탄소섬유 튜브와 3D프린팅 티타늄 러그로 맞추는 산악자전거 프레임
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자전거 프레임을 주문자의 몸에 맞추려면 프레임 전체를 한 덩어리로 만들 필요가 있을까? Robot Bike Co.는 탄소섬유 강화 튜브의 길이와 티타늄 연결부의 각도를 바꿔 고객별 산악자전거를 설계한다. 다음 제작 과정과 성능 주장은 장비 공급사 Renishaw의 기술 자료에 근거한다.
AI 개념 이미지: 탄소섬유 튜브를 금속 3D프린팅 티타늄 러그로 연결한 맞춤형 산악자전거 프레임을 나타낸다. 실제 제품이나 설비를 촬영한 사진은 아니다.
탄소섬유 튜브와 티타늄 러그의 역할
러그는 튜브들이 만나는 자리에서 프레임을 잇는 부품이다. Renishaw의 설명에 따르면 탄소섬유 강화 튜브는 하중과 형상이 단순한 구간에, 티타늄은 형상과 하중이 복잡한 구간에 적합하다. 그래서 긴 구간은 튜브로 만들고 연결부에는 티타늄을 배치했다.
연결부에는 강도와 접합도 중요했다. 티타늄 부품은 계속 달라지는 하중을 장기간 견디면서 가벼워야 하고, 튜브와 안정적으로 붙어야 했다. 금속 3D프린팅으로 만든 러그에는 튜브의 바깥쪽과 안쪽을 모두 금속에 붙이는 접합 구조를 적용할 수 있다.
러그의 벽도 형상에 따라 두께를 달리할 수 있다. Renishaw는 자사 적층제조 장비를 쓰면 절삭가공이나 주조에 비해 벽을 더 얇게 만들고, 두께가 변하는 정도를 더 세밀하게 제어할 수 있다고 설명한다.
신체 치수에서 맞춤 부품까지
고객은 Robot Bike Co. 웹사이트에 필요한 신체 치수를 입력한다. 그러면 맞춤 설계가 자동으로 생성되고, 튜브 길이와 연결부 각도가 고객의 체격에 맞게 달라진다. 성형 틀로 만든 고급 산악자전거가 보통 두세 가지 크기로 판매된다는 Renishaw의 설명과 대비되는 지점이다.
이 설계에는 Robot Bike Co.와 HiETA가 CAD와 시뮬레이션 도구로 만든 시스템이 쓰인다. CAD는 컴퓨터에서 부품 형상을 그리는 설계 작업이다. 만들어진 형상은 Renishaw의 QuantAM으로 옮겨 출력 방향을 정하고, 제작 중 부품을 받칠 지지 구조를 추가한다.
설계 방법을 완성하는 데는 Altair의 위상 최적화 전문성도 쓰였다. 위상 최적화는 주어진 공간과 하중 조건에서 재료를 어디에 둘지 조정해 가능한 한 가벼운 설계를 찾는 방법이다.
자전거 한 대에 필요한 러그 11개는 지지 구조와 함께 한 번의 제작 작업으로 묶을 수 있다. 레이저로 금속 분말을 층층이 녹여 쌓는 분말 베드 융합 장비에서 출력한 뒤에는 열처리하고, 판에서 분리한다. 일부 러그의 베어링 장착부는 마무리 가공하며, 각 부품은 좌표측정기로 검사한다.
보고된 시험과 설계의 의미
Renishaw 사례 자료에 따르면 Robot Bike Co.의 시제품 프레임 한 대가 EN 14766으로 명시된 유럽 시험의 전체 항목을 통과했다. 보고된 결과의 대상은 그 프레임 한 대다.
아이컨택은 맞춤의 단위를 눈여겨볼 만하다고 본다. 라이더마다 크기가 다른 프레임을 설계할 때, 튜브 길이와 3D프린팅 러그의 각도를 함께 바꾸면 고객별 구성을 만들 수 있다. 그 설계는 출력 후 가공과 검사까지 거쳐 완성된다.
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