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[오토저널] 차량 개발과정과 3D 프린팅

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-08-22 17:24:48

본문

완성차 업체의 공장에서 자동차가 분당 한대씩 생산된다 하여도 과언이 아닌 요즈음, 미국의 Local Motors라는 회사는 무려 44시간만에 차체와 샤시를 만들고, 엔진 및 변속기 등 나머지 부속품을 조립하는데 추가로 며칠을 더 들여, 총 6일만에 겨우 한대를 만들어 내어 화제가 되었다. 그 이유는, 이 차가 박람회장내 작은 부스에서 합성수지를 뽑아내는 프린터에 의해 프린트 되어진 차이기 때문이다. 이 차의 이름은 Strati이다. Local Motors는 작년 시카고에서 열린 세계 생산 기술 박람회(International Manufacturing Technology Show)에 프린터를 가져와 박람회에 참가한 사람들이 보는 앞에서 차를 완성시켰고, CEO가 직접 완성된 차를 몰고 나갔다(동영상 : https://youtu.be/TKkXRlli-aw).

 


자세히 보면 치약이 쥐어짜여 층층이 쌓인듯한, 다소 어색해 보이는 표면을 가진 이 차량이 가까운 미래에 기존 완성차들을 대체할 것 같지는 않다. 다만 이는 3D 프린팅 기술이 어디까지 발전했는지 보여주는 획기적인 사례임에는 틀림이 없다. 오바마 대통령이 생산방식의 혁명이라고 신년 연설에서 직접 언급하여 유명해진 3D 프린팅 기술이 미국자동차 산업에 어떤 영향을 미치고 있는지 살펴보겠다.

프린팅 기술의 적용단계

3D 프린팅은 1980년대 척 홀(Chuck Hall)에 의해서 발명되었다. 3차원의 물체를 만들때 기존의 깍는 방식(Subtractive manufacturing)과는 반대로 한겹씩 얇게 쌓아 올려서 제품을 완성하는 방식이기에 적층 가공(Additive manufacturing)이라 불리기도 하며 초기에는 시제품 개발에 중점을 두고 있어서 Rapid prototyping으로도 불리고 있다.

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3D 프린팅의 가장 큰 장점은 복잡한 모양의 제품을 단기간에 만들수 있다는 것이며, 단적인 예로 공동(Hollow)인 제품을 별다른 어려움 없이 만들 수 있다. 또한 레진, 실리카, 모래 또는 금속가루 등 여러 재료를 기반으로 물체를 생산해 낼 수 있으며, 생산품의 크기는 프린터 크기에 의해서만 제약을 받고 있다. 앞서 언급한 Strati는 ABS와 탄소 섬유혼합물로 만들어졌으며 프린트 할 수 있는 제품의 최대 크기는 2×4m이다. 이러한 3D 프린팅 기술의 자동차 업체 적용 단계를 분석해보면 다음과 같다.

첫번째는 기본적인 디자인 시제품을 한두대의 프린터로 만들어 내는 단계이다. 필요한 경우에 한하여 소량/소형의 시제품을 만들어 제품 개발 기간과 비용을 약간 줄이는 것으로서, 주요 완성차 업체들은 이미 이 단계를 넘어섰다고 볼 수 있다. 최근에 들어서 프린터를 구입했다는 미쓰비시는 현재 이 단계에 속해있다고 볼 수 있는데, 프린팅 기술의 저변이 확대되어 있으므로 미쓰비시를 포함한 후발 주자들도 이 단계를 넘어서는데 오래 걸리지 않을 것이다.

두번째는 다수의 다양한 프린터를 디자이너 뿐만 아니라 엔지니어들이 이용하는 단계이다. 디자이너와 엔지니어들은 저렴하게 프린팅된 부품들을 바탕으로 창의적인 아이디어를 제시하고 발전시킬 수 있으며, 이 단계에 이른 업체들은 부품개발시 여러개의 시제품들을 만들어낸후 비교 분석을 통해 최종 디자인을 결정하기도 한다.
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세번째는 시험 차량 및 컨셉 차량에 이용되는 부품을 프린트하는 단계이다. 3D 프린팅 기술을 일찌감치 받아들인 회사들은 현재 이 단계까지 올라와 있다. 이러한 업체들은 다양한 프린팅 방식들과 재료들을 이용하여 실제 차량에 이용되는 부품을 프린트하고 이를 이용하여 다양한 실험을 한다.

네번째는 프린터를 이용하여 실제 양산 차량에 이용되는 부품을 생산하는 것은 물론, 양산 라인에 이용되는 도구들과 공구들 또한 프린터로 만드는 단계이다. 아직 이 단계까지 이른 완성차 업체는 없지만 소량 생산이 가능한 고성능 자동차 또는 레이싱 차량 제작 업체들은 현재 이 단계까지 올라와 있다.

적용 사례

3D 프린팅 기술이 실제 자동차 산업에 적용되고 있는 사례들은 크게 3가지로 정리할 수 있다.

●기존 시제품 제작 방법 대체
기존에는 자동차 개발 과정에서 필요한 시제품의 제작에 있어 CNC 밀링이 최적의 방법이었는데, 이 방법은 높은 비용, 복잡한 제작 방식 그리고 긴 제작 시간이라는 단점이 있었다. 그러나 자동차 업체들이 3D 프린터를 이용하여 시제품을 프린트 함으로써, 그비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 개발 시간 단축까지 할 수 있게 되었다.

포드는 3D 프린팅 기술에 일찍부터 관심을 가지고 있었으며 앞서 언급한 척 홀이 만든 세번째 프린터를 이미 30년 전 구매한 것으로 알려져 있다. 포드는 현재 여러 곳의 연구소에서 다양한 재료들을 이용하여, 부품들을 짧게는 몇 시간 길어야 몇 일만에 프린트하고 있다. 한 연구소에서는 연간 2만개의 부품을 다수의 프린터가 만들고 있는데 이는 5년 전보다 다섯배가 넘는 규모이며, 이러한 방식을 통해 엔진 시제품을 제작하는 비용 또한 이전에 비해 1/10로 줄일 수 있었다.

포드의 또 다른 프린터는 주당 15t의 모래를 이용하여 여러 모양의 주형을 제작한다. 기존 방식으로 만들어진 주형은 가격이 비쌀뿐만 아니라 디자인에 변화가 생기면 무용지물이 되지만, 주형을 모래로 프린팅하면 비용이 적게 들뿐만 아니라 디자인 변화에 유연하게 대응할 수 있다.

●향상된 생산 도구 개발
3D 프린팅을 이용할 경우 엔지니어들은 생산라인에서 이용되는 도구를 보다 인체공학적으로 사용하기 편리하게 만들 수 있으며, 이는 기존의 도구보다 좋은 결과를 낼 수 있게 한다. 완성차 생산에 이용되는 도구들 또한 완성차 생산과 비슷한 수준의 제품 개발 수순을 밟게 된다. 그리하여 그 도구들의 모양은 제작 시설에 의해 제한을 받고 있으며, 복잡한 형상의 도구나 공구들은 여러 제작 단계를 거쳐야만 만들 수 있는데, 프린팅 기술은 이를 용이하게 하는 것이다.

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●디자인 향상 및 문제점 발견
시제품을 모니터 화면상에서 캐드도면을 통해 보는 것과 손에 직접 들고 이리저리 살펴보는 것은 분명히 차이가 있다. 모니터 화면에서는 질감의 개념이 불분명하기에 디자인의 문제점을 찾기가 쉽지 않은 단점이 있다. 이와 같은 단점을 조금이나마 극복하기 위해서 대형 시뮬레이션 룸을 만들어 놓고 3차원의 화면으로 부품들을 살펴보는 업체도 있다. 하지만 3D 프린팅된 부품을 직접 만져보고 테스트할 경우, 개발 초기에 문제점을 보다 쉽게 파악할 수 있으며, 그에 대응할 수 있는 시간적 여유를 얻을 수 있다. 

GM은 말리부 차량의 개발과정에서 센터 콘솔에 이용되는 다양한 표면 질감을 프린터로 재현함으로써, 비싼 주형제작을 거치지 않고 최적의 디자인을 찾을 수 있었다.

FCA그룹은 측면 거울 모양을 결정하는데 프린팅 기술을 이용하고 있다. 기존에는 하나의 디자인으로 시작해서 실험을 수행한 후 문제가 생기면 디자인 수정을 거치는 과정을 반복하였으나, 프린팅 기술을 이용함으로써 여러개의 디자인을 동시에 평가할 수 있게 되었다. 즉, 여러 거울 모양을 프린팅한 후 동시 다발적으로 풍동 실험을 거쳐서 빠른 시간내에 최적의 디자인을 고를 수 있게 된 것이다. 따라서 시제품 제작과 실험에 들어가는 시간을 단축함은 물론, 발생 가능한 문제점을 차량 출시 이전에 충분히 알아낼 수 있다.

또한, FCA그룹에서는 차동장치(Differential) 하우징을 3D프린팅 기법으로 제작하면서 투명한 재료를 이용하여, 내부가 보이면서도 기계적인 하중을 견딜수 있는 부품을 만들고 있다. 이는 내부 기어와 부품들의 움직임 뿐만 아니라 윤활 정도를 눈으로 직접 확인할 수 있다는 장점이 있다.

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이상에서 본 바와 같이 3D 프린팅 기술은 이미 미국 완성차 업체들의 자동차 개발 과정에 상당한 기반을 내리고 있으며, 저렴한 제작 비용과 개발 시간의 단축이라는 장점을 가지고 있다. 즉, 밀링 혹은 주형 제작과 같은 복잡하고 비싼 시제품 제작 방식에 얽메이지 않게 되었으며 시제품이 직접 손에 들어올 때까지 오랜 시간을 기다릴 필요가 없어진 것이다. 특히 자동차를 개발하는 입장에서, 3D 프린팅 기술은 여러 디자인을 비교하는 과정 및 디자인한 시제품이 손에 들어오기까지의 시간을 크게 단축하여, 신차 출시 과정에서 발생할 수 있는 리스크를 줄일 수 있다는 점에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 한편 현재로서는 자동차의 개발 단계가 아닌 양산 단계에서 3D 프린팅 기술의 큰 역할을 기대하기는 어렵다.

지금의 라인생산 방식이 대량 생산에 맞추어 가격, 시간 면에서 최적화 되어 있기 때문이다. 그러나 앞서 살펴보았듯이 자동차 양산에 필요한 각종 도구의 제작 또한 3D 프린팅이 적용될 수 있으므로, 향후 3D 프린팅 기술이 일부 양산 과정에서 다양한 형태로 접목되어질 가능성도 있다고 보여진다.

 

글 / 이재원 (미시건대학교)

출처 / 오토저널 16년 1월호 (http://www.ksae.org)     

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