3D 프린팅 자동차로 가는 길: 3D 프린팅이 자동차 산업에 가져오고 있는 12가지 변화

오늘날 조립 라인에서 나오는 신차 3대 중 1대는 Brose에서 제조한 구성품을 최소한 하나는 장착하고 있습니다. Brose는 세계 5대 가족 소유 자동차 공급업체 중 하나입니다. 매년 점점 더 많은 부품이 3D 프린팅으로 제작되고 있습니다.

Brose는 BMW X7 시트 조립을 위해 생산 일정에 영향을 미치는 공급망 문제를 해결하기 위해 창의적으로 생각해야 했습니다. 시트 프레임의 베이스에 사용되는 클립 하나에 대해 Brose의 시트 프로토타이핑 매니저인 Matthias Schulz는 SLS 기술의 대량 생산 잠재력과 내구성 있는 소재를 활용하기로 결정했습니다.

Brose 팀은 Fuse 1+ 30W SLS 3D 프린터 2대로 Nylon 12 GF Powder를 사용하여 단 몇 주 만에 250,000개의 시트 클립을 프린팅했습니다. OEM인 BMW와 협력하여 Brose 팀은 3D 프린팅된 클립을 시트 어셈블리에서 장기적으로 최종 사용을 위해 인증했습니다. SLS 3D 프린팅을 사용하면 전체 생산 일정을 계획대로 진행할 수 있습니다. 이러한 임시 제조 옵션이 없었다면 X7 모델의 출시가 수개월 동안 지연되었을 것입니다. 새로운 사출 성형 마스터를 설계, 기계 가공, 생산에 투입한 다음 해외에서 배송해야 했기 때문입니다.

MOSOLF Special Vehicles GmbH의 프로젝트 계획 책임자인 카스텐 부섬(Carsten Busam)의 추정에 따르면 독일에서 3분의 1이 넘는 경찰 차량에 적층 방식으로 제조된 부품이 장착되어 있습니다. MOSOLF는 매년 경찰차와 응급 서비스 차량 등 1,000대의 '특수 차량'을 생산합니다. 워크플로에 Fuse 1+ 30W SLS 3D 프린터를 여러 대 추가한 덕분에 이제 차량의 성능을 향상시키는 최종 사용 자동차 부품과 액세서리를 3D 프린팅할 수 있게 되었습니다. 

응급 구조대원에게는 운송 수단과 도구의 품질을 신뢰할 수 있어야 합니다. MOSOLF는 Nylon 12 Powder로 자동차 브래킷, 마운트, 지그, 홀더 등을 3D 프린팅합니다. 견고한 SLS 파우더의 내구성 덕분에 응급 구조대원의 사용으로 인한 마모를 견딜 수 있는 최종 사용 부품으로 사용할 수 있습니다. 부섬과 그의 팀에게 SLS 3D 프린팅은 소재의 내구성뿐만 아니라 속도 면에서도 차이를 가져다 주었습니다.

산업용 차량의 전자, 유압, 소프트웨어 어셈블리용 기계 솔루션을 제조하는 독일 기업 IBL Hydronic에서는 SLS 3D 프린팅을 통해 최종 사용 부품을 소량으로 설계 및 제조하는 빠르고 효율적이며 경제적인 방법을 찾았습니다.

IBL Hydronic이 최근 진행한 프로젝트에는 특정 기계에 맞춰야 하는 농기계 제조업체를 위한 제어판 개발이 포함되었습니다. 단 한 달 만에 프로토타입 제작, 조립, 테스트를 마친 IBL은 고객에게 완성된 솔루션을 제공했습니다.

차량 부품 하우징은 Fuse 1 SLS 3D 프린터로 프린팅한 후 조립하여 가죽 팔걸이 패드를 장착했습니다. 기능뿐만 아니라 시각적으로도 매력적인 디자인을 만들기 위해 팀은 디자인 과정에서 3D 모델 표면에 텍스처를 추가했습니다. 그런 다음 SLS 3D 프린트로 제작한 컴포넌트를 매끄럽게 다듬고 염료 배스를 사용하여 색을 입혔습니다. 그 결과 가죽과 같은 표면 질감이 특징인 SLS 3D 프린트로 완전히 제조된 최종 사용 컴포넌트로 구성된 어셈블리가 외관을 향상하고 전체 디자인을 완성합니다.

12 Pollici Italian Cup 레이싱 챔피언십에서 우승한 Elia Marescutti는 Form 시리즈 SLA 3D 프린터로 Rigid 10K Resin을 사용하여 프린트한 흡기 매니폴드로 경주를 펼쳤습니다.

3D 프린팅 매니폴드는 고성능 레이스의 스트레스를 견뎌냈을 뿐만 아니라 실제로 기존의 기계 가공 알루미늄 매니폴드보다 더 나은 성능을 발휘했습니다. 열화상 카메라를 사용하여 Rigid 10K Resin 매니폴드의 온도를 측정했더니 기존 알루미늄 부품보다 온도가 40~50 °C 더 낮았고 훨씬 더 빨리 식어 경주에서 우승한 후 조립품을 더 쉽게 다룰 수 있었습니다.

수많은 성공적인 비즈니스가 그렇듯 BTI 게이지는 시장의 틈새에서 시작했습니다. 설립자이자 소유주인 브랜든 토크미트(Brandon Talkmitt)는 고성능 자동차의 원격 측정 디스플레이를 맞춤형으로 제작하고 싶었습니다.

토크미트는 앞 유리가 여러 화면과 주의를 산만하게 하는 판독값으로 뒤덮이지 않도록 여러 성능 메트릭이 포함된 게이지를 찾아보았지만 실패했습니다. 이후 FDM 3D 프린터로 게이지 외장 케이스를 프로토타입으로 제작하고 자동차와 오븐 내부의 고온 환경에 케이스를 노출시켜 직접 테스트한 후 여러 자동차 모델에 맞게 디자인을 수정했습니다. 최종 사용 생산 방법을 평가한 후 Talkmitt는 내구성과 내열성을 고려하여 SLS 3D 프린팅으로 결정했습니다.

맞춤형 디자인을 며칠 만에 완성할 수 있는 능력 덕분에 1990년대 스타일의 일본 경주용 자동차, 람보르기니, 닷지 바이퍼, 기타 고성능 차량을 운전하는 고객들로부터 즉각적인 관심을 받았습니다. Talkmitt는 빌드 챔버를 효율적으로 채우는 방법을 배워 거의 제로 웨이스트 워크플로를 달성하고 전체 비용을 절감할 수 있었습니다.

Fuse 1과 같은 고품질 SLS 프린터로 사내 제조를 구현함으로써 생산력을 통제하고 확보할 수 있었으며, 이를 통해 기존 제조 방식이나 외부 공급업체에 의존하는 업체보다 훨씬 앞서 나갈 수 있었습니다. "누구에게나 추천하고 싶습니다. Fuse 1은 저희에게 게임 체인저와 같았습니다.”라고 Talkmitt은 말합니다.

Brose의 Additive Technology 팀이 SLA 및 SLS 프린터를 운영하는 Brose North America에서 용접 로봇은 다양한 제품 라인 간에 지속적으로 전환해야 합니다. 공장에서는 용접 기계가 하나의 제품 라인에 맞게 프로그래밍되어 있는 반면, 본사에서는 두 대의 로봇 기계가 각기 다른 제품 라인의 시트 프로토타입을 용접하는 작업을 담당합니다.

로봇이 새로운 제품 라인으로 전환해야 할 때마다 용접 부서에서는 매개변수를 다시 프로그래밍해야 합니다. 프로토타입 금속 레일을 사용하여 용접 로봇을 프로그래밍하는 작업은 비용이 많이 들고, 용접 스테이션이 장비를 교육할 준비가 되었을 때 이러한 레일을 사용할 수 없는 경우가 많습니다. 3D 프린팅은 설치 파트에 속도와 치수 정확성이 필요하므로 빠르고 저렴한 솔루션을 제공합니다.

Dorman Products는 100년 역사의 자동차 부품 제조업체로 3D 프린팅을 활용하여 생산 일정을 단축하고 품질을 향상시켰습니다. 주문자 상표 부착 생산(OEM)에 새로운 제조사와 모델이 지속적으로 추가되는 상황에 대응하는데 두 곳에 분산 배치된 3D 프린터 12대의 역할이 컸습니다.

제품마다 기능이 모두 다르므로 테스트 프로토콜과 유효성 검사 프로세스도 각각 다릅니다. 서로 다른 두 부품의 검증 프로세스에서 유체 흐름 테스트가 필요한 경우에도 두 부품의 형상이 다르므로 부품을 제자리에 고정할 수 있는 고정구가 개별적으로 필요합니다.  여기서 3D 프린팅이 등장합니다. 도먼은 각 부품에 맞는 맞춤형 테스트 고정구를 설계하고 같은 날 프린트할 수 있습니다. 기계 공장에서 고정구와 게이지가 도착하는 데 5~10주가 걸릴 수 있습니다.

적층 기술 팀은 뉴보스턴 팀과 협력하여 자기 커넥터 라인을 설계했습니다. 라인과 시트 프레임에 쉽게 부착되지만, 기술자가 코드를 수동으로 제거하지 않고 시트 프레임을 떼어내면 손상 없이 분리됩니다. 3D 프린팅 자동차 제조 보조 도구는 기계의 마모를 줄이고 작업자의 실수 발생률을 줄여 교체 비용을 절감하고 회사의 가동 중지 시간을 줄일 수 있습니다.

Pankl Racing Systems는 엔진과 구동계 부품을 개발 및 제조하는 전문 기업으로, 포뮬러 1 자동차와 마린 원(미국 대통령이 탑승하는 미 해병대 항공기) 등 레이싱카, 고성능 차량, 항공우주 분야에 공급합니다.

Pankl은 최종 사용 부품을 직접 설계해야 할 뿐만 아니라 이러한 부품을 제작하기 위해 일련의 맞춤형 지그, 고정구 및 툴링 구성 요소도 개발해야 합니다. 이러한 파트는 소량 생산에 매우 특화되어 있기 때문에 3D 프린팅이 가장 비용 효율적이고 효율적인 제작 방법임이 입증되었으며, SLA 3D 프린터와 소재를 도입함으로써 Pankl의 전체 개발 비용을 크게 절감할 수 있었습니다.

차량 기어박스 어셈블리의 경우 Pankl은 강철 부품을 가공한 후 여러 번의 추가 가열 및 냉각 공정을 거쳐야 했으며, 각 공정마다 맞춤형 지그가 필요했습니다. 이 지그를 기계 공장에 외주를 주면 일정에 6주가 더 걸렸을 것이므로 대신 Pankl은 Form SLA 3D 프린터에서 Tough 1500 레진의 초기 버전을 사용하여 3D 프린팅을 했습니다.

포드 모터 컴퍼니는 규모로 세계 6위에 해당하는 자동차 제조사로, 매년 4백만 대가 넘는 차량을 생산하며 전 세계를 통틀어 175,000명이 넘는 직원을 거느리고 있습니다. 포드 유럽 지사의 심장부는 1930년에 설립된 포드 쾰른이며, 이곳은 포드 피에스타를 조립하는 곳으로 유명세를 얻었습니다.

새로운 전기 모델을 개발하는 경쟁에서 반복 속도가 모든 것입니다. 포드의 디자인 팀은 매일 자동차 부품을 구상하고 3D 프린팅하여 실제로 자동차 내에서 적합성과 감각을 테스트할 수 있었습니다.

Formlabs의 가장 빠르게 성장하는 영국 리셀러인 SolidPrint 3D의 고객인 Vital Auto는 고급 도구와 대규모 Form 3L 및 Fuse 1 프린터를 포함한 다양한 도구를 사용하여 반복 작업을 신속하게 수행하여 고충실도 프로토타입과 콘셉트 카를 제작합니다.

Volvo, Nissan, Lotus, McLaren, Geely, TATA 등 다양한 고객이 Vital Auto를 찾아와 이전에는 볼 수 없었던 자동차 컨셉에 대한 아이디어를 제시합니다.

완전히 새로운 것을 설계, 테스트 및 제작하기 위해 Vital Auto는 다양한 소재로 최고 품질의 파트를 생산할 수 있는 3D 프린터를 사용합니다. Form 4L, Form 4, Fuse 1+ 30W 프린터를 포함한 14대의 3D 프린터가 24시간 내내 가동되어 반복 작업의 규모를 맞추고 있습니다. 에어 벤트에서 도어 씰, 브레이크 캘리퍼, 도어 핸들에 이르기까지 3D 프린터는 작업 흐름에서 필수적인 부분입니다.

영국에 본사를 둔 애프터마켓 차량 성능 부품 제조업체인 Forge Motorsport는 Formlabs 3D 프린터를 사용하여 Toyota Yaris GR과 같은 OEM 모델의 최종 사용 자동차 부품을 프로토타이핑하고 기능적으로 테스트합니다.

모델이 출시되자 Forge는 인렛 덕트의 크기를 늘리고 에어박스 개구부를 이동하여 자동차의 성능을 개선할 수 있는 기회를 발견했습니다. 이러한 변화는 흡입 공기 온도의 변동을 줄이고 운전자가 엔진 성능을 예측하기 쉽게 만들며 전체 온도를 낮춥니다. Toyota의 부품과 주변 조립품을 역설계한 후 Solidworks에서 공기 흐름을 시뮬레이션한 다음 새로운 모델을 설계할 수 있었습니다. Draft Resin으로 차량의 인렛 덕트를 신속하게 3D 프린팅하여 적합성을 확인한 후 Tough 1500 Resin으로 최종 사용 기능을 확인했습니다.

고객은 3D 프린팅 부품을 Yaris GR에 5개월 동안 사용하면서 다양한 조건에서의 성능에 대한 데이터를 수집했습니다. 재설계된 부품은 예상대로 성능이 향상되었습니다. 기존 부품의 온도 편차는 42~45°C였던 반면, 3D 프린팅 부품의 IAT는 35~36°C로 측정되었습니다. 역설계와 자동차 부품 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보려면 Forge Motorsport와 함께 진행한 웨비나를 시청해 보세요.