Artec Leo를 사용하여 F3 경주용 자동차의 성능을 높이는 방법

05/07/2020

글: Jean Colet

Dallara F399/01과 같은 경주용 자동차는 수십 년간의 기술 발전이 낳은 산물입니다. 성능을 높이면서 모터스포츠의 기술 규정을 준수하기 위해 모터, 프레임 및 재료가 모두 엄청나게 발전했습니다. 실제로, 자동차 경주 공학에서 수년에 걸쳐 이루어진 획기적인 발전으로 인해 추가 개선의 여지가 많지 않아 보입니다. 적어도 상당한 양의 재정 자원과 시간을 투자하지 않고서는 말입니다. 이를 고려할 때 누군가 경쟁에서 기술적 우위를 점하고 싶다면 어떤 옵션이 가능합니까? University of Wales Trinity Saint David(UWTSD)의 공학 대학원생인 John Hughes는 공기 역학이라고 간단히 답변했습니다.

“모든 작은 디테일, 모든 작은 이익이 아무것도 없는 것보다 낫습니다. 현재 우리는 자동차로 출발한 곳과 비교하여 직선 속도에서 시간당 16km 빨리 갔습니다. 공기 역학적 개발을 통해서입니다.”

John은 다른 공기 역학 학생과 함께 자동차의 두 주인과 함께 석사 학위 프로젝트의 일환으로 Dallara의 프런트 윙을 작업하고 있습니다. 그들의 목표는 영국 전역의 장소에서 열리는 시즌당 16개의 유명한 이벤트인 British Sprint Championship에서 현재 주행하는 차량의 성능을 향상하는 것입니다. 각 행사 사이에 John과 그의 팀은 스완지 항구 바로 옆에 있는 대학교 모터숍에서 자동차 작업을 할 시간이 적습니다.

앵글시 순환로(Anglesey Circuit)에서 주행 중인 SBD 소유의 Dallara F399/01

한동안 팀은 수동 측정 도구를 사용하여 F3의 치수를 얻었지만, 이 작업은 시간이 오래 걸리고 정확도가 떨어졌습니다. 그들은 자연스럽게 더 나은 측정을 더 빨리 얻을 수 있는 신뢰할 수 있는 방법이 필요하다는 결론에 도달했습니다. 여기에서 3D 스캐닝 기술의 아이디어가 시작되었습니다. 처음에는 3D 스캐닝의 기본 방법을 사용하여 작업할 수 있는 CAD 모형을 만들었지만, 이 모형은 여전히 정밀하지 않았습니다. 전문적인 3D 스캐닝 솔루션에 대해 알게 되자마자 그들은 필요한 결과를 얻을 수 있기를 희망하며 영국에 본사를 둔 Artec 3D Ambassadors인 Central Scanning에 연락했습니다. John은 최신형 3D 스캐너인 Artec Leo로 작업한 예비 스캔을 보고 전화하기를 잘했다는 것을 알았습니다. 그는 “캡처된 것을 보면 이전에 본 것과 비교할 때 많은 양의 세밀한 부분이 그 어떤 것에도 뒤지지 않습니다. 내가 실제로 전에 제작된 것을 보니 대단합니다”라고 말했습니다.

Leo의 터치스크린에서 직접 Dallara의 미리 보기 3D 모형을 보고 있는 John Hughes(우측)와 Central Scanning의 Tom White(좌측)

Central Scanning의 Nick Godfrey와 Tom White는 사전에 해당 작업을 분석한 후 Artec Leo가 이 작업에 가장 적합한 도구라고 결론을 내렸습니다. Nick은 “Leo는 중대형 물체를 매우 빠르게 캡처할 수 있습니다. Leo는 사전 준비 작업이 필요하지 않으며 스캐닝은 현장에서 직접 할 수 있습니다. 스캐너는 완전히 자율적이어서 이동을 제한하는 케이블이나 컴퓨터가 연결되어 있지 않습니다. 다른 3D 스캐닝 솔루션보다 사실상 모든 것을 쉽게 캡처할 있습니다”라고 말했습니다.

Leo는 자체 배터리와 스캔을 실시간으로 보여주는 터치스크린이 장착되어 있으며, 나중에 컴퓨터로 전송할 수 있는 데이터를 메모리 카드에 저장합니다. Tom은 불필요한 장비 없이 UWTSD 모터숍에서 Dallara를 스캔했습니다. 대체로 보아 전체 차량을 스캔하는 데 2시간도 걸리지 않았습니다. 스캔 데이터는 하루 만에 Artec Studio에서 처리되었으며 며칠 후 완전한 CAD 모형이 John에게 전송되었습니다.

Leo의 휴대성을 통해 현장에서 빠르고 쉽게 스캔할 수 있습니다.

공기 역학 분야에서 디자인의 밀리미터 변화도 도움이 될 수 있다는 것을 주목해야 합니다. Artec Leo는 초당 3백만 포인트의 데이터 캡처 속도를 자랑하며 실시간 3D 처리가 화면에 직접 표시됩니다. 전체 자동차의 형상을 최대한 정밀하게 스캔함으로써 John은 Ansys에서 더 나은 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 실행하여 가장 사실적인 3D 모형에서 자동차의 공기 역학적 프로파일을 미세 조정할 수 있는 모든 옵션을 분석할 수 있습니다.

John은 “저는 일반적으로 개별 부품의 형상을 변경하지 않고 최대한 현재 부품을 최적화하려고 시도하면서 작업에 착수합니다. 예를 들어, 현재 프런트 윙에는 플랩 및 윙렛과 같은 여러 요소가 있습니다. John은 “플랩의 위치를 옮기면 날개의 전반적인 성능이 향상하는지 연구할 것입니다. 이 과정을 제대로 진행하려면 몇 개월이 걸릴 수 있습니다. 그러나 Design of Experiment(DoE) 소프트웨어를 사용하면 속도를 높일 수 있습니다. 원래 형상이 최적화되면 CFD 결과를 연구하여 원래 형상을 개발하기 시작할 수 있습니다. 저는 원본 프런트 윙을 최대로 유지하려고 하므로 이 방법을 사용하면 제조 시간과 비용을 절약할 수 있습니다”라고 설명했습니다.

Artec Studio 인터페이스에서 Dallara F399/01의 3D 포인트 클라우드 렌더링

Artec Studio에 표시된 결과물인 3D 모형(좌측)과 캡처된 데이터로 만든 CAD 모형(우측)

분석 및 설계 작업 후 수정된 부품을 고성능 스포츠를 전문으로 하는 탄소 섬유 제조업체인 Fibre-Lyte로 보냈습니다. 대량 생산이 필요한 경우, 이 회사는 3D 밀링 머신을 사용하여 반복되거나 스케일업(scale-up) 될 수 있는 비용 효율적인 일회용 부품을 만들 수 있습니다.

제조된 부품은 경주용 자동차에 장착되었으며 John은 다음과 같이 이미 차이점을 알아채기 시작했습니다. “수정이 시작된 이후 직선 및 코너링 속도가 향상되었습니다. 저는 다수의 박공널 디자인을 반복해서 만들었으며, 각각 성능 향상을 보여주었습니다. 시뮬레이션 결과는 성능 향상에 좋은 조짐을 보입니다.”

F3에 장착된 John이 설계한 박공널

대학에서 Artec 3D 스캐너를 사용하는 이유는 무엇입니까?

John의 사례에서 알 수 있듯이 공학 또는 고고학, 디자인 및 스포츠 과학과 같은 다양한 분야에서 전문 3D 스캐닝의 부가가치는 학생들에게 대단히 유익합니다. 최신 기술로 학습을 하면 학생들은 미래의 직업에 훨씬 대비하고 계측학, 리버스 엔지니어링, 문화유산 보존 등의 분야를 주도할 있습니다.

Artec 3D 제품군에는 모든 규모의 작업에 적합한 스캐너가 있어 가장 정확한 3D 스캔을 보장합니다. Artec 3D는 매우 인기 있는 교육용 패키지(Educational Packages) 덕분에 전 세계 대학과 협력하게 된 것에 자부심을 갖고 있습니다. 학교, 대학 및 연구소에 제공하는 특가 제품은 차세대 전문가가 전문가 시장에서 사용할 수 있는 가장 진보된 도구에 대한 실무 경험을 얻을 수 있는 훌륭한 기회를 제공합니다.

University of Wales Trinity Saint David는 3D 스캐닝의 첫 사용 경험이 성공적으로 나타나자 오토바이 및 사이드카의 스캔을 포함한 다양한 엔지니어링 프로젝트에서 Artec 3D 제품을 계속 사용하는 데 관심을 보였습니다.

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