2017-02-03

PROJECT INTERVIEW

" Open Structure Mobility Concept (2016) "

플랫폼 공유를 통한 차종확대와, 3D프린팅을 통한 커스터마이징이 가능한 형 전기모빌리티

'Open structure Mobility Concept'은 사용자, 기업, 사회 관점에서 열린 가능성을 제공한다. 

Q1. Open Structure Mobility Concept 의 의미는 무엇입니까?  

[ A : KLIO 윤정채 실장 ]

Open structure란 말그대로 개방형 구조를 의미합니다. 개방형 구조는 확장 또는 축소 와 같은 응용이 가능한 유연한 구조를 뜻합니다. 유연한 재료적 성질을 의미한다기 보다는 좀 더 확대된 의미로 “가능성이 열려있는 구조”를 뜻합니다.

 

Mobility는 이동성을 의미합니다. 확대된 의미로는 사회나 도시환경 안에서 시스템과 연계된 모든 이동수단과 방법을 뜻할 수도 있고, 축소된 의미로는 수식어와 결합하여 Micro mobility(초소형 이동수단), Smart mobility(스마트 이동수단), Electric mobility(전기이동수단), Autonomous mobility(자율주행 이동수단) 등 특정 방법이 적용된 이동수단을 뜻할 수 있습니다.

 

Open Structure Mobility Concept(개방형 구조 모빌리티 컨셉)은 위 두가지 의미의 결합이며, 다시말해 “응용 가능성이 열려있는 이동수단의 개념”을 뜻합니다.    

Q2. “응용가능성” 의미를 조금 더 구체적으로 설명한다면?  

 

[ A : KLIO 윤정채 실장 ]

환경친화적 의미와 사회친화적 의미의 연장선에서 응용의 목적과 범위를 설명드리면,

환경친화적인 차량은 단순히 배기가스가 0인 차를 의미하는 것이 아닌, 제품 라이프사이클 전과정에 있어서 환경파괴와 낭비를 최소화 하는 것을 의미 한다고 생각합니다. 일부 모양과 기능의 변화로 새로운 소비를 촉진시킴으로써 기존의 제품을 폐기하는 우를 범하지 않기 위해서는 모듈화가 되어야 합니다. 모듈화를 통해 제품의 기능 또는 형태를 부분적으로 변화시킴으로써 낭비요소를 최소화 합니다.

사회친화적 의미 또한 교통약자(고령자, 장애인 등)를 배려 하는 것에 의미를 국한하는 것이 아니라, 제품을 개발하고 생산/판매하는 모든 주체가 동반성장하고 지속가능해야 한다는 의미입니다.

 

정리하자면 ‘응용가능성’이란, 낭비를 최소화 하는 범위내에서 제품의 일부를 개선 할 수 있으며, 소비촉진이 아닌 목적다양화를 추구해야 하며, 그것을 지속 가능하게 하는 것(특성) 을 의미합니다.  

목적에 맞게 응용이 가능한 E-모빌리티 공용 플랫폼 (KLIO DESIGN)

Q3. 프로젝트의 목적은 무엇입니까?  

[ A : KLIO 윤정채 실장 ]

자동차는 발명된 이후로, 기술의 혁신을 거듭해 오늘날 우리 삶에 빼놓을 수 없는 빠르고 편리한 이동수단(transportation)일 뿐만 아니라, 사회적 지위와 개성을 표현하는 고급재(luxurious goods)이기도 합니다. 동시에 배기가스로 인해 파괴되고 있는 환경, 기술과 자본격차로 인한 시장 불균형은 큰 숙제입니다.

 

자동차는 스마트카, 자율주행등의 첨단기술과 함께 더 지능적이고 더 고급화 될 것입니다. 또한 이들은 개인의 소유목적 이라기보다는 거대한 사회시스템 안에서의 효율적인 이동을 위해 (대중교통화 되거나, 셰어링과 같은 서비스를 통해)공유될 것 입니다.

 

이와 동시에, 자동차를 더이상 고급재로 인식하지 않을 미래 사용자들을 위해서, 또한 자동차 제조기술이 고도화 되지 않은 전세계 절반이상 지역들의 선택권 확대를 위해서, 운전자를 필요로 하지 않는 정보수집, 배달 등과 같은 자율주행 서비스를 위해서도, L6(e), L7(e) 세그먼트(자동차보다는 작은, 바이크보다는 큰 이동수단의 법규상 분류) 의 사용자 요구는 더욱 증가할 것이고, 이동수단 시장은 세분화 될 것입니다.

 

이러한 이동수단은, 지금까지의 디자인/설계/제조/판매 방식(소비의 주머니를 자극해 이익을 극대화시키는 방식)이 아닌 다른 방식으로 만들어져야 합니다. 이들은 환경친화적임은 물론, 사회친화적이어야 합니다. 이 프로젝트는 국내 중소기업과 대학교간 협업을 통해 추진되었으며, 공유경제와 제조혁신을 요구하고 있는 앞으로의 시장에서, 공공재의 특성을 지닐 수 밖에 없는 소형 전기 이동수단이 어떻게 지속가능한 제품이 될 것인지 디자인관점에서 연구하고 비젼을 제시하기 위함입니다.    

개방형 플랫폼 선행디자인 스터디를 위해 1인승 초소형 전기자동차 축소 모델을 2014년도에 3D 프린터로 제작하였다. (KLIO DESIGN)

경량 최적화 바디프레임 컨셉 (KLIO DESIGN)

Q4. 유기적인 형상의 프레임이 가장 먼저 눈에 띕니다. 어떻게 디자인 된 것입니까?  

[ A : KLIO 곽정환 ]

먼저 기본적인 스트럭쳐를 러프하게 빌드합니다. 그 다음에 알테어의 인스파이어라는 프로그램을 이용해 위상 최적화 과정을 거치게 되면 하중을 지지하는데 필요한 최소한의 형상만 남게됩니다. 이때 남은 형상은 마치 동물의 뼈대같은 느낌을 주는데, 그 뼈대를 근거로 형태를 깎고 덧붙여 가면서 조형을 잡아 나가는 과정을 거쳐 결과물을 만들었습니다. 

기본 프레임을 위상최적화 하여 하중에 필요한 최소한의 형상만 남기는 과정

​(KLIO 곽정환(좌), PMRC 박아론 연구원(우))

Q5. 위상최적화(Topology Optimization)란 무엇인가요?  

[ A : PMRC 박아론 연구원 ]

위상최적화(Topology Optimization)는 구조최적설계 방법 중 하나로 구조물 경량화에 보편적으로 사용됩니다.  일반적으로 위상최적화 방법은 다음과 같습니다. 우선 설계 영역(design domain)을 유한요소법(finite elements method)을 이용하여 이산화(discretization)하고 유한요소해석(finite element analysis)를 수행합니다. 그리고 밀도법(SIMP: Solid Isotropic Material with Penalization)을 이용하여 밀도가 낮은 요소를 제거합니다. 여기서 재료의 밀도를 1이라 가정합니다. 그리고 해석을 통해 각 요소의 밀도를 재료의 상대 밀도(0~1)로 표현하고 상대밀도가 0인 요소를 제거합니다.

 

남아있는 요소들을 갱신(update)하고 앞의 과정을 반복연산(iteration)을 수행합니다. 이때, 요소들의 갱신과정에서 morphogenesis form-generation방법을 사용합니다. morphogenesis는 그리스어인 morphe(형태)와 genesis(형성)의 합성어이며, 이는 생명체가 다양한 형태를 생성하는 것에 영감을 얻어 구조패턴을 생성하는 수학적 방법입니다. 그리고 반복연산은 남아있는 모든 요소의 상대밀도가 1이 될 때까지 수행합니다. 즉, 최적의 물질 분포(optimal material distribution)를 결정하는 것으로 이해하면 쉽습니다.

 

위상최적화를 이용한 Marco Hemmerling의 Generico Chair 디자인 사례,

반복연산을 통해 최적의 형태를 도출하고 있다. ​(출처 : google)

Q6. 본 컨셉에서 위상최적화(Topology Optimization)가 어떻게 적용 되었는지요?  

[ A : PMRC 박아론 연구원 ]

현재 디자인과 엔지니어링 산업의 경계가 무너지고 있습니다. 새로운 차체의 설계는 디자이너와 엔지니어의 설계의도(design intention)가 적절하게 통합되어야 합니다. 그러나 구조물의 초기 형상을 설계하기 위해서는 창의적인 생각과 많은 시행착오를 겪어야 합니다. 본 프로젝트에서는 이러한 문제를 해결하고 디자이너와 엔지니어에게 구조물의 초기 형상을 설계하기 위한 가이드라인을 제공하는 방법으로 구조최적설계 중 하나인 위상최적화(topology optimization) 방법을 사용했습니다.

 

본 프로젝트에서는 설계 영역(design domain) 내에서 제한조건(안전계수)을 고려하여 목적함수(최소 질량)를 만족하는 설계변수(유한요소의 밀도)를 찾는 위상최적화를 수행했습니다. 이를 통해 외력(주행 상황에서 차체가 받는 하중)이 작용하는 설계 영역의 최적화(질량 최소화)된 구조물의 형상을 생성하고 초기 형상 설계를 위한 가이드라인을 제시했습니다. 이때, 본 컨셉의 설계 영역에 적용될 외력은 정지 또는 등속운행 중인 상황(static)과 과속 방지턱을 넘을 때(bump), 가속(acceleration) 또는 제동 중(braking)일 때 이에 더해 전복(rollover)이라는 극한 상황까지 고려하여 계산했습니다. 그리고 주행 상황별 위상최적화를 수행하고, 결과물들을 병합(union)했습니다. 이 형상을 단순화하고 해석함으로써 본 컨셉 초기 형상 설계의 가이드라인을 만들었습니다.

위상최적화를 통해 초기 형상 설계를 위한 가이드라인을 만들었다. (PMRC 박아론 연구원)

추출된 가이드라인(데이터)을 바탕으로 형상을 다듬어(스케치) 아이디어를 구체화해 나가는 과정 (KLIO DESIGN)

Open Structure Mobility Concept 의 1인승 바디프레임 디자인 (KLIO DESIGN)

Open Structure Mobility Concept 동영상

Q7. 모델은 어떤 목적으로 만들어졌으며, 어떤 방법으로 제작 되었습니까?  

[ A : KLIO 윤정채 실장 ]

이 컨셉은 크게 상하구조로 나뉘어 져 있습니다. 상체 (Upper Body)는 목적에 따라 다변화가 가능합니다. 예를 들면, 1인승, 2인승, 3인승처럼 탑승 인원에 따라 다변화 할 수도 있고, 개인용, 공공용, 상업용 등과 같이 목적에 따라 다변화 할 수 있습니다.  상체 (Upper Body)는 커스텀 파트를 통해 사용성을 더욱 세분화 할 수 있습니다.

[ Under Body ]

[ Upper Body ]

[ Custom Part ]

Open Structure Mobility 의 1인승 활용 개념도 (KLIO DESIGN)

반면에 하체 (Under Body)는 표준화 구조를 통해 다양한 상체(Upper Body)를 결합 할 수 있도록 되어있고, 구동계는 간단한 전기차 시스템으로 구성되어 있습니다. 필요에 따라 성능과 항속거리를 업그레이드 할 수 있도록 부품을 최소화 하였으며, 인버터/컨버터 통합형 컨트롤 유닛에서 통제 됩니다. 전기구동체 연동성 확인 및 저속 주행테스트 목적으로 프로토타입이 제작되었습니다.

Underbody 디자인 컨셉 (KLIO DESIGN)

전기 구동 시스템 개발 및 언더바디 제작 ​(알멕스(주), 아크오토모티브(주))

상체(Upper Body)는 스케일 축소모델과 실제 사이즈 모델이 모두 3D프린팅으로 제작되었습니다.

스케일 축소모델은 SLS(Selective Lasor Sintering) 장비를 활용해 강도와 내 마모성, 내 화학성이 우수한 나일론 분말소재로 제작되었으며, 향후 위상최적화(Topology Optimization)를 통해 얻어진 비정형 경량구조프레임을 실제로 제작하는 데에도 유용할 것입니다.

실제사이즈 모델은 플라스틱파우더 (PMMA) 소재로 제작 되었으며, 특히 제작에 활용된 3D프린팅 장비는 최고 수준의 속도와 해상도를 보유하고 재료 손실률이 0에 가까운, 주로 주조방식에 쓰이는 장비 입니다. 기존의 CNC가공방식으로는 제작이 불가능한 형상을 빠른 시간에 디자인 검토 목적으로 활용하기에도 손색이 없어, 향후 디자인 분야에 많은 활용이 기대됩니다. 

재료의 특성상 바디컬러링 및 조립상태에서의 구동테스트는 파손의 위험이 있기 때문에 실시하지 않았습니다. 이렇게 제작된 상체(Upper Body)와  구동 테스트를 완료한 하체(Under Body)를 조립하여 초기 프로토타입 (Initial Prototype)을 완성 하였습니다.  

Materialise 사의 소프트웨어 3-matic 으로 3D프린팅을 위한 메쉬(Mesh)데이터를 편집하고 있다. ​(KLIO 곽정환)

EOS 3D프린터를 통해 나일론 소재로 출력된 축소 스케일 모델 ​(디지털핸즈)

플라스틱파우더로 3D 프린팅된 실제사이즈 파트 (DP-TECH)

제작된 파트를 조립하여 전체 차량을 완성 (아크오토모티브(주))

Open structure mobility concept 의 초기프로토타입(initial prototype) 제작과정 동영상

다양한 분야의 협업으로 완성된 초기 프로토타입은

2016년 9월 DDP(동대문디자인플라자)에서 열린 '2016 서울스마트모빌리티 국제 컨퍼런스/전시' 행사에 출품,

2016년 11월 대구경북디자인센터에서 주최한 '2016 디자인 위크 인 대구' 행사에 전시 되었다.

Q8. 전통적인 자동차 디자인프로세스에서는 3D 프린팅을 어떤 목적으로 활용했습니까?

[ A : DP-TECH 백승대 대표 ]

자동차 디자인 분야에서 말하는 모델에는 사람의 손으로 빚어내는 감성적인 모델과 기계가 만드는 인위적인 모델 두 가지가 있습니다. 감성적 모델을 만들기 위해서는 엄청난 시간과 에너지가 소요되지만, 형태를 관찰하고 재료를 손으로 만지는 과정에서 디자이너는 많은 영감을 얻습니다. 모델 제작 과정 자체가 디자인 과정입니다. 반면 디자이너가 아이디어를 빠른 시간 내에 확인할 필요가 있을 때는 인위적인 모델을 제작하는 것이 훨씬 효율적입니다. 여기에 나중에 감성을 불어 넣더라도, 빠른 제작을 통한 아이디어의 검증이 필요할 때에는 3D 프린팅이 매우 적합합니다.

Q9. 3D 프린팅 기술의 발전이 자동차 제조 방식 및 디자인에 어떤 영향을 줄 수 있다고 생각합니까?

[ A : KLIO 곽정환 ]

RP(Rapid Prototyping) 개념은 오래전부터 자동차에 쓰여지고 있으며, 3D 프린팅 또한 시작차 개발단계에서 비용 및 시간절약을 목적으로 상당부분 적용되고 있습니다. 최근 완성차나 컨셉카에서도 새로운 조형성을 적용하기 위해 3D 프린팅으로만 제작이 가능한 파트의 적용범위가 넓어지고 있습니다. 아마도 3D 프린팅의 기술이 좀더 발전한다면, 2개이상의 소재를 혼합하여 재질이 서서히 변하는 하나의 부품으로 만든다거나, 소비자 개개인에 맞춰진 맞춤형 부품을 주문생산 한다거나, 미세한 구멍이나 공기층을 만들어 기능을 부여하는 등의 일도 가능할 것 입니다. 또한 제작 방식때문에, 또는 원가 때문에 생략해야했던 과거의 디자인 제약조건들이 사라지고, 폭넓고 다양한 디자인 표현이 가능할 것이라고 기대합니다. 하지만 3D 프린팅이 가능하다고 해서 디자인의 방향이 갑자기 유기적이고 복잡해지는 방향으로 흘러 가지는 않을 것이라고 생각합니다. 그것을 사용하는 사용자가 원하는 바가 무엇인지가 더 중요하기 때문입니다. 

[ A : DP-TECH 백승대 대표 ]

3D 프린팅의 확산은 빠른 시간 안에 제조업의 패러다임을 바꿀 것이라 생각 합니다. 우리나라 제조업의 90%는 아직도 기존의 기계 가공 방식을 사용하지만 글로벌 제조기업의 약 20% 정도는 3D 프린팅 방식으로 옮겨가고 있는 것으로 알고 있습니다. 감성품질을 만족시킬 수 있을 만한 수준의 3D 프린터 제조기술력 확보, 재료의 국산화 등의 기반이 구축되면, 혁신이 가능하다고 생각합니다.

Q10. 본 프로젝트의 향후과제는 무엇이라고 생각합니까?   

[ A : PMRC 박아론 연구원 ]

본 연구의 결과물로 제시된 차체는 단순한 하중조건만을 고려하였기 때문에, 이를 기초로 하여 피로관점 해석, 동적해석 및 충돌안정성 검토 등이 복합적으로 반영된 차체 재설계가 이루어져야 합니다. 향후 추가적인 협업을 통해, 해석적 엔지니어링 기법이 융합된 심미적으로 흥미롭고 독특한 차체 형상의 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 예상되며, 또한 협업 프로세스를 통해 엔지니어는 디자인 역량을, 디자이너는 엔지니어링 역량을 가지는 데에도 도움 될 것으로 기대합니다.

[ A : KLIO 윤정채 실장 ]

이 프로젝트는 초소형전기차 제작 방법에 대한 가능성을 스터디하기 위해 만들어진 초기컨셉입니다. 디자인, 비용, 시간, 팀 구성, 협업방법 등의 총체적인 프로세스에 대해 아직 많은 연구를 해야합니다. 이미 초기 프로토타입을 제작하면서 많은 핵심문제들을 파악하였으며, 여건부족으로 더 이상 파악하지 못했던 문제점들도 많이 있습니다.

단기적으로는 다음단계의 프로토타입 제작을 통해 3D 프린팅 방식이 좀더 완성도 있는 제품의 기준에 근접할 수 있을 것인지 확인할 필요가 있을 것이고, 장기적으로는 디자인/설계의 지속적인 개선, 주행안정성 점검, 생산성 검토를 통해 좀더 현실에 근접한 제품이 만들어 질 수 있도록 연구 할 필요가 있습니다. 다품종 소량생산, 공유/커스터마이징 니즈에 맞는 혁신적인 제품과 서비스가 시장에 진입할 수 있도록 각분야 전문가 분들의 아낌없는 질타와 조언이 필요합니다. 

[협업컨소시엄]
• 경량 프레임 구조 연구 및 위상 최적화 : PMRC (홍익대학교 퍼스널모빌리티 연구센터)
• 디자인 : KLIO (㈜클리오디자인)
• 패키지 레이아웃, 언더바디 프레임 설계 : GAUS (㈜가우스)

• 3 matics 소프트웨어 교육 : Materialise (머티리얼라이즈)
• 스케일모델 3D 프린팅 (SLS, Nylon) : DigitalHands (디지털핸즈)
• 전장품, 구동계 개발 및 연동 : ALMECS (㈜알멕스)
• 하드모델 제작 : DTC (대진테크㈜)
• 1:1 3D 프린팅 (Binder Jetting, PMMA) : DP TECH (㈜디피텍)
• 언더바디 제작, 차량조립 : ARK automotive (아크오토모티브㈜)

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