부산대학교 기계공학부 자동차 학술회 AutoLab의 PowerTrain 팀장 이승윤이라고 합니다. AutoLab은 대학생들로 구성된 부산대학교 자작 자동차 동아리로, 실제 주행 가능한 차량을 직접 설계, 제작하고 있습니다. 이번에 AutoLab은 경주용 자동차를 직접 제작하여 대한민국 최대 규모의 대학생 자작 자동차 대회인 KSAE의 Formula 부문에 참가하였습니다.
3D 프린터로 더 나은 자동차 제작을 향한 도전
AutoLab은 이번 대회에서 자동차 제작에 필요한 다양한 부품을 3D 프린터로 제작했습니다. 3D 프린터를 사용하는 목적은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 실제 차량에 들어갈 부품을 제작하는 것으로 실제 차량에 적용된 부품은 형상이 복잡하지만 큰 하중을 버티지 않아도 되는 작은 부품들로 브레이크 페달 발 거치대, 제동 등 하우징, 브레이크 리저버 탱크 하우징 등이 있으며, 이 부품들을 3D 프린터로 제작하여 비용과 시간을 절약했습니다.
두 번째는 프로토타입 제작에 사용하는 것입니다. 프로토타입 용으로 출력한 부품들은 실제 금속 재질로 가공하기 전 빠르게 테스트하는 데 사용하였습니다. 순정 부품의 볼트 구멍 사이즈 등 단 한 번의 역설계로 구현하기 어려운 작은 디테일을 3D 프린터로 여러 번 출력해보면서 보다 정밀하게 수치를 맞출 수 있었으며, 이를 통해 파악된 문제점을 빠르게 조정하여 효율적으로 최종 부품을 완성할 수 있었습니다.
3D 프린팅 기술의 필요성
저희 팀은 이번 대회에 고출력 동력원을 사용하는 A-Class Formula 부문으로 출전하여, 처음으로 600cc 고출력 엔진을 탑재한 차량 제작에 도전하였습니다. 고출력 외산 엔진의 경우, 엔진 헤드 블록에 결합되는 Intake Manifold (흡기 다기관)을 제작해야 하는 상황이었습니다. 엔진 헤드 블록에 부착되는 Intake Manifold 특성상 고온에서 잘 버티며, 외부와의 차폐가 잘 이루어져야 합니다. 알루미늄과 같이 가벼운 금속으로 제작하는 것이 가장 견고하고, 오래 사용할 수 있지만 큰 크기로 제작하고 정교한 디자인을 위해서는 CNC 가공이 필수였습니다. 그러나 학생으로 구성된 AutoLab 팀이 감당하기엔 막대한 CNC 비용이 부담이 되었고 설계 과정에서 실수가 발생하면 가공된 부품을 다시 되돌릴 수 없기에 이로 인해 제작 완료 시간이 지연되는 등 불안요소가 많았습니다.
이런 문제를 해결하기 위해 저희 팀은 3D프린터를 사용하기로 했습니다. 하지만 교내에 있는 FDM 방식의 3D 프린터로 Intake Manifold와 같이 복잡하고 큰 부품을 출력하는 것은 어려움이 많았습니다. 이 부품은 엔진 헤드 블록에 부착되어, 공기 누출이 없어야 했기 때문에 FDM 방식 보다 정밀한 출력이 필요했고, FDM 프린터의 경우 크기와 재료 선택에도 많은 제약이 있었습니다. 또한, 학교에 구비된 3D 프린터는 출력 사이즈가 작아 큰 부품을 한 번에 출력하기 어려웠고, 1회 사용되는 재료의 양이 한정되어 재료를 교체해 줘야 하는 번거로움도 있었습니다.
이에 대형 출력물을 제작할 수 있는 외부업체를 찾아보던 중, 엘코퍼레이션을 알게 되었고, 엘코퍼레이션의 Formlabs 사의 3D프린터가 저희 팀이 당면한 문제를 해결해 줄 수 있다고 판단하여, 믿고 맡겼습니다. 그리고 결과는 성공적이었습니다.
완벽한 출력을 위한 최고의 선택
대형 SLA 프린터 Form 3L 큰 빌드 사이즈로 여러가지 특성을 가진 레진 소재를 사용할 수 있어, 다양한 크기의 부품 출력에 용이 했고 각각의 부품 특성에 맞는 재료 선택이 가능 했습니다. 또한 복잡하고 큰 부품도 쉽게 출력할 수 있었습니다. 특히 큰 사이즈의 부품을 한 번에 끊김 없이 제작할 수 있어 고품질 출력물을 완성할 수 있었으며, 소재를 교체하기 손쉽게 되어있어 효율적인 프린팅이 가능했습니다.
Formlabs 사의 또 다른 3D 프린터인 Fuse 1 프린터의 경우, 미세한 파우더를 레이저로 굳혀 형상을 제작하는 SLS (Selective Laser Sintering) 방식으로 작동하여, 내부가 비어있는 출력이 가능했고, 이로 인해 후처리에 소요되는 비용과 시간을 아낄 수 있었습니다. 3D 프린터를 사용하지 않았다면, 저희 팀은 복잡한 형상 부품 제작을 포기해야만 했을 것입니다. 설계의 현실성, 제작 가능성과 타협하느라 다양한 설계 경험과 CAD 실력 향상도 불가능했으리라 생각합니다. 또한, 자작자동차를 제작하는 데 필요한 보고서에도 이론적 근거가 부족했을 가능성이 높았습니다.
Formlabs 사의 3D 프린터를 통해 AutoLab은 더욱 빠르고 정확한 자작자동차 제작을 실현할 수 있었으며, 더 큰 자유설계와 혁신적인 아이디어를 펼칠 수 있었습니다.
