‘Voronoi Bike Concept(보로노이 바이크 컨셉, 2016)’은 가는 프레임에 V자 형태의 커버를 씌운 미니벨로로써,
계산 기하학 알고리즘인 보로노이 다이어그램(Voronoi Diagram) 이론을 프레임의 내부 구조에 적용함으로써 경량 최적화하였다. 

Q1. 보로노이 다이어그램이란 무엇입니까? 

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한양대 조영송 박사  보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)은 틈이나 겹침없이 공간을 분할하는 수학적인 방법론입니다. 2차원 평면이 주어졌을 때, 평면을 틈이나 겹침없이 분할하는 다양한 방법들이 존재합니다. 아래 그림의 우리나라 전통 조각보는 보는 것과 같이 삼각형만을 이용하여 평면을 분할하였습니다. 하나의 정다각형을 이용하여 평면을 분할하는 것을 수학적으로 '정규 타일링'이라고 합니다.  스페인 세비야 대성당의 바닥면은 삼각형, 사각형, 육각형의 세 가지 도형(여러 가지 정다각형)만으로 평면을 분할하고('아르키메데스 타일링'), 터키 부르사에 위치한 예실 자미(일명, 녹색사원)의 타일의 경우는 일반적인 다각형을 이용하여 평면을 분할하고 있습니다('기리 타일링'). 2008년 올림픽이 열렸던 베이징의 국가수영센터(Water Cube)의 외벽은 보로노이 다이어그램을 이용하여 만들었는데, 이와 같이 2차원에서 보로노이 다이어그램은 틈이나 겹침없이 평면을 분할하는 또 다른 방법입니다. 

보로노이 다이어그램의 활용 예 ​(이미지 : Google)

Q4. 자전거 디자인에 보로노이 다이어그램 이론을 활용할 수 있습니까?   

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KLIO(클리오디자인) 황선웅 실장  자전거는 전기 자전거를 제외하고는 인력으로 움직이는 도구이기 때문에 무게에 민감할 수 밖에 없습니다. 또한 사람이 직접 운전하면서 지속적으로 프레임에 스트레스를 가하게 되기 때문에 적절한 강성을 확보하는 것도 중요합니다. 무게와 강성 둘 다 중요한 요소이지만 서로 상반되는 부분이 많습니다. 예를 들어 무게를 가볍게 만들게 되면 강성이 희생되는 부분이 있고, 강성을 중요시하여 만들다 보면 무게가 많이 나가는 경우가 발생하기도 합니다.  무게와 강성을 둘 다 만족시키는 경우도 있지만 이 경우 가격이 고가인 경우가 많습니다.

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따라서 무게와 강성의 적절한 균형을 맞추는 것이 자전거 프레임 디자인의 핵심적인 요소라 할 수 있습니다. 이를 위해 자전거 프레임에 가해지는 스트레스(힘)을 분석해보면 자전거 프레임의 모든 부분에 같은 스트레스가 발생하는 것이 아니라 각 부분별로, 상황별로 발생하는 스트레스가 다릅니다.  

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이러한 요소를 자전거 프레임 디자인에 반영하게 되면 결국엔 강성이 많이 필요한 부분은 형태가 두꺼워지고 상대적으로 강성이 적게 필요한 부분은 얇아지는 형태가 되며 대부분의 자전거는 이러한 형태를 벗어나기 힘들어집니다.

하지만 보로노이 다이어그램을 이용하게 되면 디자이너가 자신이 원하는 디자인을 유지하면서 강성이 필요한 부분에 좀 더 조밀하게 보로노이 다이어 그램을 추가하여 강성을 확보하면서 경량화하는 것이 가능해 집니다. 결국 디자인 자유도가 높아지면서 기존과 다른 형태의 자전거 프레임 디자인을 기대할 수 있습니다. 

Q9. 어떤 방법으로 제작이 가능합니까?   

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KLIO 황선웅 실장  보로노이 다이어그램을 적용하게 되면 자전거 프레임의 각 부분별로 필요한 강성에 따라 보로노이 다이어그램 분포가 달라지게 되기 때문에 기존의 제작 방식으로는 구현할 수 없습니다. 따라서 저희가 선택한 방식은 3D 프린팅입니다. 3D 프린팅은 형상에 큰 제약이 없기 때문에 기존의 생산 방법으로는 구현이 불가능한 형상도 제작이 가능합니다. 앞으로는 자전거 데이터만 있다면 개인별로 커스터마이징 하여 3D 프린팅을 통해 자전거를 제작할 수 있을 것으로 기대됩니다.  

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​실제 사이즈에서의 제품 형상과 조립 구조를 확인하기 위해 3D프린터를 활용해 목업(Mock-up)을 진행하였습니다. 구체적으로 설명드리면, 빠른 시간에 디자인을 검토하기 위해서는 플라스틱 분말 소재(PMMA)를 선택적으로 접착제를 분사하는 3D 프린팅 장비를 활용하였고, 프레임 내부의 보로노이 셀 구조를 확인하기위해서는 SLA(Stereolithography) 장비를 활용하였습니다.    

Q10. 디자인 자유도를 유지하면서, 하중 스트레스를 견딜 수 있는 적합한 소재는 무엇이라고 생각하십니까?

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KATECH 임광규 연구원  탄소섬유를 여러 겹으로 쌓아서 열성형을 통해 만들어지는 카본이라고 생각합니다. 카본은 탄성이 매우 좋아 승차감이 좋고 다른 소재에 비해 무게가 상당히 가볍고 강도가 뛰어납니다. 제작의 특성상 부위별 두께를 조정해 강도와 경량화 두 마리 토끼를 잡을 수 있으며, 성형을 자유자재로 할 수 있어 여러 모양의 프레임을 만들 수 있다는 최고의 장점이 있어 바람의 저항을 덜 받는 에어로 디자인이나 사용자 요구에 맞는 차별화된 디자인의 프레임을 만들 수 있습니다.

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KLIO 황선웅 실장  카본의 단점은 가격입니다.  아무래도 공정상 수작업이 많다 보니 소재의 가격이 높을 수밖에 없습니다.

Q11. 이 컨셉이 실제로 구현되기 위해서 해결해야 할 향후 과제는 무엇이라고 생각하십니까?

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KATECH 임광규 연구원  3D 프린팅 재료의 다양화라고 생각합니다. 자전거를 예를 들면 사람이 직접 타야 하기 때문에 안전성이 확보되어야 합니다. 3D프린터를 통해 금속 재료를 사용하여 프린팅 할 수 있다고는 하나 장비가 고가이므로 금속을 대체할 만한 강도를 가지면서도 경량화 추구에 적합한 프린팅 재료가 개발되어야 된다고 생각합니다.

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KLIO 황선웅 실장  역시 3D 프린팅 기술의 개선이 필요하다고 생각합니다. 현재의 3D 프린팅 기술은 몇 가지 문제점을 가지고 있는데, 실제 출력하여 사용하기 위해서는 기술적인 부분에서 보완하여야 할 점이 많습니다. 그중에 몇 가지를 든다면 출력 속도 문제, 재질 문제, 출력 품질 문제가 가장 시급한 문제라 생각됩니다. 재료를 층층이 쌓아가는 적층 방식의 경우 표면 품질을 개선한다 하더라도, 쌓을 때 생기는 '결'부분이 충격 및 변형에 취약할 수 있기 때문에 하중을 받는 제품을 만들기에는 아직 한계가 있다고 생각합니다. 또한 레이져 소결 방식이 품질 및 강도 면에서 우수할 수는 있으나 보로노이 다이어그램 같은 '셀 구조체'를 구현하기 위해서는 최종 출력 후에 각 셀 구조 내부에 재료가 남아있지 않도록 출력 방식이 개선 되어야 합니다. 이러한 부분이 보완이 된다면 시장에서 새로운 수요를 창출할 수 있다고 생각합니다.