3D 프린팅은 도먼사가 자동차 OEM 분야와 보조를 맞추는 데 도움이 되었다

도먼 프로덕츠는 자동차 애프터마켓 부품을 제작하는 데 Formlabs의 Form 3 및 Form 3L 광경화성 수지 조형 방식 프린터를 사용합니다.

컴퓨터 칩 부족, 배송 지연, 공장 가동 중단으로 인해 지난 2년 동안 신차와 중고차 가격이 모두 급등했습니다. 차량을 소유하고 계신 분들은 현재의 차량 보증이 만료된 후에도 새 자동차나 트럭을 구매할 수 없는 경우가 많으므로 차량을 원활하게 운행하려면 예약을 거쳐 유지보수 및 정기 서비스를 받는 일이 점점 더 중요해지고 있습니다. 자동차 제조업체는 대리점에서 부품을 판매하고 서비스를 제공하지만 독립 수리점에서 겪고 있는 것과 동일한 공급망 문제를 겪고 있고 때로는 일반 운전자에게 독립 수리점만큼 저렴하지 않은 경우도 있습니다.

100년 전통의 경상용차 및 대형차 애프터마켓 자동차 부품 제조업체인 도먼 프로덕츠(Dorman Products)는 제조 방법을 3D 프린팅으로 전환하여 생산 일정을 단축하고 품질을 높였습니다. 주문자 상표 부착 생산(OEM)에 새로운 제조사와 모델이 지속적으로 추가되는 상황에 대응하는데 두 곳에 분산 배치된 3D 프린터 12대의 역할이 컸습니다.

도먼의 적층 제조 책임자인 크리스 알레바흐와 기계 설계 팀 매니저인 에릭 트라이슨은 Form 2, Form 3, Form 3L 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린터와 FDM 몇 대로 신규 품목을 신속하게 프로토타이핑하고 프로세스 검증맞춤형 지그와 고정구를 제작합니다.

알레바흐는 “OEM에는 단일 파트를 설계하는 팀이 있고 때로는 새 차가 나오는 시점보다 2년이나 앞서 설계를 시작하기도 합니다. 우리는 신뢰할 수 있는 부품을 제작하는 동시에 짧은 시간 안에 시장에 출시할 방법을 찾아야 합니다.” 3D 프린팅으로 즉석에서 설계를 반복하고 변경할 수 있었던 덕분에 과거에는 할 수 없었던 프로젝트를 진행할 수 있는 가능성이 열렸습니다. 품질이 좋을 것이라는 점을 신뢰할 수 있어서 작업에 더욱 자신감을 갖게 됩니다."라고 설명합니다.

도먼 프로덕츠는 여기에서 볼 수 있는 Form 3L, Form 3+, Form 2 광경화성 수지 조형 방식 프린터를 사용합니다.

도먼사의 엔지니어는 Form 2, Form 3+, Form 3L 프린터를 사용합니다

100,000개 이상의 다양한 제품 제작

도먼사에서 취급하는 제품은 가짓수가 믿기 어려울 만큼 방대하여 수백 종의 차량에 들어가는 118,000개의 부품 데이터베이스(2021년 12월 25일 기준)를 설계 및 관리하고 있습니다. 트라이슨에 따르면 "자동차용 부품의 상당 부분을 포괄하는 제품을 광범위하게 취급하고 있으며, 역사적으로 매년 4,000~5,000개의 새로운 부품을 출시하고 있습니다."라고 합니다.

도먼사가 취급하는 제품은 키 포브와 기본 엔진 부품부터 복잡한 전자 모듈과 대형 트럭용 부품에 이르기까지 다양합니다. 도먼사는 OEM 부품의 고장을 분석하고 제품을 리버스 엔지니어링하며, 경우에 따라서는 설계를 완전히 재고하고 개선합니다. 그들은 전체 차량 시스템을 완전히 이해하고 개선 작업을 마친 디자인을 검증하기 위해 종종 원래 부품을 찾으러 나가기도 하고, 때로는 부품이 아닌 차량 전체를 구매하기도 합니다.

디자인 프로세스에서는 먼저 디자인을 변경할 수 있도록 디지털로 재현해야 합니다. 그런 다음 부품을 Dorman 계측 연구실로 보내 비접촉식 레이저 스캐닝 또는 접촉식 프로브로 측정하여 정밀도 수준을 높입니다. 그런 다음 벤치마크 데이터를 다시 알레바흐와 트라이슨의 팀으로 전송한 후 솔리드웍스로 부품을 리버스 엔지니어링합니다.

리버스 엔지니어링에 사용되는 3D 스캐닝과 3D 프린팅
백서

리버스 엔지니어링과 기타 응용 분야에 사용되는 3D 스캐닝과 3D 프린팅

이 보고서에서는 이 두 기술의 주요 사용 사례를 몇 가지 다루고 현재 3D 스캐너 시장을 개략적으로 설명합니다

백서 다운로드

트라이슨은 “디자이너가 형상과 치수가 정확한지 이중으로 확인할 수 있도록 프로토타입을 재빨리 만든 다음 제품 엔지니어가 검토하도록 보낸 다른 3D 프로토타입으로 마무리 합니다. 그들은 부품을 직접 눈으로 보거나 차량의 결합 구성 요소와 함께 사용해보고 잘 맞는지 확인하고 싶어하죠"라고 설명합니다.

그러나 알레바흐와 트라이슨의 부서는 단순히 부품을 교체하는 데서 그치지 않습니다. 도먼사의 OE FIX™ 라인의 부품을 취급할 때는 오리지널 디자인을 개선하려고 노력하고 있습니다. 트라이슨은 “단순한 리버스 엔지니어링이 아니라 부품이 고장난 이유와 개선 방법을 분석하고 결정합니다. 결과적으로 대개 재료나 디자인을 변경하게 됩니다. 이렇게 재설계 과정을 마치면 프로토타입을 제작한 후 기능 테스트를 하고 싶어지죠."라고 전합니다.

OE FIX™ 부품 프로토타입 제작

한 가지 예로 많은 자동차 소유주들이 고장을 일으켰던 엔진 부품을 들 수 있습니다. 원래 플라스틱으로 제작했던 부품이라 엔진에서 발생하는 열에 계속 노출되면 금이 갑니다. 도먼사의 팀은 부품을 분석하고 계측 팀에 스캔을 의뢰한 후 주조 알루미늄으로 부품을 재설계하기로 결정했습니다. 다른 소재로 제품을 설계하는 것은 단순히 1대1로 소재를 변경하는 데서 그치지 않았습니다. 부품의 구조가 다이 캐스팅에 적합해야 했기 때문입니다. 재설계에도 불구하고 부품의 성능이 동일하게 유지되도록 하려면 프로토타입을 광범위하게 제작하고 각 반복 설계를 테스트해야 했습니다. 

트라이슨은 "이러한 설계 반복 작업을 몇 시간 만에 완료하고 하루에 반복 작업을 두 번 완료할 수 있다는 점은 얼마나 유용한지 모릅니다. 3D 프린팅이 등장하기 전에는 처음부터 제대로 만들어내는 것이 이룰 수 없는 꿈과 희망이었습니다. 처음부터 제대로 만들 수 있다 하더라도 올바른 물품을 다시 받기 위해 몇 주 또는 몇 달을 허비하다가 첫 번째 물품을 받은 후 수정한 후 다시 보내야 한다는 사실을 깨닫게 됩니다."라며 어려움을 토로합니다.

디자인 프로토타입을 인하우스 방식으로 제작할 수 있게 되자, 도먼사는 기능 테스트를 수행하여 부품이 여전히 동일하게 작동하는지 확인했습니다.

많은 자동차 소유주들이 고장을 일으켰던 엔진 부품을 재생산하여 시제품을 제작했습니다.

많은 자동차 소유주들이 고장을 겪은 엔진 컴포넌트이며, 여기에 보이는 것은 도먼의 재설계 과정에서 제작한 반복 설계품입니다.

검증 과정

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. 

시험용 고정구 제작은 Formlabs 프린터로 할 수 있는 가장 기본적인 작업입니다. Elastic Resin에서 Rigid 10K Resin까지, 그리고 그 사이의 모든 재료를 프린팅할 수 있었고 리드 타임과 비용 측면에서 엄청난 일이었습니다.

크리스 알레바흐(Chris Allebach), Dorman Products 적층 제조 책임자

3D 프린터를 워크플로에 도입하기 전에는 맞춤형 테스트 설비가 필요하다보니 신속하게 개발하기가 어려웠습니다. 매년 새로운 모델을 생산하는 OEM을 따라잡아야 하는 도먼과 같은 기업은 속도가 느려지면 새로운 제품을 출시할 기회를 놓칠 수 있습니다. 

각 제품마다 고유한 고정구가 필요하므로 대량 주문이 어렵고 비용 효율적인 사출 성형도 불가능했습니다. 유일한 옵션은 기계 가공을 하는 것이었는데, 이는 비용과 시간이 많이 소요되는 작업이었습니다. 설계가 완벽한지 확인한 후 부품을 발송하고 몇 주를 기다려야 부품 검증을 마칠 수 있었습니다. 

“고정구와 게이지의 경우 기계 공장을 방문해야 하는데, 5~6주 정도 걸립니다. 비용 측면에서는 부품당 5~10배의 비용이 들고 기존 제조 기술로는 형상을 구현하는 데 한계가 있었습니다. 알리바흐는 “이제 3D 프린터로 제품 프로토타입과 테스트용 고정구, 게이지를 함께 개발하므로 최종 디자인을 결정할 때 테스트할 고정구도 동시에 얻을 수 있습니다. 가능한 한 적극적으로 대응하고 있죠.”라고 합니다.

어떤 검증 프로세스에는 압입 호스 테스트용 3D 프린팅 테스트 고정구가 두 개 필요했습니다. 한쪽 끝의 호스를 막고 유체를 통과시켜 압력의 한계를 알아내기 위해 고정구 하나를 만들었습니다. 다른 고정구는 실제 자동차 후드 아래에 있는 대형 라디에이터의 결합 지오메트리를 시뮬레이션하기 위해 제작했습니다. 라디에이터의 결합 부분만 3D 프린팅할 수 있다는 것은 테스트 팀의 기동성이 향상되었다는 것을 의미하며, 또한 부품을 제조 조립 라인으로 보내 라인에서 출고할 때 추가 품질 관리 프로세스로 검증 테스트를 실행할 수 있다는 것을 의미하기도 했습니다.  

트라이슨은 “결합되는 부품이 거대한 라디에이터인 경우, 작은 부분만 잘라내기 위해 라디에이터 여러 개를 구입하여 배송받지는 않을 것입니다. 이런 방식으로 우리는 필요한 것을 만드는데, 그것도 대량으로 만들어서 배포합니다. 결국 하나가 고장 나면 몇 달러만 들여서 또 하나 프린팅하면 됩니다."라며 만족스러워합니다.

압입 호스 테스트용 테스트 고정구.

압입 호스 테스트를 위한 두 개의 테스트 고정구 중 하나. 

다른 하나의 맞춤형 테스트 고정구.

맞춤형 고정구는 결합 형상을 시뮬레이션할 수 있도록 제작되어 맞춤 테스트용으로 전체 라디에이터를 구매할 필요가 없습니다.

Go/No Go 테스트에서 요하는 엄격한 공차

제품을 진열대에 올리고 고객의 자동차에 설치하기 전에 도먼사의 팀은 부품이 견딜 수 있는 치수 변화를 정확히 파악해야 하므로 치수 분석을 수행하여 부품의 'go' 또는 'no-go' 여부를 결정합니다 경우에 따라 공차가 엄격해야 할 수 있는데, Form 3+과 Form 3L 프린터를 구입하기 전에는 3D 프린팅 게이지에 이를 맞출 수 있을지 확신할 수 없었습니다. 

알레바흐는 “저희는 Formlabs 프린터로 no-go 게이지를 많이 만듭니다. 공차를 맞춰야 하니까요. 제가 불가능하다고 생각했지만 해냈던 어떤 부품은 부품 확인에 필요한 no-go 게이지였는데 엔지니어가 내려와서 직경에 +/-.05mm의 공차에 맞춰야 한다고 했습니다. 런아웃 공차가 0.025mm인 직경으로 프린팅할 수 있었죠. Form 3L에서 이 정도의 공차를 얻을 수 있었다는 사실이 믿기지 않았습니다."라고 합니다.

Form 3 광경화성 수지 조형 방식 프린터와 Grey Resin으로 제작한 no-go 게이지입니다.

Grey Resin으로 프린팅한 no-go 게이지.

실리콘 3D 프린팅을 이용한 압력 테스트용 개스킷 생산

새로운 디자인을 검증하는 데 필요한 압력 테스트 구성품의 경우 특정 포트와 면을 밀봉할 수 있어야 합니다. 하지만 모든 파트를 밀봉할 수 있는 결합 형상이 늘 존재하는 것은 아니기 때문에 창의적인 아이디어를 내야 하며, 대체로 맞춤형 개스킷과 고정구를 제작해야 합니다.

지금까지는 연구실에서 파트를 측정하고 금속 다이를 제작한 다음 아버 프레스에서 다이에 맞춰 맞춤형 개스킷을 절단했습니다. 도먼 프로덕츠의 적층제조 책임자인 크리스 알레바흐(Chris Allebach)“시트에서 쿠키를 오려내는 것 같았죠. 재료 사용과 실험실 기술자의 시간 측면에서 매우 비효율적이었습니다.”라고 답답했던 마음을 표현했습니다.

3D 프린팅으로 전환한 후, 특히 새로운 파트의 수가 많다는 점을 고려하면 리드 타임과 비용을 대폭 줄일 수 있었습니다. 알레바흐는 “스로틀 바디 테스터용 맞춤형 개스킷을 수백 개나 프린팅하여 스로틀 바디의 양쪽 끝을 밀봉한 다음 유량 테스트를 수행했습니다.”라고 설명합니다.

Dorman Products의 맞춤형 개스킷, Silicone 40A Resin으로 3D 프린팅.

Dorman Products의 맞춤형 개스킷, Silicone 40A Resin으로 3D 프린팅.

Formlabs의 실리콘 유사 소재인 Elastic 50A Resin이 이런 용도에 적합할 때도 있었지만, 최초의 실용적인 순수 실리콘 3D 프린팅 소재인 Silicone 40A Resin은 그 응용 분야가 더 넓습니다. 알레바흐는 “Silicone 40A Resin이 [실리콘과 유사한 3D 프린팅 재료에 비해] 얼마나 내구성이 뛰어난지 실감이 나지 않을 정도입니다."라고 합니다. “기본적으로 실리콘 레진이므로 예상은 했지만 사출 성형 실리콘과 같은 성능을 발휘합니다..”

내화학성과 내열성은 그들이 Silicone 40A Resin에서 바라던 두 가지 핵심 특성입니다. 3D 프린팅 파트에 오일, 워셔액, 자외선 환경 테스트 등 2개월 동안 화학 테스트를 실시한 후 압축 세트 테스트를 진행했습니다. 스프링 백과 기타 기계적 특성에 변화기 적어 요구 사항에 부합했습니다.

검증 시험용 개스킷

리드 타임비용
기계 가공으로 제작된 금속 다이로 실리콘 시트를 절삭 가공세트당 2주세트당 $250
Silicone 40A Resin을 사용한 SLA 3D 프린팅세트당 3시간세트당 $12

“열 노화 오븐에서 테스트할 맞춤형 개스킷을 만들거나 테스트 관점에서 엔진룸을 모방한 환경에서 개스킷을 밀봉하거나 공기, 물, 냉각수, 오일 등 파트가 실제 생활에서 접하게 될 모든 환경에서 테스트할 수 있다는 점은 특히 큰 의미가 있습니다.”

크리스 알레바흐(Chris Allebach), Dorman Products 적층 제조 책임자

3D 프린팅 인솔
웨비나

Silicone 40A Resin 소개

본 웨비나에서는 당사의 3D 프린팅 전문가가 Silicone 40A Resin의 주요 장점과 응용 분야를 소개하고 레진 소재의 특성 및 워크플로를 설명합니다.

지금 웨비나 시청
맞춤형 흡기 매니폴드 개스킷 및 3D 프린팅 공기 흐름 테스트 어댑터

맞춤형 흡기 매니폴드 개스킷 및 3D 프린팅 공기 흐름 테스트 어댑터

알레바흐는 유연한 3D 프린팅 소재의 전례 없던 설계 자유도에 놀랐습니다.

“레진의 프린팅 가능성은 믿기 힘들 정도입니다. 부드러운 소재로 미세한 피처를 제대로 프린팅할 수 있을 것이라고는 생각하지 않았습니다.” 쇼어 경도 40A의 소재로는 결코 만들어 본 적 없던 파트를 프린팅해 보았습니다. 그런 것은 언제나 사출 성형으로 제작했죠. 그래서 우리는 정말 미친 듯한 수준까지 프린팅 가능성을 밀어붙였습니다. 작은 형상까지 프린팅된 파트의 품질이 믿기 어려울 정도로 좋았습니다. 소재의 촉감과 탄성에 모두 놀라움을 금치 못했습니다.”

크리스 알레바흐(Chris Allebach), Dorman Products 적층 제조 책임자

샘플 파트
샘플 파트

무료 샘플 파트 요청

Formlabs의 품질을 직접 보고 경험해 보세요. 무료 Silicone 40A Resin 샘플 파트를 근무지로 배송해 드립니다.

무료 샘플 파트 요청

사실이라고 하기에는 너무 훌륭한 금속 파트

트리슨과 알레바흐는 종종 부품을 도먼사의 마케팅팀과 영업팀에 보내기 전에 약간의 후처리 작업을 추가로 수행합니다. 나중에 금속으로 대량 생산될 부품의 경우, 고객 대면 부서로 전달하기 전에 SLA로 프린팅한 부품에 마감 공정을 수행합니다. 최근에는 섀시 팀을 위해 Grey Pro Resin으로 볼 스터드를 프린팅하여 전기 도금을 한 후 마케팅 자료로 동료들에게 제공했습니다(Repliform INC에서 전기 도금). 단 한 가지 문제가 있었는데, 표면 마감이 너무 좋았다는 것입니다! 알레바흐는 “마케팅 팀에서 '이 부품은 보통 단조 또는 주조한 다음 아연 코팅을 하죠. 이걸 사용하면 상자에 들어 있는 부품보다 훨씬 더 멋지게 보일 것예요'라는 이야기를 들었습니다"라며 만족스러워했습니다.

Form 3에서 프린팅하고 Repliform에서 전기도금한 파트

전기 도금 어셈블리.

전기 도금 어셈블리.
3D 프린팅과 전기 도금
백서

금속의 강점: SLA 파트 전기 도금의 전략과 사용 사례

다음 내용에서 엔지니어가 레진 3D 프린트물에 금속 느낌을 더하는 법, 하이브리드 금속 파트가 최종 사용 강도와 내구성, 그리고 꼭 이 둘 뿐아니라 더 놀라운 응용 분야의 포문을 열어젓히게 된 이유를 알아보세요.

백서 다운로드

강력한 동력으로 손쉬운 ROI 실현

도먼사가 10년 전에 첫 번째 FDM 3D 프린터를 구입한 이후, 알리바흐와 트라이슨은 프린터를 꾸준히 추가 구매하여 기존 장치의 용량을 지속적으로 확장하고 Formlabs SLA 프린터로 이용 가능한 소재 라이브러리를 전부 활용했습니다.

도먼사의 글로벌 연간 매출은 13억 5천만 달러(2021년 12월 25일 기준)에 육박하지만, 장비 구매에서는 여전히 정당성을 확보해야 합니다. 트라이슨은 “표면 마감과 치수 정확도 때문에 Form 2를 사용하기로 했는데, 우리는 두 달 만에 그만한 가치가 있다는 것을 알게 되었습니다. Formlabs 프린터의 비용을 정당화해보거나 ROI를 계산해보면 2년이 아니라 단 몇 개월 만에 수익을 정당화할 수 있음을 확인할 수 있습니다. 이런 점 덕분에 3D 프린팅에 대한 투자가 가치 투자라는 우리의 리더십에 확신을 가질 수 있습니다."라고 설명합니다.

소재 라이브러리에 있는 모든 레진을 사용하기 때문에 대형 부품과 소형 부품 모두의 기계적 특성을 일치시킬 수 있어 워크플로우가 더욱 간소화되었습니다. Formlabs의 다른 프린터와 마찬가지로 하루에 10~12시간, 때로는 밤새 작동합니다. 소재 라이브러리에 있는레진을 전부 사용하므로 대형 부품과 소형 부품 기계적 특성을 모두 일치시킬 수 있어 워크플로우가 더욱 간소화되었습니다.

해당 빌드 사이즈의 SLA 파트를 단 $10,000에 프린팅할 수 있다는 것은 말도 안 되는 일입니다. 이 시장에서는 그 어느 업체도 반복할 수 없는 일입니다. 몇 가지 부품에 대한 비용과 시간을 절약할 수 있었기 때문에 저희의 경우 프린터 비용을 빠르게 회수했습니다.

에릭 트라이슨(Eric Tryson), 기계 설계 팀 관리자, Dorman Products

3D 프린팅의 미래

Form 2, Form 3 및 Form 3L 프린터에서 프린팅한 파트.

공급망의 꼬인 실타래가 조만간 풀릴 것 같지는 않아서, 신차와 중고차 모두 여전히 높은 자동차 가격을 유지하고 있습니다. 더 많은 OEM이 전기 자동차 제조로 전환함에 따라 새로운 모델의 부품은 점점 더 가벼워지고, 새로운(그리고 종종 적층 제조) 기술에 최적화되며, 색다른 재료로 제작되고 있습니다. 자동차 산업은 오리지널 디자인뿐만 아니라 애프터마켓에서도 적층 제조 기술에 대한 의존도가 점점 더 높아지고 있습니다. 도먼 프로덕츠는 현재 설치품으로 이미 앞서 나가고 있지만, 알레바흐와 트라이슨은 여전히 기대에 부풀어 있습니다. 

"쉽게 설계하고 제작할 수 있습니다. 일반적으로 기존 제조 공정의 제한을 받지 않으며, 다른 부서에 언더컷 또는 릿지를 추가하는 것이 기계 가공과 같이 비용을 추가하는 것을 의미하지는 않는다는 것을 다른 부서에 가르쳐 왔습니다. 이로써 정확하게 원하는 방식으로 고정구 전체를 설계할 수 있도록 준비를 단단히 해오고 있습니다.

ROI가 확고히 확립되고 FDM과 SLA 기술이 회사 안에서 더욱 친숙해지면서 다음 단계로 분말 베드 프린팅을 추가할 준비를 마쳤습니다. 트라이슨은 "FDM은 빠르고 간편한 기술이고, SLA는 높은 정확도와 내구성을 갖췄지만, 더 우수한 기능의 부품을 더 적은 부피로, 기능성 구성품으로 만들려면 분말을 사용해야 합니다."라고 합니다.