맞춤형 스포츠 장비 개발 방법

2026-10-12 · 창업자 및 사업자를 위한 · 14분 읽기 · endothermal systems

Aknazar Arysbek, 창업자. 생체의공학 엔지니어(석사, 터프츠 대학교). LinkedIn ↗

라크로스 코치라고 가정해 봅시다. 연습이 끝나면 필드에 공 백 개가 흩어져 있습니다. 누군가는 그것을 주워야 합니다. 이 일을 해 줄 기계에 대한 아이디어가 있습니다. 이 노트는 스포츠 장비 개발이 그 아이디어를 스케치에서 상자에 담긴 제품으로 만들어 가는 과정을, 단계마다 수치를 계산해 가며 보여 줍니다.

먼저 정해야 할 세 가지

맞춤형 스포츠 장비를 만드는 모든 프로젝트는 세 가지에서 시작됩니다: 의도, 제약, 그리고 시스템.

의도는 제품으로 바꾸고 싶은 것입니다. 이 기계의 의도는 간단합니다. 코치가 연습이 끝날 때마다 공이 흩어진 필드에서 허리를 굽힌 채 시간을 보내지 않게 하는 것입니다.

제약은 제품이 지켜야 하는 한계입니다. 제약 하나하나가 설계를 둘러싼 울타리처럼 작용합니다. 이 기계는 모터 없이 작동해야 합니다. 한 사람이 다룰 수 있어야 합니다. 자동차에 실을 수 있어야 합니다.

시스템은 모든 결정에서 반복하는 방법이며, 저희가 쓰는 것은 '이상적 결과의 방법'입니다. 가능한 해결책 하나하나가 물리 법칙 안에서 완벽하게 작동한다고 상상한 뒤 판단하는 방법입니다. 완벽한 버전조차 만족스럽지 않다면 버리고, 만족스럽다면 그곳에 어떻게 도달할지 궁리합니다. 이 방법은 나쁜 아이디어를 아직 비용이 적게 들 때 걸러 냅니다.

스포츠 제품 개발의 여섯 단계

헬멧부터 볼 픽커 기계까지 모든 하드웨어는 같은 여섯 단계를 거칩니다. 각 단계는 한 가지 질문에 답합니다.

기계 하나를 여섯 단계 내내 따라가 보겠습니다. 작은 공을 위한 공 수집기입니다. 움직이는 부품이 있습니다. 땅에 닿습니다. 차에 실려 집으로 갑니다. 그리고 대안보다 비용이 적게 들어야 합니다. 그 대안이란 양동이를 든 지친 보조 코치입니다.

라크로스와 스쿼시 두 종목을 살펴보겠습니다. 두 종목 모두 작은 공을 사용합니다. 이 공들 간의 차이가 디자인의 많은 부분을 결정합니다.

1단계: 요구사항

도면을 만들기 전에 기계가 해야 할 일을 적어둡니다. 이 목록이 요구사항입니다. 이후의 결정은 이를 대조해 검증됩니다.

좋은 요구사항에는 숫자가 포함되어 있습니다. "공을 빨리 줍는 것"은 소원입니다. "10분 이내에 100개의 공을 줍는 것"은 요구사항입니다.

먼저 공부터 살펴봅니다.

라크로스 수치는 공 표준인 NOCSAE ND049에서 가져왔습니다. 이 표준은 무게 5.0~5.25 oz, 둘레 7.75~8.0 in를 정하고 있으며, 미터법 값은 저희가 환산한 것입니다. 스쿼시 수치는 World Squash가 공개한 공 규격 그대로입니다.

라크로스 공은 스쿼시 공보다 너비가 약 1.6배입니다. 무게는 약 6배입니다. 두 공 모두를 위한 기계 한 대를 만드는 것은 공마다 기계를 한 대씩, 두 대를 만드는 것보다 어렵습니다.

이 예시에서는 라크로스 볼 수집기를 개발합니다. 다음은 목록입니다.

R2, R3, R5, R8의 숫자는 이 예시를 위한 가정입니다. 실제 프로젝트에서는 매일 필드에 서는 고객이 이 숫자를 정해 주십니다.

이제 요구사항에 숫자를 붙이면, 소원 목록은 연필로 풀 수 있는 공학 문제로 변합니다.

가득 채우면 얼마나 무거울까?

개당 약 145 g인 라크로스 공 100개의 무게는 약 15 kg입니다. 커다란 수박 한 통 정도입니다. 프레임, 바퀴, 손잡이가 이 무게를 견뎌야 합니다. 조작자는 이것을 밀어야 합니다.

공이 얼마나 공간을 차지할까?

라크로스 공 하나의 부피는 약 135 cm³입니다. 공을 용기에 부으면 공 사이에 틈이 생기며, 무작위로 쌓인 구는 차지하는 공간의 약 64%만 채웁니다(무작위 조밀 충전). 따라서 공 100개에는 약 21리터의 공간이 필요합니다. 작은 배낭 정도의 크기입니다.

얼마나 빨리 걸어야 하나요?

기계가 자기 너비만큼 넓은 스트립 내 모든 공을 집는다고 가정해 봅시다. 폭 0.6m의 기계로 30m x 30m 영역을 클리어하려면 1,500m를 걷어야 합니다. 1.2m/s의 일정한 보행을 가정하면, 약 21분이 걸립니다. 이는 R2에 실패합니다. 폭 1.2m의 기계는 걷기를 약 10분으로 절반으로 줄입니다. 하지만 1.2m 기계는 R5를 맞추기 위해 접어야 합니다.

이렇게 두 요구사항이 서로 충돌합니다. 여기에는 빠져나갈 길이 있습니다. 슈팅 훈련 뒤 골대 근처처럼 공이 무리 지어 놓여 있다고 가정해 봅시다. 그러면 무리에서 무리로 걸어가면 됩니다. 모든 평방미터를 훑을 필요가 없습니다. R2는 유지될 수 있지만, 테스트에서 공을 실제로 놓이는 방식대로 흩어 놓을 때만 그렇습니다. R2의 테스트 방법에 그 방식을 명시해야 합니다.

규칙: 요구사항을 현실과 대조하기 전에, 요구사항끼리 먼저 대조하세요.

2단계: 개념

요구사항이 정해지면 설계자는 이를 충족할 수 있는 합리적인 방법을 모두 스케치합니다. 이 스케치들이 개념입니다. 누군가 마음에 드는 안을 고르기 전에 모든 개념을 테이블 위에 올려놓습니다.

이 수집기에는 네 가지 개념이 있습니다. 모두 어딘가에서 실패합니다. 할 일은 감당할 수 있는 실패를 고르는 것입니다.

이제 이상적인 결과의 방법을 적용하세요. 각 개념이 완벽하게 작동하는 모습을 상상해 보세요.

완벽한 픽업 튜브라도 허리를 한 번 굽힐 때마다 공 하나만 들어 올립니다. 허리를 백 번 굽히는 것이 바로 처음의 문제였습니다. 탈락입니다.

완벽한 견인 스위퍼라도 필드에 차량이 필요합니다. 차량이 없는 팀은 쓸 수 없습니다. 탈락입니다.

완벽한 로봇은 모든 공을 찾아냅니다. 그러려면 배터리, 모터, 카메라, 그리고 공과 민들레를 구별하는 소프트웨어도 필요합니다. 완벽한 형태로도 R8의 가격 한도를 넘습니다. 탈락입니다.

완벽한 푸시 롤러는 모터 없이 모든 공을 한 번에 모아냅니다. 통과합니다. 결론은 개념 B입니다.

왜 이겼는지 주목해 보세요. 통과한 개념 중 B의 부품이 가장 적습니다. 부품을 하나 없앨 때마다 설계하고, 구매하고, 고장 날 부품이 하나씩 줄어듭니다.

개념 B는 더 작은 크기로 이미 판매되고 있기도 합니다. Kollectaball K-Field는 라크로스, 야구, 필드하키, 크리켓 공용 와이어 케이지 롤러입니다. 공을 최대 25개까지 담으며 정가는 $99.95입니다. 이 원리가 라크로스 공에서 작동한다는 증거입니다. 하지만 R3는 충족하지 못합니다. 공 100개를 주우려면 네 번 비워야 합니다. 남은 과제는 네 배 큰 케이지입니다. 어떤 프로젝트든 더 진행하기 전에 시중 제품부터 확인하세요.

푸시 롤러의 내부

케이지는 양쪽 끝 원판 사이에 스프링 와이어를 팽팽하게 건 드럼입니다. 드럼이 공 위를 굴러가면 이웃한 와이어 두 개가 위에서 공을 누릅니다. 공은 와이어 사이 간격보다 넓습니다. 그래서 와이어가 벌어지고 공이 쏙 들어갑니다. 그러면 와이어가 제자리로 돌아옵니다. 이제 공은 안에 있고 빠져나올 수 없습니다.

모든 것은 간격에 달려 있습니다. 간격을 너무 넓게 하면 공이 다시 빠져나갑니다. 너무 좁게 만들면 와이어가 공이 들어올 만큼 충분히 구부러지지 않습니다. 유용한 출발점은 공 직경의 약 80%에 해당하는 간격입니다. 64 mm 라크로스 공의 경우 약 51 mm입니다. 40 mm 스쿼시 공의 경우 약 32 mm입니다. 두 숫자 모두 3단계에서 테스트해야 할 가정입니다.

이제 다시 스쿼시 공 이야기입니다. 간격을 라크로스 공에 맞추면 스쿼시 공은 그대로 빠져나갑니다. 간격을 스쿼시 공에 맞추면 라크로스 공은 들어가지 못합니다. 케이지 하나로 두 종목을 모두 감당할 수 없습니다. 스쿼시 공 수집기에는 전용 케이지나, 케이지를 바꿔 끼울 수 있는 프레임이 필요합니다.

스쿼시는 두 번째 질문을 던집니다. 코트 하나에는 네 벽 안에 공이 30개 정도 있습니다. 다시 이상적 결과의 방법을 적용합니다. 완벽한 기계도 스쿼시 코치의 시간을 1~2분 아껴 줄 뿐입니다. 바구니로 충분할 수도 있습니다. 가장 저렴한 기계는 만들지 않아도 되는 기계입니다.

규칙: 무언가를 그리기 전에 기계가 처리해야 하는 가장 작은 물체와 가장 큰 물체를 적어두는 것입니다.

3단계: 개념 증명

개념 증명은 한 가지 질문에 답하기 위해 만들어진 대략적인 모델입니다. 중심 아이디어가 작동하나요?

푸시 롤러의 경우, 질문은 좁습니다. 라크로스 공이 케이지에 들어가서 잔디 위를 굴러갈 때 안에 머물나요? 손잡이, 페인트, 접는 부분은 나중에 해도 됩니다.

모델은 합판 원판 두 개에 스프링 와이어 몇 가닥을 구부려 감아 만들면 됩니다. 공 10개를 놓은 잔디 위로 굴려 보세요. 몇 개가 안에 들어가는지 세어 보세요. 그런 다음 간격을 2 mm씩 바꿔 가며 45 mm부터 57 mm까지 다시 굴려 봅니다. 간격별 개수를 그래프로 그려 보세요. 가장 좋은 간격은 모든 공이 들어가고 하나도 빠져나오지 않는 간격입니다.

잔디는 두 번째 테스트를 추가합니다. 라크로스 공은 잔디 속에 파묻히듯 놓입니다. 케이지는 공이 그냥 굴러가 버리기 전에 와이어 사이로 밀어 넣을 만큼 세게 공을 눌러야 합니다. 그 힘은 드럼의 무게에서 나옵니다. 드럼이 너무 가벼우면 긴 잔디 속 공을 그냥 넘어가 버립니다. 기계가 만날 가장 긴 잔디에서 테스트하세요.

프로젝트에서 틀려도 가장 싸게 끝나는 곳이 여기입니다. 여기서 실패한 아이디어는 합판 약간, 와이어 한 묶음, 잔디 위에서 보낸 몇 번의 오후로 끝납니다. 금형을 깎은 뒤에 같은 아이디어가 실패하면 수천 달러가 듭니다.

4단계: 엔지니어링 프로토타입 및 테스트

아이디어가 성공하면, 디자이너는 실제 제품처럼 보이고 동작하는 프로토타입을 만듭니다. 모든 부품은 먼저 컴퓨터 모델에 그려집니다. 각 치수, 재료, 고정 장치가 나열됩니다.

프로토타입은 다섯 개의 주요 부품으로 이루어져 있습니다. 각 부분마다 고유한 공학적 질문이 있습니다.

와이어를 예로 들어 봅시다. 공이 하나 들어올 때마다 와이어 두 개가 휩니다. 종이 클립을 앞뒤로 구부리면 금방 부러집니다. 금속은 반복해서 휘면 지칩니다. 엔지니어는 이를 피로라고 부릅니다.

그러니 휘는 횟수를 세어 봅니다. 연습 한 번에 공 100개, 주 5회 연습, 30주 시즌이라고 가정합시다. 그러면 공은 15,000개이고, 공마다 와이어 두 개를 휘게 합니다. 한계보다 훨씬 낮은 응력에서 쓰는 스프링강은 그보다 훨씬 많은 횟수를 견딥니다. 와이어는 젖은 잔디 위도 굴러갑니다. 녹이 슬지 않도록 스테인리스이거나 코팅되어 있어야 합니다.

프로토타입은 한 줄씩 요구사항에 맞춰 테스트됩니다.

대부분의 프로토타입은 첫 시험에서 최소 한 번은 실패합니다. 그게 바로 테스트의 목적입니다. 각 실패는 기록됩니다. 설계가 변경됩니다. 그리고 다시 테스트를 진행합니다. 두세 라운드를 계획하세요.

5단계: 제조를 위한 설계

프로토타입은 가진 것으로 한 번에 하나씩 만듭니다. 공장은 제품을 수백, 수천 개 단위로 만듭니다. 제조를 위한 설계(DFM)는 공장이 빠르고 저렴하게, 매번 똑같이 만들 수 있도록 설계를 바꾸는 단계입니다.

여기서 대부분의 하드웨어 예산을 좌우하는 숫자를 만나게 됩니다. 바로 툴링입니다. 툴링은 공장이 첫 부품을 만들기 전에 필요한 금형과 지그를 말합니다. 제품이 단 한 대 출하되기도 전에 비용을 치러야 합니다. 플라스틱 부품 하나의 금형은 단순한 알루미늄 금형 약 $1,500부터 크고 복잡한 금형 $100,000까지 다양합니다.

제품 한 대당 비용은 다음과 같습니다:

C는 한 대당 비용입니다. N은 생산 대수입니다. T는 한 번 지불하는 툴링 비용입니다. M은 대당 재료 및 부품 비용입니다. L은 대당 조립 인건비입니다.

수집기의 엔드 디스크와 프레임 부품을 만드는 두 가지 방법을 비교해 봅시다. 방법 1은 3D 프린터로 출력해 손으로 조립합니다. 툴링은 프린터입니다. 방법 2는 사출 성형 부품을 씁니다. 모든 수치는 이 예시를 위한 가정이며 실제 견적이 아닙니다.

100대일 때 사출 성형 수집기 한 대에는 금형비 $300이 실립니다. 5,000대일 때는 같은 금형이 대당 $6만 더합니다. 두 방법의 비용은 약 516대에서 같아집니다. 툴링 비용 차이 $29,400을 성형으로 대당 절약되는 $57로 나눈 값입니다.

따라서 제품을 만드는 방식은 판매 예상 수량에 달려 있습니다. 수집기 50대가 필요한 리그라면 금형을 사서는 안 됩니다. 5,000대라면 3D 프린팅이 사출 성형보다 대당 $51 더 듭니다.

흔한 질문 하나에 대한 답도 여기에 있습니다. 프로토타입을 만드는 데 얼마가 드는가? 프로토타입 자체는 작은 숫자입니다. 결정적인 것은 그 뒤에 따라오는 툴링입니다.

6단계: 파일럿 생산과 양산

본 주문 전에 공장은 파일럿 생산이라는 소량 배치를 만듭니다. 공정에 따라 보통 30~300대입니다. 설계는 4단계에서 확정되었습니다. 이제 시험대에 오르는 것은 공장입니다. 라인에서 부품이 제대로 맞물리는지, 100번째 제품이 첫 번째 제품과 같은지 확인합니다. 포장 상자까지 제품에 맞는지 점검합니다.

파일럿 생산에서 발견한 문제는 몇 대 분량의 비용으로 끝납니다. 같은 문제를 출하 후에 발견하면 이미 5,000개의 상자 안에 들어 있습니다.

그런 다음 양산이 시작됩니다. 이제부터의 일은 점검입니다. 부품은 입고될 때 검사합니다. 완성품은 무작위로 테스트합니다. 모든 변경 사항은 기록으로 남깁니다.

이 예시의 한계

• 모든 비용과 $250 가격 목표는 산술을 보여주기 위해 선택된 가정입니다. 실제 프로젝트는 실제 견적을 받습니다.
• 스쿼시 공 수집기는 이 예시에서 개념 단계 이후로 개발하지 않았습니다.
• 전자, 소프트웨어, 안전 인증은 포함되지 않습니다. 푸시 롤러는 이 중 어느 것도 필요하지 않습니다. 많은 스포츠 제품은 세 가지 모두 필요합니다.

자주 묻는 질문

디자이너와 상담하기 전에 특허가 필요한가요? 아닙니다. 비밀유지계약서는 대화를 보호합니다. 특허를 출원할지 여부는 특허 변호사가 판단할 별개의 문제입니다.

개념 증명을 건너뛸 수 있나요? 드물게요. 가장 저렴한 단계입니다. 이후 모든 단계는 그 과정이 주는 답변에 달려 있습니다.

기계 한 대로 두 종목을 모두 감당해야 할까요? 처음에는 아닙니다. 문제가 가장 분명한 종목에 맞춰 만든 뒤, 다른 종목에 맞게 조정하세요.

전체 과정은 얼마나 걸리나요? 2개월에서 2년 사이가 걸릴 수 있습니다. 요구사항, 예산, 그리고 투지에 따라 다릅니다.

저희의 역할

출처: NOCSAE ND049-19, 새로 제조되는 라크로스 공의 표준 성능 규격 · 스쿼시 공 규격, Wikipedia의 요약 · 구의 무작위 최밀 충전 · Kollectaball K-Field 공 수거기 · Protolabs: 사출 성형 가격 · Xometry: 사출 성형 비용 · Fictiv: 파일럿 생산 · StudioRed: 제품 디자인 비용 · Cad Crowd: 설계 및 프로토타이핑 요율. 관련 글: 하드웨어 프로토타입에 드는 비용 · 아이디어를 제품으로 만드는 방법.