“톱니 하나까지 완벽하게” 역설계로 제작한 체인 기어

자전거 스프로킷(체인 기어)은 근력을 운동 속도로 전환해 주는 정밀한 도구입니다. 역설계 공정을 통해 완벽한 모양과 기능으로 탄생한 기어 카세트는 자전거 주행의 필수 부품입니다.  

기어 카세트에 들어가는 다양한 크기의 스프로킷의 정확한 3차원 모델을 만드는 과정은 짧지만 더욱 정밀한 측정 공정을 요구합니다. 원본의 크기나 형태에 관계 없이 아무리 복잡한 기하학적 형상이나 자유형상을 갖춘 대상이라도 세밀한 부분 하나 빠뜨리지 않고 겨우 몇 초 만에 실제와 똑같이 데이터를 획득합니다. 이미지 획득 후 생성된 3차원 데이터는 역설계 소프트웨어로 내보내지고 CAD 모델로 역전됩니다. 그 다음 역설계 공정에서 만들어진 CAD 데이터는 연작 생산, 기준 분석, 품질 검사 등 다양한 목적으로 사용될 수 있습니다.

목표와 측정 대상

페달도 없었던 세계 최초의 세발 자전거부터 오늘날의 고급 자전거 모델에 이르기까지 수많은 발전 단계를 거쳐야 했습니다. 요즘은 수명이 길고 내구성이 좋은 소재의 고성능 구성 부품을 찾는 이들이 전문가에만 국한되지 않습니다. 레크리에이션 스포츠 분야에서도 근력을 속도로 바꿔주는 최적의 기술적 변환 방식을 모색하기는 매한가지입니다. 

완벽하게 기능하는 기어 카세트를 만드는 데에는 흠잡을 데 없이 완벽하게 만들어진 스프로킷이 필수불가결한 선결 조건입니다. 기어 카세트란 다양한 크기의 스프로킷을 여러 개 모아 조립한 것을 말합니다. 이러한 구성 부품의 소재는 강철이나 티타늄이며, 특히 티타늄으로 기어 림을 만들게 되면 재료 원가가 많이 올라갑니다. 또한 티타늄을 밀링하는 공정은 제조 공정에서도 특히 까다로운 부분이기도 합니다. 따라서 이 귀중한 재료를 가공할 때에는 최종 제품을 우수한 품질로 만드는 것과 원자재 투입량의 경제성을 감안하는 것이 매우 중요합니다.

아직 구조 데이터가 준비되지 않은 옛날 자전거 스프로킷을 견본으로 만들려면, 각 구성 부품을 3차원으로 스캔해야 합니다. 이때 AICON SmartScan이 솔루션을 제공합니다. 산출된 고정밀도의 3차원 데이터는 이어지는 역설계 공정에 바로 사용할 수 있습니다. 이 공정에서 생성된 CAD 데이터세트가 이후의 제품 개발에는 물론 연작 생산에도 기반 역할을 합니다. 

이 응용 분야 사례 보고서에서는 자전거 스프로킷을 예로 들어 역설계 공정이 어떤지 자세하게 설명하였습니다. 자전거 스프로킷은 그늘진 부분이 많고 가장자리도 많아 형태가 복잡한 것이 특징입니다. 따라서 기존의 디지털화 스캐너를 사용해 데이터를 획득하기에는 특히 다루기 까다로운 대상으로 정평이 나 있습니다. 디지털화 프로젝트는 크게 두 단계로 구성되어 있습니다. 첫 단계에서는 자전거 스프로킷을 SmartScan으로 3차원 측정합니다. 두 번째 단계에서는 역설계 소프트웨어인 Rapidform XOR3을 사용하여 표면 모델을 생성합니다. 이 가상 복제품(CAD 데이터세트)가 최종 제품으로 도출됩니다.

작업 흐름

구성 부품의 데이터를 획득하는 데에는 턴테이블을 사용합니다. 이렇게 하면 측정 대상의 디지털 데이터화를 사실상 완전히 자동화된 방식으로 수행할 수 있습니다. 이 단계에서 누락된 부분은 추가로 측정 작업을 몇 번 더 수행하면 쉽게 보정할 수 있습니다. 대상을 완전히 포착하면 그 결과로 나온 3D 데이터세트(다각형 그물망)를 평가하고, 다음으로 이 데이터를 역설계 소프트웨어인 Rapidform XOR3로 전달합니다. 

스캔 과정에서 얻은 3차원 모델로 역설계 공정을 수행하면 그 결과로 온전한 CAD 데이터세트가 생성됩니다. 역설계 결과가 제대로 나왔는지 확인하기 위해 3D 모델(다각형 그물망)과 역설계로 얻은 데이터세트(CAD 모델)를 서로 비교하는 작업도 금방 끝납니다. 이 과정에서 견본과 다른 오차가 발견되면 그 내용이 의사 색상 매핑 방식을 사용하여 시각화됩니다. 

이렇게 비교한 결과 역시 연작 생산을 위해 자동화되고 오차 로그가 PDF 형식 등으로 발행됩니다. 그런 다음 매개변수화한 구조 데이터를 CAM 과정을 통해 편집하면 밀링 작업을 거칠 준비가 됩니다. 고정밀도의 디지털화 기술 덕분에 오래된 스프로킷 모델을 3차원 데이터 모델로 정확하게 표현해내고, 다음 생산 과정에 맞게 준비할 수 있게 됩니다.

결론

자동 디지털화 방식을 사용하면 용량이 상당히 큰 데이터를 처리하는 경우에도 언제나 효율적인 작업 흐름을 보장할 수 있습니다. AICON의 SmartScan은 측정 결과를 쉽고 빠르게 해석할 수 있는 형태로 내놓기 때문에, 사용자가 앞으로의 가공에 폭넓고 포괄적인 데이터 기반을 간편하게 활용할 수 있습니다. 역설계 공정의 장점은 생산 공정에서 자재를 효율적으로 활용할 수 있도록 보장하는 것에 그치지 않습니다. 최종 결과물인 자전거 스프로킷의 우월한 품질까지 확실히 보장합니다. 

더구나 이렇게 만들어진 데이터는 사용된 스프로킷과 새로 만든 제품을 비교하는 방식으로 소재의 마모성이나 품질 저하를 알아보는 연구 목적으로 사용할 수도 있습니다. 이러한 정보는 제품을 개선하거나 한 차원 더 나아가 개발하는 기반으로서의 역할을 수행할 수 있습니다. 이렇게 응용과 개선을 거치면서 완벽한 자전거 구성 부품의 제작 과정에 새로운 단계를 마련하게 됩니다.