자전거 뼈대 만들기

 

FreeCAD 1.1 버전을 활용하여 자전거 프레임(BMX 스타일)을 완전히 파라메트릭(Parametric) 방식으로 모델링하는 전 과정을 담은 고급 튜토리얼입니다. CAD 모델링 능력을 크게 향상시킬 수 있는 마스터 스케치 기법, 바인더 활용법, 복잡한 튜브 컷팅 등의 핵심 기술을 단계별로 설명하고 있습니다.

■ 주요 단계와 기술적 내용

1. 마스터 스케치(Master Sketch) 및 환경 설정

• 기본 설정: 프로그램 시작 후 언어, 단위계, 네비게이션 스타일(Revit 스타일 추천) 및 라이트 테마를 지정합니다.
• 마스터 스케치 작성 : 자전거 프레임의 '뼈대' 역할을 하는 중심 스케치를 Sketcher 워크벤치의 XZ 평면에 그립니다.
• 구속조건 부여 : 폴리라인 툴로 바텀 브래킷(BB), 시트 튜브, 탑 튜브, 헤드 튜브, 포크, 리어 트라이앵글의 라인을 그린 뒤, 치수(Dimension)와 평행 구속조건을 주어 스케치를 완전히 녹색(Fully Constrained) 상태로 만듭니다. 이 치수들을 바꾸면 나중에 전체 프레임 형상이 자동으로 연동되어 바뀝니다.

 

2. 전방 트라이앵글(Front Triangle) 파트 제작

• 바텀 브래킷 (Bottom Bracket) : Part Design 워크벤치로 이동하여 원형 스케치를 하고, 중심(Origin)을 기준으로 양방향 대칭 Extrude(Pad)를 한 뒤 2mm 두께(Thickness)로 속을 비웁니다.
• 헤드 튜브 (Head Tube) : 베어링이 들어갈 수 있도록 양끝단이 넓은 복잡한 형상을 만듭니다. 마스터 스케치를 가져오기 위해 Subshape Binder(서브셰이프 바인더) 툴을 사용합니다. 단면 프로파일을 그린 후 회전(Revolution) 툴과 두께 툴을 적용합니다.
• 다운 튜브 (Down Tube)  & 시트 튜브 : 경로를 따라 단면을 채우는 Additive Pipe(파이프) 연산을 사용합니다. 튜브가 생성된 후 바텀 브래킷이나 헤드 튜브와 겹치는 부위를 깔끔하게 잘라내기 위해 Boolean(불리언) Cut 연산을 활용합니다.
• 탑 튜브 (Top Tube) : 마찬가지로 파이프 툴과 불리언 컷을 이용해 전방 트라이앵글을 완성하고, 마스터 스케치 치수를 변경해 모델이 에러 없이 동적으로 잘 변형되는지 확인(Recomputation)합니다

 

3. 리어 트라이앵글(Rear Triangle) 및 드롭아웃 제작 

• 드롭아웃 (Dropouts) : 뒷바퀴 허브 축이 고정되는 플레이트입니다. 허브 폭(BMX 표준 110mm)의 절반인 55mm만큼 평면을 오프셋(Datum Plane)한 뒤 정밀하게 스케치하여 패드(Pad) 및 필렛(Fillet) 연산으로 외관을 다듬습니다.
• 체인 스테이 (Chain Stay)  & 시트 스테이 (Seat Stay) : 뒷바퀴 타이어 및 크랭크 암과의 간섭을 피하기 위해 곡선 경로를 만듭니다. 시작점과 끝점의 단면 형상이 다른 복잡한 튜브이므로, Multi-section Pipe 기능을 사용해 부드럽게 이어지는 솔리드를 생성하고 두께를 줍니다.
• Mirror(대칭) 및 Explode : 반대편 구조를 일일이 만들지 않고 Mirror 툴을 사용하여 xz 평면 기준으로 한 번에 반사 복사합니다. 불리언 컷 이후 공중에 뜨는 잔여물(Floating piece)은 Part 워크벤치의 Explode Compound 기능을 통해 깔끔하게 삭제합니다.

4. 보강재 및 최종 검증 

• 프레임의 강성을 극대화하기 위해 리어 튜브 사이에 작은 라운드 튜브 형태의 보강재(Reinforcements)를 추가합니다. 체인 스테이와 교차하도록 패드한 뒤 불리언 컷으로 정리하고 대칭 복사합니다.
• 마지막으로 모든 마스터 스케치 수치를 조정하여 전체 프레임 모델링이 깨짐(Rebuild Error) 없이 유기적으로 변하는지 최종 테스트하며 강좌가 마무리됩니다.
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FreeCAD 주요 개념 

① 파라메트릭(Parametric) 설계 방식이란?

치수(숫자)와 구속조건(평행, 수직 등)을 중심 체계로 삼아 모델을 만드는 방식입니다. 강사가 "탑 튜브 길이를 533mm에서 560mm로 늘려보자"고 했을 때, 마스터 스케치의 숫자 하나만 바꾸면 연결된 모든 3D 파이프와 잘린 단면이 자동으로 다시 계산(Recomputation)되어 형태가 바뀝니다.

② 마스터 스케치(Master Sketch) 기법

자전거의 프레임을 구성하는 각 파이프의 '중심선(뼈대)'을 단 하나의 스케치 안에 모두 그려두는 것입니다. 각 부품(바텀 브래킷, 다운 튜브 등)은 이 마스터 스케치를 참조하여 살을 붙이는 방식으로 제작됩니다.

③ 서브셰이프 바인더(Subshape Binder)의 중요성

FreeCAD에서 독립된 개별 Body(부품)들은 서로의 스케치를 직접 읽을 수 없습니다. 외부 Body의 스케치나 형상을 안전하게 복사해 내 안으로 가져오는 가상의 '연결 고리'가 바로 바인더입니다. 이를 통해 모델이 깨지는 에러(Reconstruct Error)를 방지할 수 있습니다.

 

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