용 서스펜션 부품을 최적화하여, 부품의 재료 사용성 및 내구성을 평가하는 프로젝트를 수행했습니다. 이 장치는 Catros-2TS형 트랙터 컴팩트 디스크(Catros-2TS)로 트랙터에서 끌어 당겨 다른 구성으로 사용할 수 있습니다. 컴팩트 디스크 하 로우는 집중 혼합 및 작업 깊이 15cm 이내의 얕은 재배에 사용됩니다.

  경량화 된 구성 요소는 농민들에게 또 다른 이점을 제공합니다. 더 가벼운 서스펜션 구성 요소를 사용하면 추가 장비를 선택할 수 있는 옵션이 더 많아집니다. 예를 들어, 더 확실한 토양 재구성을 위해 더 무거운 롤러를 골라낼 수 있으며, 서스펜션 구성요소가 더 가벼워졌기 때문에 허용되는 전체 액슬 하중이 초과되지 않습니다.

▲ 기존 용접 구조물의 CAE 모델

▲ 인스파이어에서는 설계 영역 외에 비 설계 영역도 정의해야 합니다.(예: 지지점 또는 실린더 연결)

▲ 인스파이어는 이전에 정의된 하중 및 경계 조건을 기반으로 최적의 구조를 계산합니다.


용접 구조물에서 주조 부품에 이르기까지

  원래 Catros-2TS는 245kg의 무게를 가진 다소 복잡한 용접 부품이었으며, 단일 부품을 결합하는 데 필요한 용접 심의 합계 16.5m를 포함했습니다. 이렇게 많은 용접 양으로 인해 제작 시간과 비용이 많이 소요되었습니다. 현재 이렇게 긴 시간을 들여 매년 약 350대의 장비가 제조되고 있습니다. 구성 요소의 제조 프로세스 최적화 및 수명 연장의 목표를 달성하기 위해 아마존의 엔지니어들은 구성 요소의 설계를 자세히 살펴보고, 위상 최적화와 함께 새로운 제조 방법에 대한 잠재적 이점을 평가하기 시작했습니다.

최적화 된 서스펜션 구성 요소 제작 위한 최적의 시뮬레이션 및 주조 기술

  첫 번째 단계는 주조 공정을 사용하여 생산되는 경우에 대해 구성 요소의 중량 절감 및 성능 향상에 대해 평가하는 것이 었습니다. 이를 위해 엔지니어들은 먼저 위상 최적화를 수행했습니다. 또한 아마존은 시뮬레이션 중심의 설계 프로세스를 사용하여 불필요한 설계 반복을 제거하고 최종 설계를 보다 신속하게 완료했습니다. 이러한 작업은 알테어(Altair)의 구조 해석 및 최적화 도구 옵티스트럭트(OptiStruct)솔리드씽킹(solidThinking)의 인스파이어(INSPIRE)를 사용하여 처리했습니다.

  엔지니어들은 몇 가지 이점을 기대하며, 캐스팅 방법을 시도했습니다. 하나의 부품으로 주조할 수 있고 용접이 필요 없기 때문에, 생산이 훨씬 간단해지고 공정 오류가 잘 발생하지 않게 됩니다. 엔지니어들은 최적화 도구를 사용한 최적화 된 구조 설계로, 제조 프로세스에 대한 비용을 상당히 절감하고, 보다 나은 최적화의 가능성을 예상했습니다.

  구조를 최적화하기 위해 엔지니어들은 솔리드씽킹 인스파이어를 사용했습니다. 처음에는 가능한 설계 공간과 하중, 요구되는 강성, 제조 제한과 같은 경계 조건을 정의했습니다. 지지점이나 실린더 연결부와 같이 구조가 수정되지 않은 비 설계 공간 영역도 정의했습니다. 대칭 평면을 정의하고 적용하였고 계산 시간이 더욱 단축되었습니다. 이 입력 값을 토대로 인스파이어는 구조 강도와 같은 요구 사항을 만족하기 위해 필요한 재료의 양과 위치를 계산했습니다.

  이후 최적화 결과에서 엔지니어들은 옵티스트럭트를 사용하여, 유한 요소 해석에서 평가된 상세한 설계를 작성했습니다. 용접된 것와 비교할 때, 캐스팅 된 버전은 가벼운 구조물의 무게와 매끄러운 전환을 실현하여 강성 변화를 줄였습니다. 주조 기법을 사용하여 새롭게 설계된 소재의 전체 하중은, 원래 조립품의 용접 이음새와 비교해 훨씬 낮았습니다. 하중 별로 고려된 주조 부품의 구조는, 물리적 시험에서 내구성이 2.5배 증가하고 무게는 8% 감소하는 결과를 보여주었습니다.

▲ 인스파이어를 통해 최적화 된 형상

▲ 용접된 구조(왼쪽)와 비교하여, 캐스팅 된 버전(오른쪽)은 구조물의 무게가 가벼워지고, 매끄러운 전환을 실현하여 강성 변화를 줄였습니다.


이점과 전망은

  새롭게 제작된 서스펜션 부품은 이미 적용되고 있으며, 이전 용접 구조물에 비해 제조 비용을 1/3로 줄였습니다. 주조 금형의 재사용성 덕분에 금형 비용은 상각되었습니다. 또한 고객들은 추가 모듈의 유연성을 높일 수 있고, 제품 수명도 연장할 수 있습니다.

  현재 아마존 엔지니어들은 위상 최적화와 3D 프린팅의 결합을 활용하여, 주조 부품 구조 및 제조 프로세스를 더욱 최적화하려고 노력하고 있습니다. 알테어와 솔리드씽킹은 파트너 voxljet를 이러한 접근법의 모범 사례로 제시했습니다. 이 과정에서 3D 프린팅으로 로스트 왁스 주조 몰드가 생성되고, 3D 프린팅 기법으로 실현할 수 있는 완벽한 조화를 이루는 자연스러운 모양으로 구성 요소의 구조가 최적화되고 영감을 얻을 수 있었습니다. 시뮬레이션 및 최적화 작업은 이미 완료되었으며 캐스팅 된 부품과 동일한 수준에서 내구성 및 강성을 유지하면서 약 11%의 잠재적 중량 절감 효과까지 얻을 수 있었습니다. 최종 비용은 아직 정리 중이긴 하지만 상당한 비용 절감이 예상되며, 비용 결과까지 검토 후에 이 과정을 앞으로의 생산에 사용할지 결정할 예정입니다.

▲ 물리적 테스트 결과, 주조 부품의 내구성은 기존보다 2.5배 증가했습니다.

▲ 농업 기계는 매우 거칠고, 매우 다양한 조건에서 사용됩니다. 서비스 품질과 예비 부품의 가용성과 더불어, 제품 수명은 농민들에게 중요한 구매 기준입니다.




* 산업
– 농업 기계, 일반 기계

* 과제
– 기존의 용접된 서스펜션 부품을 주조 방식으로 재설계하는 동시에 중량, 내구성 향상

* 알테어 솔루션
– 솔리드씽킹 인스파이어를 이용한 위상 최적화

* 효과
– 2.5배 향상된 내구성
– 8% 중량 감소
– 생산 원가 절감
– 추가 모듈에 대한 높은 유연성

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