세계 최대의 철도 회사로 손꼽히는 도이치반(Deutsche Bahn, 독일 철도)은 매일 천만 명이 넘는 승객의 이동을 책임지고 있습니다. 도이치반이 수백만 명의 인원을 수송하려면 독일 전역에서 50개의 공장을 운영하며 여객 및 화물 열차를 서비스해야 하는 데, 이런 대규모 인프라를 유지하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다.
도이치반의 차량 유지보수 자회사에 소속된 공장 시설 중 노이뮌스터(Neumünster)에 있는 최북단 공장에서는 750여 명의 직원이 도시간 열차와 통근 열차의 객차를 유지보수 및 수리하며 때로는 전면 점검이나 현대화 업무도 담당하고 있습니다. 또한, 몇몇 작업장과 더불어 운영 효율을 높이기 위해 현장 3D 프린팅 작업장을 갖춘 곳으로도 알려져 있습니다.
“2015년에 3D 프린팅을 시작한 이래로 도이치반에서는 이미 10만 개 이상의 부품을 자체 생산하여 수백만 유로의 비용을 절감했습니다.”
수잔 토스트(Susanne Tost), 도이치반 그룹 프로젝트 3D 프린팅 마케팅 전문가
다음 내용에서 DB 차량 유지보수의 제조 엔지니어이자 적층 제조 전문가인 카스텐 볼프그램(Carsten Wolfgramm)과 DB 그룹 프로젝트 3D 프린팅의 마케팅 책임자인 수잔 토스트(Susanne Tost)가 도이치반이 Formlabs 워크플로 간소화, 비용 절감, 열차 운행 속도 개선에 도움이 되는 제조 보조 도구 제작에 3D 프린팅 솔루션을 이용한 방법을 알아보세요.
인하우스 3D 프린팅을 이용한 지그, 고정구 등 기타 제조 보조 도구 제작법
이 백서에서는 효과적인 지그, 고정구, 기타 제조 보조 도구를 인하우스 방식으로 제작하는 데 기준이 되는 원칙을 간략하게 설명합니다.
온 사이트, 온 디맨드 방식으로 생산하는 제조 보조 도구
비즈니스 여행객과 장거리 통근자를 태우고 최대 320km/h의 속도로 운행하는 인터시티 익스프레스(Intercity Express), 즉 ICE는 도이치반의 주력 여객 서비스입니다.
1세대인 ICE 1의 객차는 지금까지 30년 이상 운행되어 왔으며, 현재 거의 모든 부분을 뜯어내고, 재건, 현대적인 편의 시설 업그레이드, 재도색 등의 작업으로 완전히 새롭게 단장하고 있습니다.
이렇게 규모가 큰 현대화 프로젝트에는 여러 공장 및 부서뿐만 아니라 페인트 작업자, 자물쇠 작업자, 전기 작업자 등 다양한 직종의 긴밀한 협력이 필요합니다. 노이뮌스터는 작업에 필요한 다양한 분야를 아우르는 운영의 허브 역할을 하는 공장에 속합니다.
노이뮌스터의 DB(도이치반) 차량 정비소는 ICE 1 객차 현대화 프로젝트에서 주요 작업에 참여한 공장 중 하나입니다.
볼프그램은 "기존의 구매로 수급할 수 있는 도구로는 모든 것을 할 수 없기 때문에 제조 보조 도구를 필수적으로 제작해야 합니다."라고 설명합니다.
부속품을 각각 리퍼브하고 객차를 분해하고 재조립할 때는 이런 특화 제작된 보조 도구로 과정을 간단하게 진행하여 시간을 절약하거나 품질과 일관성을 보장할 수 있는 단계가 많이 있습니다. 현대화할 객차가 수십 개로 늘어나면 이러한 도구 제작의 이점이 빠르게 증가합니다.
볼프그램은 "이곳 직원들뿐만 아니라 다른 공장 직원들과도 긴밀히 협력하여 작업자들이 시간을 많이 들여 계측하지 않고도 픽토그램 부착, 선 그리기, 구멍 뚫기에 필요한 지점을 표시할 수 있는 실용적인 도구를 많이 개발하고 있습니다. 오늘날에는 작업을 더 쉽게 진행하고 훌륭한 템플릿을 제작하는 데 3D 프린팅 기술을 사용할 수 있습니다."라고 합니다.
이러한 제조 보조 도구는 원래 목수 공방에서 목재를 톱질, 샌딩, 밀링하여 제작하거나 금속 부품이 필요한 경우 선반이나 밀링 머신과 같은 장비로 금속을 가공하여 제작했습니다. 그러나 이러한 솔루션은 시간과 노동력이 훨씬 더 많이 소요되며 비용도 많이 듭니다.
“적층 가공으로 초기 형상에 빠르게 접근한 다음 이를 다듬어서 제작하면 타의 추종을 불허하는 효율성이 생깁니다. 그 이유는 CAD 소프트웨어에 설계를 디지털 방식으로 보관하고 있기 때문에 디자인이 맞아 떨어지지 않거나 변경이 필요할 때 신속하게 조정할 수 있기 때문이죠. 디자인을 업데이트하거나 확대, 축소해야 하나요? 3D 프린팅, 특히 분말 프린팅의 장점은 다른 기술 방식으로는 따라할 수 없어요.”
카스텐 볼프그램(Carsten Wolfgramm), 제조 엔지니어 겸 적층 가공 전문가, 도이치반
노이뮌스터에 있는 3D 프린팅 작업장에는 두 대의 Fuse 시리즈 SLS 프린터 뿐만 아니라 총 10대의 3D 프린터가 있습니다.
도이치반의 작업 팀은 Formlabs 플래티넘 파트너사인 IGO3D와 긴밀히 협력하여 적층 제조 전략을 개발하고 자사의 비즈니스와 다양한 응용 분야에 가장 적합한 솔루션을 결정합니다.
노이뮌스터에 있는 3D 프린팅 작업장에는 다양한 기술 방식의 3D 프린터가 총 10대 있습니다. 이 중 두 대는 Fuse 시리즈 SLS 프린터로, 한 대는 다용도로 사용할 수 있는 강력한 Nylon 12 Powder 소재를, 다른 한 대는 유연한 TPU 90A Powder를 프린팅합니다. 작업장에는 대형 포맷인 Form 3L과 Form 3 레진 프린터도 두 대 있습니다.
볼프그램과 팀은 장비를 다양하게 구비해 둔 덕분에 부품에 대한 문의와 요구 사항에 맞춰 작업에 적합한 프린팅 공정과 소재를 간단히 선택할 수 있습니다.
“Formlabs의 장비를 사용하는 이유는 가격 대비 성능이 뛰어나기 때문입니다. 특히 SLS 프린터는 안정적이고 플러그 앤 플레이 방식으로 사용할 수 있죠. 특히 SLS 프린터는 안정적이고 플러그 앤 플레이 방식으로 사용할 수 있죠. 연중무휴 24시간, 주 7일, 매일 작동하니까요."
카스텐 볼프그램(Carsten Wolfgramm), 제조 엔지니어 겸 적층 가공 전문가, 도이치반
노이뮌스터에 3D 프린팅 작업장을 마련한 덕분에 팀은 민첩성을 유지하고 요청에 신속하게 대응할 수 있게 되었습니다. 볼프그램은 "외부에서 부품을 주문할 때와는 달리 공급망과 오래 걸리는 배송 시간에 좌우되지 않습니다."라며 만족감을 드러냈습니다.
토스트는 "3D 프린팅을 현장에 도입한 덕분에 공장의 일상적인 요구 사항에 매우 신속하게 대응할 수 있게 되었습니다. 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 설계를 미리 준비해 두면 필요할 때 현장에서 직접 프린팅한 다음 공장에서 바로 사용할 수 있습니다. 다른 제조 옵션은 어떤 것도 이렇게 사용할 수 없죠"라며 덧붙입니다.
새로운 Fuse 1+ 30W 제품으로 신속하게 진행하는 고성능 SLS 파트 생산
Formlabs의 전문가가 진행하는 제품 시연에서 Fuse 1+ 30W와 SLS 3D 프린팅을 자세히 알아보세요.
노이뮌스터의 적층 제조 활용 분야
도색용 마스킹 도구
ICE1 객차 복원 과정은 플라스틱 부품을 전부 분리, 샌딩, 필링(흠집 메우기), 재도색하는 과정으로 진행됩니다. 이런 과정을 거쳐야하는 부품에 하나로 각 열차 객차의 문손잡이 뒤에 장착해야 하는 크고 홈이 파인 플라스틱 패널이 있습니다. 노이뮌스터에서는 모든 패널에 투톤 페인트 디자인을 새롭게 적용하여 어두운 부분을 먼지와 사용 흔적으로부터 더 오래 보호할 수 있도록 했습니다.
곡선 모양이나 복잡한 페인트 도안을 그리려면 대개는 접이식 눈금자와 캘리퍼를 사용하여 꼼꼼하게 측정해야 위치를 표시하고 표면을 적절히 마스킹(페인트가 묻지 말아야 할 부분을 덮어두는 작업)해야 표면 마감에서 일관성을 유지할 수 있습니다.
유기적인 형태를 기존 방법으로 마스킹하려면 모든 과정을 수작업으로 해야 하며 시간도 많이 걸립니다.
3D 프린팅으로 제작한 마스킹 도구를 사용하면 측정에 걸리는 시간을 크게 줄일 수 있습니다.
토스트는 "3D 프린팅을 사용하면 스텐실(안료를 표면 일부에만 바를 수 있도록 만드는 패턴이나 이미지)을 쉽게 개발할 수 있습니다. 한 번 개발하면 다른 사업장과 현장에서 다양한 방식으로 사용할 수 있죠. 30분이 걸리던 페인팅 작업을 단 2분으로 단축한 사례도 있습니다."라며 만족스러워합니다.
특정 작업에 필요한 복잡한 도구를 제작할 때 3D 프린팅을 사용하면 기존 방법으로 진행할 때보다 설계 자유도가 훨씬 높습니다. 볼프그램은 "적층 제조, 특히 SLS 프로세스는 반원이나 작은 돌출부와 같은 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다."라고 덧붙입니다.
3D 프린팅 마스킹 도구 제작 완벽한 가이드
이 백서에서는 도장, 코팅, 도금 또는 기타 부품 마감에 사용되는 마스킹 툴 제작에 3D 프린팅을 사용함으로써 노동 시간과 비용을 절감하고 새롭고 복잡한 형상과 마감을 구현할 수 있는 방법을 살펴봅니다.
수하물 선반의 스크래치 방지
객차를 분해할 때는 수하물 선반을 분리해야 합니다. 복원이 끝나면 벽에 페인트칠과 박 처리를 한 다음 다시 제자리에 부착해야 합니다. 선반은 부피가 크고 무겁습니다. 그런데다 벽과 선반 사이의 간격은 매우 미세하여 스크래치와 충격으로부터 선반을 보호할 수 있는 유연한 소재가 필요했습니다. 작업자가 실수로 벽에 흠집이라도 내게 되면 비용과 시간을 많이 들여 재작업을 해야 했기 때문입니다. 도이치반 팀은 맞춤형 보호 커버를 디자인하여 Fuse 1+ 30W에서 유연성이 있는 TPU 90A Powder를 프린팅했습니다.
스크래치와 충격 보호용으로 유연성이 있는 TPU 90A Powder를 사용했습니다.
SLS 3D 프린팅을 사용하면 수하물 선반과 벽 사이에 끼워 넣을 수 있는 슬림한 디자인을 제작할 수 있습니다.
울프그램은 “스크래치 방지 기능을 개발하여 3D 프린팅하기 전에는 동료들이 스크래치를 방지하기 위해 항상 뽁뽁이나 이와 유사한 도구로 마스크를 씌웠지만 결과물이 늘 좋았던 것은 아닙니다. 마침내 스크래치가 하나도 생기지 않게 할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다. 새로운 TPU 파트 덕분이죠.”라고 합니다.
3D 프린팅 지그 및 고정구로 향상하는 제조 효율성
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케이블 가이드 커버 캡 프로토타입
ICE 1의 객차는 30년도 훨씬 전에 제작되었습니다. 당연히 이제는 구할 수 없는 부품도 있습니다. 복원 과정에서 팀은 좌석 아래에 장착된 전기 소켓의 케이블을 보호하고 안내하는 커버 캡이 청소 도중 파손되었거나 완전히 사라진 것을 확인했습니다. 이러한 부품은 맞춤형이므로 대체품을 쉽게 찾을 수 없었습니다.
전기 콘센트의 케이블을 보호하고 안내하는 커버 캡 중 상당수가 ICE1 열차에서 사라졌습니다.
도이치반의 담당팀은 디자인을 리버스 엔지니어링하고 SLS 3D 프린팅으로 프로토타입을 제작한 다음 끼워맞춤을 테스트하고 실제 치수로 제작했을 때의 느낌을 파악했습니다.
볼프그램은 “도이치반 그룹은 객차의 모든 부분을 재구축했고 저희는 SLS 3D 프린팅과 Nylon 12 Powder로 프로토타입을 프린팅해 달라는 요청을 받았습니다. 실제 치수로 제작했을 때 느낌과 끼워맞춤을 테스트해야 했기 때문입니다. 두 번째 버전에서 이미 완벽하게 맞아 떨어 져서 쉽게 끼워넣을 수 있었습니다. SLS 프린팅의 활용성은 가히 최고 수준이라고 할 수 있습니다. 끼워맞춤, 속도, 소재가 충분히 튼튼해서 프로토타입이지만 실제로 사용해 볼 수 있었습니다.”라며 회상합니다.
휴대용 스캐너 홀더
제조 보조 도구는 다양한 공장에서 작업자의 일상적인 작업을 간소화하는 데도 사용할 수 있습니다. 자재 관리 업무를 담당하는 DB 페른페어케어(Fernverkehr)의 직원들은 자재를 식별과 관리 업무에 휴대용 스캐너를 사용합니다. 보통은 스캐너를 손에 들고 다니다가 무언가를 집어 들거나 양손을 모두 사용하려면 스캐너를 내려놓아야 했습니다.
자재 관리 부서 직원들은 한 손을 계속 사용하지 않고도 스캐너를 가까이 두고 사용할 수 있도록 휴대용 스캐너를 장착해 둘 장치가 필요했습니다.
팀은 가방이나 벨트, 그림자 보드에 각각 부착할 수 있는 마운트를 세 가지 만들었습니다.
볼프그램은 “질문이 쇄도했습니다. ‘이 휴대용 스캐너를 휴대하고 다니면서 항상 사용할 수 있도록 마운트를 디자인할 수는 없을까요?’라고요. 최종적으로 가방, 벨트 또는 그림자 보드에 부착할 수 있는 홀더를 세 가지 제작했습니다. SLS 3D 프린팅을 이용하면 실제 크기와 동일한 프로토타입을 얻을 수 있기 때문에 작업이 쉽고, 거대한 서포트 구조 없이 프린팅하므로 서포트 구조 제거 작업도 필요하지 않습니다. 결과적으로 잔여 분말 제거와 블라스팅 외에 후처리를 많은 할 필요가 없죠."라고 합니다.
무료 샘플 파트 요청
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미래를 대비한 차량 유지 관리의 디지타이제이션(Digitization)
볼프그램은 "적층 제조는 앞으로도 계속될 것입니다. 기존의 기계로는 절대 구현할 수 없었던 복잡한 형상을 구현할 수 있으며, 고액의 추가 비용 없이 간편하게 툴을 제작하고 재생산할 수 있습니다. 도구나 부품이 디지타이즈(digitize)되면 전 세계 어디에서나 프린팅할 수 있습니다."라고 힘주어 강조합니다.
물론 궁극적인 목표는 차량에 들어가는 3D 프린팅 최종 사용 부품을 예비용으로 더 많이 제조하는 것입니다. 그러나 열차에 대한 안전 규정은 항공기 못지않게 엄격하거나 때로는 더 엄격합니다. 다행히도 오늘날에는 현장에서 산업용 FDM 프린터를 사용하기만 해도 그토록 엄격한 규정을 충족할 수 있습니다. 도이치반은 향후 이러한 요건을 충족하여 인증을 받을 수 있는 워크플로, 프로세스, 소재를 개발하기 위해 Formlabs 및 기타 파트너와 협력하고 있습니다.
“목표는 2030년까지 차량 유지보수에 사용되는 예비 부품 전체의 10%를 디지타이즈(digitize)하는 것입니다. 그렇게 하면 아주 짧은 시간 안에도 필요에 따라 부품을 재생산할 수 있습니다. 궁극적으로는 부품을 중단 없이 신속하게 공급할 수 있을 뿐만 아니라 녹색 경영으로 재료와 자원을 친환경적으로 처리할 수 있고 산적한 다른 문제도 해결할 수 있습니다.”
