바이오닉 꿀벌 드론: 자율 군집 기술의 미래, 날아오르다

Festo | 사례 연구

경량 비행의 선구자

페스토의 바이오닉비는 EOS의 FDR 기술과 1zu1의 생산 전문성을 활용하여 도약하고 있습니다.

프레임 무게를 75% 줄여 단 3그램으로 줄였습니다.
20대의 유닛으로 자율 군집 비행 성공
신속한 설계 반복과 짧은 리드 타임
향후 더 복잡한 경량 설계를 위한 기반 마련

수색 및 구조와 같이 위험도가 높은 분야에서는 드론의 성능이 성공과 실패를 가를 수 있습니다. 복잡한 환경을 정밀하게 탐색할 수 있는 가볍고 자율적인 시스템은 엔지니어링과 재료 과학의 경계를 넓히며 그 수요가 높아지고 있습니다. 하지만 새로운 가능성을 향한 탐구에 대한 해답이 일반적인 드론이 아니라면 어떨까요?

자연에서 영감을 받아 페스토가 디자인하고 최첨단 적층 제조(AM)로 구현한 초소형 항공기인 바이오닉 비를 소개합니다. 이 놀라운 프로젝트는 단순히 생체 모방 기술을 보여주는 것이 아니라 첨단 디자인과 3D 프린팅이 경량 비행에 어떤 혁신을 가져왔는지 보여주는 데모입니다. 페스토는 콘셉트를 개발했고, 1zu1과 EOS는 야심찬 아이디어를 현실로 만들기 위한 전문 지식과 기술을 제공했습니다. 그 결과 자율 비행의 가능성을 재정의하는 초경량, 민첩한 로봇 벌 떼가 탄생했습니다.

"FDR 기술을 활용한 것은 바이오닉비의 판도를 바꾸어 놓았습니다. 적층 제조의 한계를 뛰어넘어 프레임 무게를 12그램에서 단 3그램으로 줄이면서도 안정성은 그대로 유지할 수 있었습니다."

마티아스-마누엘 스펙클 | Festo의 적층 제조 프로토타이핑 책임자

도전 과제

바이오닉비 제작에는 특별한 도전이 있었습니다. 날개 길이가 240밀리미터, 무게가 34그램에 불과한 초경량 구조와 내구성 및 기능성의 균형을 맞추는 구조를 설계하는 것이 목표였습니다. 벌의 몸체에는 브러시리스 모터, 서보모터 3개, 배터리, 기어박스, 여러 개의 회로 기판을 탑재하여 날개를 정밀하게 움직일 수 있도록 해야 했습니다. 페스토의 개발팀은 프레임 구조를 최적화하기 위해 적층 가공을 도입했지만 초기 프로토타입은 견고성이나 유연성 측면에서 한계에 부딪혔습니다. 기존의 선택적 레이저 소결(SLS) 시스템으로는 프레임이 실제 조건에서 작동하는 데 필요한 미세하고 복잡한 형상을 제작할 수 없었기 때문입니다. 재료 거동의 미세한 차이나 제조상의 불일치도 비행 성능에 영향을 미칠 수 있었습니다. 또한 촉박한 일정으로 인해 결과를 빠르고 효율적으로 제공해야 한다는 압박이 가중되었습니다.

솔루션

Festo는 생산 전문성을 위해 1zu1에 의뢰했고, 1zu1은 필요한 복잡하고 가벼운 부품을 제공하기 위해 EOS FORMIGA P 110 FDR 시스템을 선택했습니다. Festo의 바이오닉 디자인 접근 방식과 FORMIGA P 110 FDR고해상도 기능을 결합하여 최소한의 질량과 구조적 강도의 균형을 효과적으로 맞추는 프레임을 개발했습니다. 이러한 설정 덕분에 페스토는 시간 제약이 있는 상황에서도 벌의 섬세한 격자 구조를 빠르게 반복하고 개선할 수 있었습니다. 1zu1의 SLS 프로덕션 매니저인 필립 셸링은 "바이오닉비는 비행 중 매우 미세한 피처와 일관된 부품 성능이 필요했습니다. 표준 SLS 시스템의 절반 크기인 초미세 빔을 사용하는 유일무이한 CO 레이저를 갖춘 EOS의 미세 디테일 해상도(FDR) 기술은 이러한 요구 사항을 충족하고 페스토의 비전을 실현하는 데 이상적이었습니다."라고 설명합니다.

더 견고하고 유연한 폴리머인 PA 1101을 사용하여 격자 구조가 가볍고 내구성이 뛰어나 자율 비행의 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있었습니다. PA 1101 부품은 높은 내충격성과 파단 시 변형률을 나타내며 넓은 온도 범위에서 일정한 기계적 특성을 유지합니다. 재생 가능한 자원을 기반으로 하는 이 소재는 파손 없이 가장 높은 기계적 하중을 견딜 수 있는 등 PA 12에 비해 우수한 성능을 제공합니다.

페스토는 알고리즘 기반 모델링으로 프레임을 더욱 최적화하여 불필요한 소재를 제거함으로써 75%의 획기적인 무게 감소를 달성했습니다. 또한 짧은 테스트 비행 후 각 BionicBee의 컨트롤러 파라미터를 조정하는 자동 보정 기능을 구현하여 재료 동작의 잔여 변동을 완화했습니다. "우리는 바이오닉비가 FDR이 무엇을 할 수 있는지 보여줄 수 있는 완벽한 도전이라고 생각했습니다. 이 프로젝트는 FORMIGA P 110 FDR 시스템으로 구현되는 정밀한 초박형 구조가 더 큰 부품 크기에서도 경량 설계에 혁신을 가져올 수 있음을 보여줍니다."라고 1zu1의 SLS 생산 관리자인 필립 셸링(Philipp Schelling)은 말합니다.

1zu1은 긴밀한 협업과 민첩한 생산 프로세스를 통해 빠듯한 일정에 맞춰 프로토타입과 부품을 납품했습니다. 이러한 협업 방식을 통해 페스토는 실시간으로 바이오닉비의 프레임을 조립하고 테스트할 수 있었습니다.

FORMIGA P 110 FDR

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PA 1101

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결과

페스토, 1zu1, EOS의 파트너십은 자율 비행 물체의 설계, 제조, 운용에 새로운 지평을 열었습니다. 최적화된 격자 구조는 프레임의 무게를 줄여 비행 시간을 연장하고 기동성을 개선하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 페스토의 적층 제조 프로토타이핑 책임자인 마티아스-마누엘 스펙클은 "AM을 한계까지 밀어붙여 프레임 무게를 12그램에서 단 3그램으로 줄이면서도 안정성은 그대로 유지할 수 있었습니다."라고 말합니다. 바이오닉비의 비행 능력은 20개의 유닛으로 구성된 동기화된 군집으로 시연되어 첨단 위치 파악, 통신 및 제어 시스템을 강조했습니다. 한편, 적층 제조는 신속한 프로토타이핑과 주문형 생산을 가능하게 하여 개발 일정을 크게 단축함으로써 혁신 주기를 가속화했습니다. 이 성공적인 협업은 전례 없는 수준의 효율성과 성능을 달성하는 데 있어 기능 설계와 고해상도 AM이 미치는 영향을 강조하면서 미래의 경량화 노력에 대한 청사진이 되었습니다.

경량 및 민첩성

바이오닉비는 페스토 바이오닉 학습 네트워크에서 가장 작은 비행 물체입니다. 무게는 약 34그램, 길이는 22센티미터, 날개 길이는 24센티미터입니다.

"우리는 바이오닉비가 FDR이 무엇을 할 수 있는지 보여줄 수 있는 완벽한 도전이라고 생각했습니다. 이 프로젝트는 FORMIGA P 110 FDR 시스템으로 구현된 정밀한 초박형 구조가 더 큰 부품 크기에서도 경량 설계에 혁신을 가져올 수 있다는 점을 강조합니다."

필립 셸링 | 1zu1의 SLS 프로덕션 매니저