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기존 설계보다 중량이 절반 가량 가벼운 제너레이티브 디자인 크랭크축(crankshaft) 프로토타입을 개발한 연구원
전 세계적으로 온실 가스 배출량을 줄이기 위한 노력이 이뤄지고 있습니다. 자동차 제조업체들은 자동차의 연비를 개선하고 이산화탄소(CO₂) 배출을 줄이는 것을 주요 과제로 삼고 있습니다. 설계는 차량의 연료 효율성을 높이는 데 있어 결정적인 역할을 할 수 있으며, 중량 감소는 이를 달성하기 위한 가장 효과적인 방법입니다. 설계 중량을 줄이려면 차체 프레임 및 엔진에서 볼트에 이르기까지 차량의 각 부분에 사용되는 재료와 구조를 면밀히 점검해야 합니다. 자동차 제조업체인 혼다의 연구 개발 부서인 혼다 R&D가 최근에 집중하고 있는 부분은 연소 엔진의 가장 중요한 부품 중 하나인 크랭크축입니다.
설계 혁신의 역사를 쓰다
혼다의 일본 R&D 부서는 처음부터 적층 제조와 같은 첨단 제조 기술을 깊이 있게 연구해 왔습니다. 위상 최적화(Topology Optimization)와 같은 설계 기술을 찾던 중 이들은 여러 설계를 생성하고 반복할 수 있는 제너레이티브 디자인(Generative Design)이 기존의 설계 방식을 완전히 바꾸어놓을 수 있다는 것을 알게 되었습니다.
제너레이티브 디자인은 전부터 자동차 업계에서 안전벨트 브래킷, 엔진 제어 장치 및 오토바이 프레임과 같은 구성요소를 재설계하는 데 도움을 주고 있었으며, 각 분야에서 상당한 중량 감소의 성과가 있었습니다.
크랭크축은 경량화를 위해 해결해야 할 고유한 설계 과제를 안고 있습니다. 크랭크축은 엔진의 가장 중요한 기능을 담당하는 부품 중 하나로, 피스톤 진동을 회전력으로 전환하는 역할을 합니다. 이를 위해서는 매우 강한 힘과 내구성이 필요합니다.
혼다 R&D 첨단 기술 연구소의 메커닉 및 유체기계 설계자인 Hirosumi Todaka는 "크랭크축은 다양한 성능 기준을 충족해야 합니다. 예를 들어 연소압을 견딜 수 있는 형태를 지녀야 하며 회전 균형을 유지해야 합니다. 이러한 요인이 오늘날 크랭크축의 형태를 좌우합니다. 오랜 엔진 개발 역사를 지나면서 크랭크축 설계는 일정한 방식으로 고정화되었습니다. 그렇지만 우리는 최신 크랭크축 모델을 30% 더 가볍게 만들어보자는 도전적인 설계 목표를 세웠습니다"라고 말했습니다.
다르게 생각하는 방법을 배우다
혼다 R&D 팀은 오토데스크와의 협업을 통해 유연한 접근 방식을 구축하는 데 초점을 맞춘 프로젝트를 최초로 시작했습니다. 혼다 R&D에서 설계 생산 프로세스 및 신소재를 연구하는 Hisao Uozumi는 "우리 설계에서는 편견을 버리고 본질적인 부품의 기능에 대해 생각하는 것이 중요합니다. 이러한 접근 방식의 기준을 확립하기 위해 비판적 사고 워크샵을 개최하기도 했습니다"라고 전했습니다.
Todaka 설계자는 "제너레이티브 디자인과 적층 제조 같은 기법을 사용한 새로운 접근 방식이 필요했습니다. 선입견을 버리고 모든 것을 새로운 관점에서 봐야 했습니다"라고 말했습니다.
더 나은 크랭크축을 설계하다
오토데스크는 Netfabb 및 Fusion 360을 사용하여 혼다의 부품 요구 사항을 충족하는 첫 번째 모델을 준비했습니다. Todaka는 "혼다 전문가에게 중량에 대한 데이터 및 다양한 작동 제약 조건을 제공하여 공유한 다음, 모델이 구체화되면서 오토데스크 팀과 각 지점을 검토했습니다"라고 전했습니다.
Todaka는 이륜 및 사륜 자동차의 엔진 부품 작업 시, 과거의 경험에 따라 설계를 구상한 후 분석하고 구체화해 왔습니다. 결과를 처음 확인하고는 매우 놀란 Todaka는 "부품의 형태가 인간의 뼈와 같은 유기적인 형태였습니다. 상상 이상이었습니다"라고 밝혔습니다.
혼다 R&D 프로젝트 팀원들은 런던으로 가서 제너레이티브 디자인 교육을 받고 영국 버밍엄의 오토데스크 기술 센터를 둘러보았으며, 설계를 넘어 적층 제조와 같은 주제에 대해 논의했습니다. Todaka는 이 시설에서 "설계를 기반으로 프로토타입을 빠르게 제작할 수 있었습니다. 피드백을 작업에 신속하게 적용할 수 있는 이상적인 환경이라고 느꼈습니다"라고 말했습니다.
프로토타입을 미세하게 조정하다
프로토타입으로 산출된 데이터를 통해 혼다는 배치 및 강도에 대한 기준을 재고하여 부품에 대한 일련의 경계 조건을 새롭게 설정했습니다. 팀은 계속해서 두 번째 모델을 설계했습니다. Uozumi는 "오토데스크 팀에는 항공 우주를 비롯한 다양한 배경을 가진 많은 구성원이 있었습니다. 그들은 우리 설계의 방향을 파악했고, 덕분에 우리는 비교적 빠른 시간 안에 아이디어를 구체화할 수 있었습니다"라고 전했습니다.
제너레이티브 디자인은 단일 솔루션만 제공하고 시간이 많이 걸리는 수정 작업을 거쳐야 하는 기존의 위상 최적화와 달리 다양한 설계 옵션을 제공합니다. Todaka가 말한 대로 제공된 Fusion 360의 제너레이티브 디자인은 "설계자로서 생각지도 못한 구성"이었습니다. 새로운 크랭크축 설계로 중량을 50%나 줄이는 것으로 목표를 초과 달성했지만, 일반 크랭크축에 비해 부품의 견고성과 강도는 어떤지에 대한 의심이 여전히 남아 있었습니다.
팀원들은 성능 테스트를 위해 엔진에 프로토타입을 탑재해 많은 데이터를 확보할 수 있었습니다. 오토데스크 팀과 결과를 공유했으며 오토데스크 팀은 혼다의 데이터를 기반으로 제너레이티브 디자인 프로세스를 정립했습니다. Todaka는 "크랭크축과 같은 회전 부품에 제너레이티브 디자인을 적용하는 것은 혼다와 오토데스크 모두에게 매우 귀중한 경험이었습니다"라고 말했습니다.
새로운 모델, 제조와 설계를 통합하다
설계 프로세스에 제조를 통합하는 것은 매우 유용하다는 것이 입증되었습니다. Todaka는 "제너레이티브 디자인은 적층 제조, 금형 제조 또는 5축 기계 가공을 사용한 모델 등 설계 제약 조건을 고려한 모델을 제공해 줍니다"라고 전했습니다.
혼다에게 이 프로젝트는 적층 제조의 가능성을 보여 주었습니다. Todaka는 또 "아직 몇 가지 해결해야 할 사항이 남아 있기는 하지만 이 기술에 집중할 가치가 충분히 있습니다. 부품 경량화를 위해 해야 할 일이 아직도 많이 남아 있지만 이제 우리는 목표를 이루기 위해 나아갈 방향을 알고 있습니다. 미래에는 제너레이티브 디자인을 사용하여 제작한 혁신 제품이 표준이 될 것이라고 저는 생각합니다. 이 기술에 대한 적용에 대한 추가적인 연구는 온전히 우리의 몫입니다"라고 밝혔습니다.