제작이 "사실상 불가능한" 항공기 예비 부품, Artec 3D 스캐닝을 통해 리버스 엔지니어링

Sadler Vampire 경비행기의 시험 비행 조종사. 이미지 출처: Wikimedia Commons

자신의 비행기를 타고 원할 때마다 세계의 새로운 지역으로 날아가는 꿈을 꿔본 적이 있습니까? 이러한 무한한 자유에 대한 전망은 항공 업계 전반에 걸쳐 혁신을 불러일으켰고, 업계에서는 이러한 환상을 현실로 만들기 위한 시도를 거듭하고 있습니다.

1964년 LearJet 23이 출시되어 자가용 제트기가 대중화된 이후, 설계는 빠르게 발전하여 일부는 더욱 고급스러운 항공 여행을 목표로 하고, 일부는 실용성을 우선시하는 설계를 선보였습니다.

이러한 비행기 중 가장 창의적인 비행기 중 하나는 1980년대에 등장한 Sadler Vampire입니다. 다른 동종 제품과 달리 이 비행기는 접이식 날개와 포드 앤 붐(pod-and-boom) 레이아웃이 특징입니다. 오늘날까지도 레크리에이션 조종사들 사이에서 여전히 인기 있는 이 비행기는 여러 번 설계가 변경되었으며, 한때 기관총을 장착한 '피라니아(Piranha)' 버전이 출시되기도 했습니다.

하지만 비행기의 실험적 특성으로 인해 설계가 CAD 형태로 보존되지 않았고 예비 부품을 구하기가 점점 어려워지고 있습니다. 공급 문제가 임박한 가운데 한 조종사는 Artec 3D 스캐닝으로 Sadler Vampire 전체를 디지털화하여 경쟁에서 앞서 나가기 위해 노력했습니다.

항공 아이콘 디지털화

수십 년 전 첫 번째 Sadler Vampire를 판매한 이후, 해당 조종사는 항공기의 희귀성에 더욱 신경을 썼습니다. 따라서 무언가 고장 나거나 자체적으로 수정하고자 하는 경우를 대비해 디지털 설계 '기준'을 만드는 것이 최선이라고 생각했습니다.

항공기의 날개 구조에는 능선이 있어 디지털화가 매우 쉽지만, 흰색의 포드 모양 조종석은 리벳이 없고 텍스처가 없으며 반사 섬유 유리로 만들어져 있습니다. 사진 측량 캡처도 하나의 옵션이었지만 최종 생성된 모델에 대해 정리 작업을 많이 해야 했습니다.

Artec의 오랜 미국 파트너인 3DMakerWorld에 도움을 요청하자 Artec Leo를 채택하는 대안을 제안했습니다. Artec Space Spider도 리버스 엔지니어링에 필요한 정밀도로 비행기를 캡처할 수 있었지만 Leo가 초당 3,500만 포인트 스캐닝 속도, 내장형 디스플레이, 케이블이 필요 없는 다용도성 덕분에 이 작업에 더 적합했습니다.

Artec Leo를 사용하여 Sadler Vampire의 포드 섹션을 디지털화하는 3DMakerWorld의 Chad Mees. 이미지 제공: 3DMakerWorld.

3DMakerWorld 엔지니어인 Chad Mees는 "엔진 스탠드 위에 긴 빔이 관통하는 취약한 설치물이 있었습니다. 그래서 그 주변을 이리저리 움직여야 했습니다. Artec Leo를 사용해 보니까 거꾸로 들고 구멍에 넣어 내부 특징을 캡처하기가 쉬웠습니다. 내장형 화면을 통해 작업 상황을 확인할 수 있어 어떤 장애물에도 부딪히지 않았습니다! "라고 설명했습니다.

Artec 3D 스캐닝을 채택했을 때의 또 다른 장점은 팀이 추적 표적이나 마커 없이도 높은 수준의 정확도를 달성할 수 있었다는 점입니다. 이를 통해 디지털화 과정에서 Sadler Vampire가 손상되지 않게 했으며, 작업 흐름을 간소화하고 필요한 모든 데이터를 몇 분 안에 캡처할 수 있게 되었습니다.

Artec Studio에서 scan-to-CAD

고급 리버스 엔지니어링을 위해 기업은 Geomagic for SOLIDWORKS에서 제공하는 것과 같은 별도의 도구에 투자하는 경우가 많지만 이 경우에는 Artec Studio로 충분하다는 것이 입증되었습니다.

특히 Mees는 3D 스캐닝 및 스캔 데이터 처리 소프트웨어의 디피처(defeature) 브러시가 아티팩트를 제거하는 데 큰 도움이 되었다고 말합니다. 조종석의 유기적인 모양으로 인해 일반적으로는 그렇게 하는 것이 어려울 수 있지만, 이 도구를 사용하면 부품 표면이 완벽하게 맞게 맞도록 할 수 있습니다.

Sadler Vampire의 곡선형 조종석의 3D 메시. 이미지 제공: 3DMakerWorld.

Mees는 "작은 아티팩트가 있을 수 있는 일부 지점에서는 Artec Studio의 스무딩 도구를 사용하여 그것들을 제거할 수 있었습니다. 스캔이 완벽하게 일치하지 않는 경우에도 소프트웨어가 표면들을 쉽게 연결할 수 있었습니다. 정리 작업은 매우 간단했습니다."라고 말했습니다.

“이러한 모든 다양한 구성 요소를 포함하는 정리 작업은 전적으로 Artec Studio에서 이루어졌습니다. 다른 메시 편집을 할 필요가 없었습니다."

그는 돌이켜보면서 Artec Studio의 표면 두껍게 하기 도구를 사용했으면 프로세스가 훨씬 더 쉬워질 수 있었다고 생각합니다. Vampire에는 좁은 형상이 많아 양쪽을 캡처하는 것이 매우 까다로웠는데, 이는 특정 위치에 두께를 추가하여 해결할 수 있는 문제였습니다.

하지만 이 기능이 없어도 최종 생성된 메시를 내보내 리버스 엔지니어링에 필요한 수준의 세밀도를 갖춘 완벽한 텍스처의 3D 모델로 변환할 수 있습니다.

Sadler Vampire에서 추출한 개별 흡입구의 3D 메시. 이미지 제공: 3DMakerWorld.

분석 및 업그레이드 기회

앞으로 Leo는 특히 비파괴 검사(NDT) 및 전산 유체 역학(CFD) 분야에서 항공기 3D 스캐닝의 잠재력을 더욱 높일 수 있을 것으로 보입니다.

Mees는 Vampire와 같은 비행기의 완벽한 모형을 수작업으로 만들 수 있다고 해도 그것이 "제대로 제작되었는지 실제로 보여줄 수는 없을 것"이라고 말합니다. 그는 반면에 Artec 3D 스캐닝을 사용하면 곡선형의 기체를 캡처하고 생성된 데이터를 CFD 시뮬레이션에 공급하여 난기류가 항공기 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다고 말합니다.

당분간 Vampire의 소유자는 CFD 분석을 계획하고 있지 않지만, 업그레이드하거나 예비 부품이 필요할 경우 되돌릴 수 있는 설계 파일을 갖게 되었습니다.

3DMakerWorld 3D 스캐닝 컨설턴트인 Kevin Stucky는 "Artec Leo는 시야가 넓고 조작성이 뛰어나기 때문에 이 작업에 완벽하게 적합한 스캐너입니다. 밀폐된 공간에 들어가거나 노트북을 설치하는 것은 상당히 힘든 일이었을 것입니다. 스캔도 노이즈가 없었고 Leo의 놀라운 유연성은 정말 보기 좋았습니다."라고 덧붙였습니다.

"Artec Leo 3D 스캐닝을 사용하지 않았다면 (여기에서 얻은 것과 같이) 정확한 측정값을 얻는 것은 사실상 불가능했을 것입니다."