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Empire Cycles룰 위해 Renishaw에서 제조한 최초의 메탈 3D 프린트 자전거 프레임

금속 부품을 인쇄하는 영국 유일의 메탈 기반 적층가공기 제조업체인 Renishaw는 선도적인 영국 자전거 설계 및 제조 기업과 협력하여 세계 최초의 3D 프린트 메탈 바이크 프레임을 제작하였습니다.

Empire Cycles

Empire Cycles는 잉글랜드 북서부에 위치한 독보적인 영국 자전거 설계 및 제조회사입니다. 최상급 제품​ 생산을 위해 영국의 우수한 기술을 열성적으로 채용하여 전 세계 산악 자전거 및 활강 애호가들에게 혁신적인 디자인을 선사합니다. Renishaw와 Empire Cycles는 협력을 통해 3D 프린팅 방식에 맞게 자전거 설계를 최적화함으로써 하향면에 불필요했던 지지 구조물들을 제거했습니다.

Empire Cycles는 Renishaw'의 적층가공 기술을 활용해 산악 자전거를 설계하여, 위상 최적화를 통해 강하고 가벼운 티타늄 프레임을 제조할 수 있었습니다. 새로운 프레임은 원래 프레임보다 33% 더 가볍습니다. 프레임은 단면을 티타늄 합금으로 적층 제조하여 서로 결합했습니다. 이 제조 방식은 수많은 이점을 가지고 있습니다.

설계 유연성

  • 신속한 반복; 생산까지 차질 없이 진행될 수 있도록 설계 개선
  • 위상 최적화로 유도된 형상을 제작할 수 있는 역량
  • 최고의 맞춤 제작 - 다품종 소량 생산만큼이나 쉽게 유일의 견본 제품 제작

구성

  • 강화된 내부와 복잡한 설계의 조화
  • 중공 구조물
  • 탑승자의 이름 표시와 같은 내장 기능

고성능, 티타늄 합금

  • 알루미늄 합금 버전보다 44% 가벼운 안장 기둥 브래킷
  • 최고의 튼튼함 - EN 14766에 따라 테스트
  • 내부식성 및 오랜 지속력

위상 최적화란 무엇인가?

장소를 위미하는 그리스어 "topo"에서 파생된 위상 최적화 소프트웨어는 일반적으로 반복적인 단계와 유한 요소 분석을 통하여 물질의 "논리적 위치"를 결정하는 데 사용되는 프로그램을 가리키는 용어입니다. 로드 베어링에 최적화한 설계가 완성될 때까지 응력이 낮은 영역에서 재료를 제거합니다. 그 결과, 경량성(작은 부피로 인해)과 강성을 모두 갖춘 모델이 탄생됩니다. 이러한 형태를 제작하면서 당면해오던 문제들이 이제 3D 프린팅을 통해 해결되어 실제 3D 모델을 제작할 수 있게 되었습니다. Renishaw와 Empire Cycles는 협력을 통해 3D 프린팅 방식에 맞게 자전거 설계를 최적화함으로써 하향면에 불필요했던 지지 구조물들을 제거했습니다.

강성 수준

티타늄 합금은 첨삭 가공 방식으로 가공할 때 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength, UTS)가 900 MPa 이상에 이르고, 밀도는 완벽에 가까운 99.7%에 도달합니다. 이는 주조보다 높은 수치이고, 모든 기공이 작은 구형으로 형성되어 강도에 미치는 영향이 거의 없습니다. 이 프로젝트의 목표는 완벽한 기능의 자전거를 생산하는 것이므로 산악 자전거 표준 EN 14766을 사용하여 안장 기둥 브래킷을 테스트한 결과, 1200 N 회전력의 50000회 회전 내성이 확인되었습니다. 표준보다 6배 높은 강도로 지속한 테스트에서 전혀 문제가 없었습니다. 스완지 대학교(Swansea University)와의 제휴로 휴대용 센서를 사용한 산비탈과 영국 Bureau Veritas 사용 실험소에서 완성된 자전거 프레임 테스트를 계속할 것입니다.

The ability to have something that works months in advance of the production component is unbelievably valuable.

Empire Cycles (영국))

경량성 수준

전체 자전거 프레임을 하나의 제작판에 있는 안장 기둥 브래킷과 조립하여 한꺼번에 제작하였습니다. 티타늄 합금과 알루미늄 합금의 상대적 밀도는 각각 4 g/cm3와 3 g/cm3으로 티타늄 합금의 밀도가 더 높습니다. 따라서 알루미늄 합금 부품을 대체할 더 가벼운 티타늄 합금 소재 부품을 제작하는 유일한 방법은 부품의 전체 강도에 영향을 주지 않는 재료가 제거되도록 설계를 대폭 변경하는 것뿐입니다.

일반 알루미늄 합금 안장 기둥 브래킷은 360 g이고 중공 티타늄 버전은 200 g으로, 무게가 44% 감축됩니다. 이는 최초 시도일뿐입니다. 추가 분석과 테스트로 무게를 더욱 줄일 수 있을 것입니다. 일반 자전거 프레임의 무게는 2,100 g입니다. 3D 프린팅을 통해 재설계한 결과 무게는 33% 감소하여 1,400 g으로 떨어졌습니다.

더 가벼운 탄소섬유 자전거도 있지만, Empire Cycles의 매니징 디렉터인 Chris Williams는 이 부분도 이미 조사를 마쳤다고 전했습니다. 그는 "탄소 섬유의 내구성은 금속 자전거에 비할 바가 못 되며, 일반 도로에서는 괜찮지만 산길을 내려올 때 프레임 손상 위험이 크다"면서, "어떠한 보증 서비스 요청도 생기지 않도록 자전거를 튼튼하게 제조했다"고 강조했습니다.

3D 프린팅 티타늄 합금 프레임과 안장 기둥 브래킷으로 완벽한 자전거 제작

프로젝트의 관리 방법

Chris는 Renishaw와 제휴하기 전에 이미 본인 자전거의 실물 크기 3D 프린팅 복제품을 제작했으며, 이 작업을 통해 앞으로 달성할 목표를 구상해 놓고 있었습니다. Renishaw는 처음에 안장 기둥 브래킷의 최적화와 제작에만 합의했는데, 복제품의 성공적인 제작이 입증된 후 전체 프레임을 제작하기로 결정했습니다. Renishaw 응용 팀의 제작에 관한 지도 아래 Chris는 설계를 업데이트하여 프레임을 분할함으로써 AM250의 300 mm 골조 높이를 최대한 활용합니다.

Empire Cycles의 주요 이점은 이러한 제작 방법으로 실현되는 우수한 성능에 있습니다. 소규모 제조업체가 감당하지 못할 장비 투자 없이도 오토바이와 자동차에 사용되는 프레스강 '모노코크' 구조의 모든 장점을 모두 갖춘 설계입니다. 아직은 잠재적 성능을 완벽하게 탐구한 단계는 아니며 프로젝트 개발을 지속하기를 희망합니다. 장비 투자가 필요하지 않기 때문에 지속적으로 설계를 개선하기 쉽고, 구성품 비용은 생산량에 좌우되므로 매우 가벼운 일부 부품을 최소한의 비용으로 제작할 수 있습니다.

접합 방식에 대한 연구 결과 Mouldlife에 접착제가 제공되고 기술 전문가들에게는 3M의 테스트 시설이 제공되었습니다. 당사는 제휴 아래 이를 더욱 개발하여 특수한 표면 처리 등과 같은 접합 방법의 반복적인 개선을 꾀할 것입니다. 휠과 동력 전달계, 자전거를 구성하는 그 밖의 부품은 Hope Technology Ltd에서 제공했습니다. 이 프로젝트는 고객과의 긴밀한 협력으로 우수한 결과를 얻을 수 있다는 사실을 잘 보여주었습니다. 3D 프린팅에서 유리한 구성품이 있는 경우, 가까운 Renishaw 지사로 자세한 정보를 문의하시기 바랍니다.