상상초월! 70%나 가벼워진 브래킷! 비결은 당연히 인스파이어지!




  2015년 여름, SpaceX의 엘런 머스크(Elon Musk)는 하이퍼루프(Hyperloop) 프로젝트의 진행을 더욱 가속화하기 위해 하이퍼루프 설계 경진대회(Hyperloop Design Competition)을 개최했습니다. 라이어선 대학교(Ryerson University)의 석사 과정 학생 인 그래미 클림(Graeme Klim)은 경진대회를 접하자마자 항공기 착륙 시스템을 다뤘던 이전 경험을 떠올렸습니다. 그리고 그래미는 항공기 착륙 시스템과 관련하여 대회를 준비하기 위해 여러 동료들을 모았고, 라이어선의 국제 하이퍼 루프 팀(RIHT)을 구성했습니다. 그래미는 “경쟁을 통해 우리는 전체 또는 하위 시스템 내용을 제출해야 했습니다. 우리 팀이 이전까지 해온 연구와 지식으로, 우리는 항공기 착륙 장치와 유사한 저속 및 응급 서브 시스템에 중점을 두어 이 부분에 상당한 기여를 하고 싶었습니다. 우리는 이것을 하이퍼루프 배치 휠 시스템(Hyperloop Deployable Wheel System)이라고 부릅니다.” 라고 설명합니다.

  2015년 9월, 팀은 1라운드 통과를 위한 초기 설계 컨셉 단계를 가졌습니다. 검토를 하며 몇천 개의 항목에서 몇백 개의 항목으로 빠르게 축소시킬 수 있었습니다. 그 후 125팀만이 진출할 수 있는 다음 라운드를 위해 설계 보고서를 제출해야 했습니다. 그리고 2016년 1월, 20개국 여러 주의 학교로부터 온 125개 팀이 하이퍼루프 디자인 위켄드(Hyperloop Design Weekend)에 초청되었습니다. 이 행사에서 RIHT 팀은 심사위원회에 그들의 컨셉을 발표했습니다. 그래미는 “우리 팀은 충분히 운이 좋았고, 휠 시스템에 대한 Subsystem Innovation Award에서 우승을 할 수 있었습니다.” 라고 말했습니다.

인스파이어를 이용한 설계 프로세스

▲ 기존의 브래킷 디자인(오른쪽)과
최종 휠 서브 시스템 설계(왼쪽브)

▲ 인스파이어에서의 하중 조건이 적용된 설계 공간

▲ 인스파이어를 이용한 브래킷 최적화

▲ 인스파이어로 최적화를 마친 새로운 디자인의 브래킷

▲ 적층 제조를 통해 생산된 새로운 브래킷

  Subsystem Innovation Award에서 수상한 팀은 휠 시스템에 대한 개발 프로세스를 시작하게 되어 매우 기뻐했고 스폰서들과도 손을 잡기 시작했습니다. 스폰서와 이야기하면서 팀은 설계에 최적화 도구를 구현함으로써 얻을 수 있는 이점에 대해 발견했습니다. 이 시점에서 팀은 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)에 대해 처음 접했습니다. 그래미는 “인스파이어를 처음 접한 후 솔리드씽킹 팀은 우리에게 파트 설계 및 교육을 위한 전문가를 지정했습니다. 저는 모터를 장착한 브래킷을 염두에 두고 일부 후보자를 이미 확보해 두었습니다. 동시에 금속 적층 제조 전문 회사인 버락 테크놀로지(Burloak Technologies, Inc.) 팀과도 이야기를 나눴습니다. 그리고 그 팀은 인스파이어로 새롭게 최적화 된 브래킷 생산을 위한 스폰서가 되기로 협의했습니다. 인스파이어가 보여준 브래킷의 최종 디자인은 매우 유기적이며 독특했습니다. 이것은 적층 제조로 생산하기에 최적의 디자인이었습니다.” 라고 설명했습니다.

  빠르게 교육 과정을 거친 후, 팀은 설계에서 인스파이어를 자유자재로 테스트 할 만큼 금방 숙달되었습니다. 그래미는 “솔리드씽킹 팀의 지원은 매우 훌륭했으며, 온라인 자습서 또한 우리 팀에게 매우 유용했습니다. 이를 통해 우리는 인스파이어를 더 빨리 배우고 편하게 사용할 수 있었습니다.” 라고 설명합니다. 작업을 위한 RIHT 팀의 첫 번째 단계는 CAD 시스템에서 초기 형상을 인스파이어로 가져오는 것이었습니다. 다음으로 팀은 초기 설계의 보수성을 확인하기 위해 인스파이어에서 제공하는 강력한 해석 도구를 활용했습니다. 인스파이어로 확인한 결과 아직 브래킷이 잘 설계되지 않았으며, 최적화를 위한 좋은 디자인이 아님을 파악할 수 있었습니다. 그래미와 팀은 인스파이어를 사용하여 부품에 많은 하중과 구속 조건을 적용하고 최적화 할 설계 공간을 지정했습니다.
설정을 완료한 후 팀은 첫 번째 최적화를 수행했습니다. 그래미는 “우리는 인스파이어에서 여러 가지 반복 및 시나리오를 테스트했습니다. 여기에는 여러 가지 하중, 큰 설계 공간, 다양한 최적화 목적 등이 포함됩니다. 이렇게 우리는 약 4~5회의 반복 작업을 했고, 궁극적으로 다양한 요소들을 고려하여 최상의 설계 안을 결정할 수 있었습니다.” 라고 설명했습니다. 이렇게 최종 최적화 설계 안을 결정한 후, 팀은 인스파이어의 폴리넙스(PolyNURBS) 기능을 사용하여 설계 모양을 유기적인 솔리드 형상으로 빠르고 쉽게 바꿀 수 있었습니다. “적층 제조에 맞춤형” 방법이었습니다. 그리고 마지막으로 새로운 디자인에 대해 여러 가지 다른 유한 요소 해석 테스트를 실행하여 모든 사용 시나리오에서 잘 수행되는지 확인했습니다. 그래미는 “인스파이어를 사용한 설계는 매우 빠르며 이 부분의 전체 설계주기는 약 일주일 정도밖에 소요되지 않습니다. 또한 인스파이어의 폴리넙스 도구도 우리에게 매우 유용했기 때문에, 최적화 후에 출력되는 최종 파트를 신속하게 설계할 수 있었습니다.” 라며 만족해 했습니다.

  이렇게 설계를 완료한 후, 팀은 적층 제조를 위해 부품의 설계 파일을 스폰서인 버락 테크놀로지에게 넘겨주었습니다. 최종 부품은 AlSi10Mg로 생산되었으며 이전의 브래킷 기계보다 70%나 가벼워졌습니다. 이 부품은 훨씬 더 효율적일뿐만 아니라 브래킷 당 약 53 in3의 낭비되는 물질을 크게 줄일 수 있습니다.

앞으로의 RIHT 팀의 계획은?

  RIHT 팀은 하이퍼루프 배치 휠 시스템의 개발을 계속할 계획입니다. 팀은 크게 성장했으며 현재 6명의 학생과 5명의 고문이 있습니다. 이제 팀은 배포 가능한 휠 시스템을 다른 팀의 포드에 포함시켜 전체 시스템을 개발할 수 있게 되었습니다. 그래미는 “많은 팀이 우리가 자문 역할을 하는 것에 관심을 나타냈습니다. 우리는 현재 모든 옵션을 모색 중입니다.” 라고 설명했습니다.



* 산업
– 교통

* 과제
– 하이퍼루프 포드 용 항공기 착륙 장치와 유사한, 100mph 미만의 속도로 쉽게 이동할 수 있는 휠 서브 시스템 설계

* 알테어 솔루션
– 솔리드씽킹 인스파이어를 이용한 맞춤형 모터 브래킷 재설계. 브래킷은 적층 제조로 생산됨

* 효과
– 기존의 브래킷보다 70% 가벼움
– 적층 제조로 AlSi10Mg으로 생산된 브래킷
– 적층 제조 공정으로 브래킷 당 53 in3의 재료 낭비 절감

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