포인트 클라우드 엔지니어링을 통한 연료 효율성 향상
Aerodynamic Trailer Systems는 PolyWorks® 소프트웨어 솔루션을 활용해 복잡한 형태를 디지털화하고, 공기역학적 트럭 보트테일의 CFD 분석과 풍동 테스트를 수행합니다.
미국 오하이오주 오번에 위치한 Aerodynamic Trailer Systems Ltd.(ATS)는 상업용 트레일러의 뒷문에 부착하여 공기역학적인 형태를 만들어주는 새로운 제품을 개발했습니다. 이 제품은 도로를 주행하는 트럭의 연료 효율성을 높여 배출가스를 줄이는 친환경 기술입니다. '보트테일'이라 불리는 이 제품은 공기 흐름이 무질서하고 난류 형태로 트레일러 후방부를 휘감아 발생하는 공기저항을 줄여주는 공기역학적 장치입니다. 보트테일은 트레일러 뒷문의 평평한 표면을 곡선 형태로 바꾸어 줍니다.
과제
Aerodynamic Trailer Systems에서 개발한 보트테일은 내구성이 뛰어난 유연한 폴리머 소재로 만들어진 팽창식 장치로, 미리 설정된 고속도로 주행속도에 따라 송풍기와 밸브 시스템에 의해 자동으로 팽창 및 수축됩니다. 수축된 상태에서는 트레일러의 뒷문을 완전히 개방하여 화물을 적재할 수 있도록 설계상의 어려움을 해결하였습니다.
Aerodynamic Trailer Systems의 CEO인 짐 도모(Jim Domo)는 “팽창된 상태의 보트테일은 일반적인 엔지니어링 도면에서 미리 정확한 형태를 정의하거나 측정하기 매우 어려운 독특한 곡면 구조를 가지고 있어 모델링이 쉽지 않았습니다.”라고 설명했습니다. 그는 이어서 “저희는 이 장치의 공기역학적 형상을 정확하게 측정하고 싶었습니다. 실제 트럭 트레일러는 풍동 시험 설비에 들어갈 만큼 작지 않기 때문에, 정확한 물리적 형태를 나타내는 축소 모델을 제작해야 했습니다. 동시에 컴퓨터 기반의 전산유체역학 분석을 위해 보트테일의 디지털 모델도 필요했습니다.”라고 덧붙였습니다.
솔루션
Aerodynamic Trailer Systems는 기존의 데이터 수집 방식에 대한 대안을 찾기 위해 3D Scan IT, Inc.와 접촉했습니다. 3D Scan IT는 미시간주 로열 오크(Royal Oak)에 본사를 둔 계측 전문 기업이며, PolyWorks의 북미 통합공급업체입니다. 3D Scan IT의 기술자들은 비접촉 방식의 고밀도 스캐너를 데이터 수집 방법으로 추천했으며, Imetric IScan 화이트라이트 스캐너를 ATS 시설로 가져와 스캔 작업을 진행했습니다.
3D Scan IT의 사장인 밥 스콰이어(Bob Squier)는 다음과 같이 설명했습니다. “먼저 포토그래메트리를 사용해 보트테일 표면에 기준점을 설정한 다음, Imetric 화이트라이트 스캐너 시스템을 이용해 전체 표면을 스캔했습니다. 장비 캘리브레이션, 대상물에 타겟 부착, 포토그래메트리 작업을 포함해 전체 설정 과정은 약 두 시간 정도 소요되었습니다. 이후 스캔 작업 자체는 약 세 시간 정도 걸렸습니다.”
포인트 클라우드 데이터 관리로 빠른 결과 제공
데이터는 InnovMetric의 PolyWorks 소프트웨어를 사용하여 수집되었습니다. 총 62회의 스캔이 진행되었으며, 스캔 데이터는 포토그래메트리 좌표계에 맞춰 정합되었습니다. 스캔 데이터 간의 오차를 제어하는 베스트핏 정렬은 PolyWorks의 IMAlign™ 모듈을 사용해 수행되었습니다. 이후 정렬된 스캔 데이터는 PolyWorks의 MMerge™ 모듈을 통해 중복 데이터를 제거하고, 섬유 소재의 질감을 없애며 파일 크기를 줄이는 폴리곤 메시로 변환되었습니다.
이 폴리곤 모델은 PolyWorks의 IMEdit™ 모듈로 가져와 포토그래메트리 타겟을 제거하는 작업을 수행했습니다. 그리고 곡률 기반의 홀 필링 기능을 활용해 밀폐된 폴리곤 모델을 완성하였습니다.
보트테일 스캐닝
풍동 테스트
ATS는 보트테일의 성능을 풍동 시험을 통해 검증하고자 했습니다. ATS의 사장인 패트릭 라이언(Patrick Ryan)은 “저희의 목표는 래피드 프로토타이핑 공정에서 사용할 수 있는 파일을 생성하여, 풍동 성능 테스트에 활용될 보트테일 장치의 1/8 축소 모델을 신속히 제작하는 것이었습니다.”라고 밝혔습니다.
PolyWorks STL 모델로 제작된 프로토타입.
시뮬레이션 수행을 위해 폴리곤 모델은 인디애나주 인디애나폴리스에 위치한 Auto Research Center로 전달되었습니다. 이 풍동 시험 시설은 주로 레이싱 차량 테스트를 위해 설계된 개방형(open jet), 이동 도로(rolling road) 구조의 풍동 장치로, 실제 고속도로 주행 조건을 정확히 재현할 수 있습니다. Auto Research Center의 전문가들은 보트테일의 축소 모델 제작을 위해 Stratasys FDM 8000 급속 프로토타이핑 장비를 사용하였으며, 3D Scan IT, Inc.에서 제작한 밀폐형 폴리곤 모델을 활용하여 내구성이 뛰어난 ABS 플라스틱을 매우 얇은 층으로 쌓아 모델을 제작했습니다.
ATS의 사장인 패트릭 라이언(Patrick Ryan)은 “저희는 풍동 테스트 데이터를 활용해 실제 양산에 들어가기 전에 장치 설계를 최종적으로 수정할 계획이었습니다. 따라서 저희 프로그램에 있어 모델의 정확성은 매우 중요한 요소였습니다.”라고 말했습니다.
NURBS 생성 과정.
CFD 분석
풍동 테스트 외에도 ATS는 CFD(전산유체역학) 분석을 수행하고자 했습니다. 이를 위해 3D Scan IT는 PolyWorks의 IMEdit 모듈을 사용하여 NURBS 모델을 준비했습니다.
먼저 IMEdit 모듈의 곡선 추출 및 편집 기능을 이용해 커브 네트워크를 생성했습니다. 커브가 완성되면 자동으로 NURBS 표면이 생성됩니다. 보트테일이 트레일러의 도어 힌지를 방해하지 않고 정확하게 맞물려야 했기 때문에, PolyWorks의 IMInspect™ 모듈을 사용하여 모델을 트레일러 도어의 글로벌 좌표계에 맞추는 정렬 작업을 수행했습니다.
최적화된 NURBS 모델은 NASA의 전문가들에게 전달되어 CFD 분석에 사용되었습니다. 이 분석을 통해 다양한 조건에서 팽창식 보트테일의 공기역학적 성능을 빠르게 평가할 수 있었습니다.
또한 이 NURBS 모델은 향후 수정 작업 및 생산 목적을 위해 ATS의 SolidWorks® 소프트웨어로 내보내져 활용되었습니다.
성과
도모(Domo) 씨와 라이언(Ryan) 씨에 따르면, 레이저 스캐닝과 포인트 클라우드 데이터 처리 과정으로 제작된 보트테일의 1/8 축소 모델은 실물과 치수적으로 매우 정확했으며, 사실상 완벽한 복제품이었습니다. 라이언 씨는 “풍동 테스트를 수행했을 때 얻는 결과가 실제 크기의 제품에도 직접적으로 적용 가능한 신뢰성 있는 결과가 될 것이라는 확신이 있었습니다.”라고 말했습니다.
연료 소비 최대 5% 감소
테스트 결과, 보트테일을 사용할 경우 최대 5%까지 연료 소비를 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다. 도모 씨는 “이는 트레일러 후방의 공기저항 감소로 인해 견인 차량이 끌어야 하는 부하가 줄어들면서 효율성이 향상되는 것을 의미하며, 결과적으로 배출가스 및 연료 비용 절감으로 이어집니다.”라고 설명했습니다. 이어 그는 “제품의 형태를 약간만 더 조정하면 성능을 더욱 개선할 수 있을 것으로 기대합니다.”라고 덧붙였습니다. 또한 도모 씨는 스캐닝 기술과 포인트 클라우드 데이터 처리를 통해 모델 제작에 소요되는 시간을 획기적으로 줄였다고 언급하며, “정밀한 모델을 단 며칠 만에 완성할 수 있었습니다.”라고 밝혔습니다.
3D Scan IT, Inc.의 밥 스콰이어(Bob Squier)는 이번 프로젝트가 스캐닝 기술과 포인트 클라우드 데이터 정제, 그리고 급속 프로토타이핑을 활용해 전체 설계 및 제조 과정을 진행한 독특한 사례라고 평가하며, “기존의 전통적인 제품 설계 및 개발 방식으로는 회사가 목표로 하는 결과를 결코 얻을 수 없었을 것입니다.”라고 강조했습니다.
