3D 프린팅 자동차는 가능할까? 새로운 개발이 답을 제시한다

3D 프린팅은 세계 여러 산업에서 주목받는 기술입니다. 적층 제조라고도 하며, 디지털 설계에 따라 재료를 층층이 쌓아 입체 물체를 만듭니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD)와 금속, 플라스틱, 콘크리트 등 다양한 소재를 활용할 수 있지만, 제작 가능한 형상과 성능에는 공정별 제약이 있습니다.

3D 프린팅은 제조업체가 생산 공정을 개선하고 시간과 비용을 줄이는 데 활용할 수 있습니다. 당시 시장 전망에서는 관련 제품·서비스 시장이 2020년 126억 달러에서 2026년 372억 달러로 성장할 수 있다고 추정했습니다. 또한 2030년에는 전 세계 적층 제조·3D 프린팅 장비가 280만 대에 이를 것으로 예상했습니다. 이는 확정된 실적이 아니라 전망치입니다.

활용 범위가 넓어지면서 정밀도와 안전성이 중요한 자동차 산업에서도 관심이 커지고 있습니다. 자동차를 3D 프린팅으로 만들 수 있을까요? 부품 제작과 완성차 전체 제작을 구분하며 가능성을 살펴보겠습니다.

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도호쿠대학교의 다중 소재 3D 프린팅 기술

도호쿠대학교 금속재료연구소와 신산업창출공동연구센터 연구진은 다중 소재 3D 프린팅으로 가볍고 견고한 자동차 부품을 만드는 공정을 시연했습니다.

출처: 도호쿠대학교

다중 소재 구조는 부품의 성능을 높이기 위해 서로 다른 소재를 필요한 위치에 배치하는 방식입니다. 적층 제조를 이용하면 이런 구조를 복잡한 형상으로 제작할 수 있습니다.

다중 소재는 공정 유연성 때문에 적층 제조 분야에서 뜨거운 주제입니다.

“다중 소재는 공정 유연성 때문에 적층 제조 분야에서 뜨거운 주제입니다.”

다만 강철과 알루미늄을 결합할 때는 접합면에 잘 부서지는 금속간 화합물이 형성될 수 있습니다. 따라서 경량화와 함께 충분한 접합 강도를 확보하는 것이 중요합니다.

“강철과 알루미늄과 같은 특정 금속 조합에서는 이종 금속 계면에서 취성 금속간 화합물이 형성될 수 있습니다. 따라서 재료는 가벼워지지만 더 취약해집니다.”

연구진은 강철과 알루미늄 합금의 접합부를 개선해 이 문제를 해결하고자 했습니다. 두 재료를 하나의 균일한 합금으로 만들었다는 뜻은 아닙니다.

연구진은 레이저 분말층 용융(L-PBF) 공정을 사용했습니다. 레이저로 금속 분말을 선택적으로 녹이는 방식입니다. 스캔 속도를 높여 접합부에서 비평형 응고가 일어나도록 하자 Al5Fe2와 Al13Fe4 같은 취성 금속간 화합물의 형성이 크게 억제됐습니다. 연구진은 용질의 분배가 줄어들면서 더 강한 접합면을 얻었다고 설명했습니다.

다시 말해, 두 금속을 그냥 붙여놓고 계획 없이 접착될 것이라고 기대할 수 없습니다.

“다시 말해, 두 금속을 그냥 붙여놓고 계획 없이 접착될 것이라고 기대할 수 없습니다.”

연구진은 이 성과를 바탕으로 맞춤형 형상의 실물 크기 자동차 서스펜션 타워 시제품을 제작했습니다. 대학은 이를 세계 최초의 해당 다중 소재 자동차 부품 시제품으로 소개했습니다. 이는 부품 제작의 가능성을 보여주는 결과이며, 완성차 전체를 프린팅했다는 뜻은 아닙니다. 비슷한 접합 문제가 있는 다른 금속 조합에도 적용 가능성을 검토할 수 있습니다.

이 연구가 자동차 산업에 새로운 지평을 열었지만, 이 분야에서 3D 프린팅의 사용은 새로운 것이 아닙니다.

3D 프린팅이 제조의 미래에 어떻게 통합되고 있는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

신속한 시제품 제작과 부품 재설계

업계 전문가들은 3D 프린팅이 이미 시제품 제작을 빠르게 하고, 일부 부품을 재설계하거나 대체하는 데 쓰인다고 설명합니다. 활용 범위는 시제품을 넘어 소량 생산과 일부 차량의 맞춤형 내장·외장 부품 제작으로 확대되고 있습니다.

제조업 전문 단체의 전무이사 겸 최고경영자였던 로버트 윌리그는 SME(옛 미국제조기술자협회)에서 다음과 같이 설명했습니다.

“자동차 산업이 경량화에 초점을 둔 하이브리드 또는 전동화 플랫폼으로 이동하면서 적층 제조가 잘 맞아떨어집니다. 효율적인 설계를 효율적으로 구현할 수 있기 때문입니다.”

기존에 세 부품이 필요했던 구조를 하나로 통합하는 식으로 설계를 개선할 수 있습니다. 필요한 곳에만 재료를 배치하면 무게를 줄이면서 강도와 설계 유연성을 높일 여지가 있습니다.

적층 제조 엔지니어 댈러스 마틴은 토요타 북미법인 (TM ) 에서 다음과 같이 설명했습니다.

“공구와 지그 제작에 3D 프린팅을 도입해 생산 라인의 효율성과 유연성을 높였습니다.”

이 분야의 기존 연구를 검토한 논문은 3D 프린팅이 설계 유연성, 시제품 제작 속도, 재료 낭비 감소와 경량화에 기여할 수 있다고 봅니다. 연구진은 이런 장점이 자동차 제조업체의 적층 제조 투자를 늘리는 요인이라고 설명했습니다.

이후에는 관련 기업의 사례를 살펴봅니다. 연구자들은 특히 배터리 시스템과 전기차 등 지속 가능한 기술에서도 적층 제조의 활용 가능성을 보고 있습니다. 예를 들어 내열 배터리 고정구의 형상을 개선해 방열과 냉각을 돕거나 전고체 리튬 배터리를 제작하는 연구에 활용할 수 있습니다. 다만 이는 모든 경우에 상용화가 완료됐다는 뜻은 아닙니다.

다음은 자동차 제조업체들의 구체적인 활용 사례입니다.

1. Toyota

2024년 미쓰이화학과 ARRK는 TCD Asia가 개발한 토요타 Hyper-F 콘셉트카에 소재와 3D 프린팅 부품을 공급했다고 발표했습니다. TCD Asia는 토요타 차량의 맞춤형 부품과 액세서리를 개발하는 회사입니다.

Hyper-F 콘셉트카는 토요타 포튜너를 기반으로 합니다. 미쓰이화학과 ARRK는 플라스틱 펠릿을 직접 공급하는 3D 프린팅 방식으로 부품을 만들었습니다. 이 방식은 금형 제작 부담을 줄이고 개발 시간과 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다.

발표에 따르면 대형 부품 제작에도 활용할 수 있는 이 기술은 Hyper-F 콘셉트카의 보닛 공기 덕트 부품에 적용됐습니다.

토요타는 SOLIZE와 협력해 단종·보수용 부품의 주문형 제작에도 3D 프린팅을 활용했습니다. HP의 멀티젯 퓨전 장비로 만든 부품을 기존 방식으로 제작한 부품과 함께 제공하는 방식입니다.

자동차 산업이 3D 프린팅 활용에 관심을 보이고 있다는 점에 대해 HP Japan의 MD인 Nobuki Okado는 다음과 같이 말했습니다:

“매일 전 세계 다양한 산업, 특히 자동차 분야에서 3D 프린팅 적용이 점점 확대되고 성숙해지고 있습니다. 토요타 자동차와 같은 선도 자동차 제조업체들은 유연한 설계, 시장 출시 속도, 지속 가능한 영향을 위한 3D 프린팅의 힘을 보여주고 있습니다.”

토요타는 이 밖에도 여러 업체와 적층 제조를 연구했습니다. Materialise와의 초경량 자동차 시트 개발, DSM과의 Somos Taurus 소재 관련 협력 등이 소개됐습니다. 이 소재의 열변형 온도는 95°C로 제시됐지만, 실제 자동차 적용 적합성은 사용 조건에 따라 달라집니다. 워털루대학교의 관련 연구시설 지원도 사례로 언급됩니다.

2024년 5월, 토요타 자동차는 2023년 4월 1일부터 2024년 3월 31일까지의 회계연도 FY 2024 보고서를 발표했습니다. 회사는 매출액 45,095,325백만 엔과 영업이익 5,352,934백만 엔을 기록했습니다.

2. General Motors

2022년에는 GM이 시제품과 소량 부품 제작을 넘어 공장 작업자를 위한 맞춤형 공구 제작에도 적층 제조를 활용한 사례가 소개됐습니다. 작업 안전성과 생산성을 높이는 것이 목적입니다.

제너럴 모터스와 3D 프린팅의 인연은 1989년으로 거슬러 올라갑니다. 그 해 디트로이트 근처 워렌(미시간) 테크 센터 캠퍼스에 일련 번호 “3”인 초기 스테레오리소그래피 기계를 설치했습니다.

GM에서 적층 제조 산업화를 담당하는 엔지니어링 그룹 매니저 Ali Shabbir에 따르면:

“기술과 재료 강도, 금속 가용성이 본격적으로 성장하기 시작하자, 경영진은 ‘이것은 우리가 주목해야 할 사안이다. 작은 팀을 구성해 실제로 무엇을 할 수 있을지 탐구해 보자’라고 말했습니다.”

2019년, GM은 글로벌 기술 센터의 콜 엔지니어링 센터에 4,000평방피트 규모의 Additive Innovation Lab(AIL)을 개설했습니다.

알리 샤비르는 이 연구소를 직원 교육의 핵심 시설로 설명했습니다. 직원들이 직접 설계와 제작 준비, 출력 후 가공을 배울 수 있는 제작·학습 공간이었습니다.

대표적인 사례로 GM은 최초의 2020년형 C8 코르벳 비주행 시제품 부품 중 약 75%를 3D 프린팅으로 제작했습니다. 양산 차량의 부품 75%를 프린팅한 것이 아니라, 조립 과정을 연구하고 생산상의 문제를 찾기 위한 시제품이었습니다.

그 해, 회사는 Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro, Silverado 레이스 팀을 위한 레이싱 시즌용 적층 부품을 생산했습니다.

2021년 GM은 GKN Additive의 Forecast 3D와 협력해 유연한 스포일러 마감용 씰 60,000개를 3D 프린팅했습니다. 이 부품으로 5주 안에 쉐보레 타호 SUV 30,000대의 생산을 마무리했으며, 기존 사출성형 방식은 최대 10주가 걸릴 수 있었다고 설명했습니다.

GM은 또한 Cadillac CT4-V와 CT5-V Blackwing 차량에 두 개의 HVAC 덕트와 전기 하네스 홀더 등 3D 프린팅 부품을 적용했습니다. 2022년 10월, 맞춤형 주문을 위해 금속 적층 제조를 광범위하게 활용할 예정인 30만 달러짜리 Cadillac CELESTIQ EV를 발표하며 가장 야심찬 프로젝트를 선보였습니다.

2023년 12월 31일에 종료된 회계연도 연례 보고서에 따르면, GM은 매출 1,718억 달러, 주주에게 귀속된 순이익 101억 달러, 조정된 EBIT 124억 달러를 보고했습니다.

3. Daimler Truck

다임러 트럭 홀딩 AG (DTG.DE )는 세계 주요 상용차 제조업체 중 하나입니다. 당시 전 세계 40개 이상의 생산시설과 10만 명이 넘는 직원을 두고 트럭, 시내·시외버스, 장거리 버스와 버스 섀시를 공급했습니다.

회사는 오랜 3D 프린팅 시제품 제작 경험을 실제 부품 생산으로 확대했습니다. 다임러 버스는 커버, 손잡이, 브래킷 등 특수 부품을 제작해 긴급한 고객 수요에 유연하게 대응하는 데 이 기술을 활용합니다.

다임러의 3D 프린팅 역량센터는 2019년부터 기존 버스 부품 30만 개 이상을 검토해 적층 제조에 적합한 품목을 찾았습니다. 회사는 이 과정에서 잠재적 적용 부품 7,000개 이상과 승인 부품 400개 이상의 포트폴리오를 확보하고, 조달 기간을 최대 80% 줄일 수 있다고 설명했습니다. 이는 모든 부품의 조달 기간이 일률적으로 80% 줄었다는 뜻은 아닙니다.

다임러 버스의 적층 제조, 프린팅 샵 및 미디어 역량 센터 책임자인 Ralf Anderhofstadt에 따르면, 회사의 적층 제조 분야 활동을 통해 “전체 가치 사슬에 걸친 기술의 거대한 잠재력이 단계적으로 드러났다”고 합니다. Ralf는 다임러와 고객에게 제공되는 기회가 비용 절감 가능성부터 새로운 비즈니스 모델까지 다양하다고 봅니다.

2023년, Daimler Truck은 558억 9천만 유로의 매출을 보고했으며, 이는 2022년 509억 4,500만 유로 대비 크게 증가한 수치입니다.

미래 전망

3D 프린팅이 기존 자동차 제조를 완전히 대체할지는 아직 불확실합니다. SME의 전무이사 겸 최고경영자였던 로버트 윌리그는 프린터만으로 채워진 거대한 공장이 등장하는 모습은 아닐 수 있다고 설명했습니다.

하지만 Divergent Technologies의 공동 설립자이자 COO인 Luke Czinger에 따르면, 현재 메르세데스-벤츠, 아스톤 마틴, 부가티, 맥라렌 등 6개 자동차 제조업체와 협력해 3D 프린팅, 주로 서스펜션 및 보강 부품을 활용하고 있으며, 3D 프린팅 소재의 특성이 전기차 성능을 향상시킬 수 있다고 합니다.

“전기차 이야기는 주행 거리 측면에서 매력적입니다. 차체 구조의 무게를 20%~30% 절감하면 주행 거리를 늘리거나 배터리 팩 크기를 줄일 수 있습니다. 특히 저가 전기차에서는 이는 사업 수익성에 크게 의미가 있습니다. 또한 지속 가능성 측면도 있습니다. 차량 무게가 가벼워지면 타이어 마모가 감소하고, 제조 과정에서 알루미늄 사용량과 CO2 배출량도 줄어듭니다.”

– Czinger

연구자들은 적층 제조가 불필요한 재료 사용과 폐기물을 줄이고, 주문형 현지 생산을 통해 운송과 재고 보관 부담도 낮출 수 있다고 봅니다. 실제 환경 효과는 재료, 에너지 소비, 후처리와 생산 규모에 따라 달라집니다. (MBG.DE )

적층 제조는 지속 가능한 생산에 기여할 가능성이 있습니다. 다만 품질 관리, 후처리 부담, 생산 속도와 규모, 공정·소재 표준 등 해결해야 할 과제가 남아 있습니다.

자동차 산업에서 3D 프린팅을 성공적으로 적용하려면 표준화된 공정과 소재가 필요합니다. 보편적인 표준이 부족하면 서로 다른 3D 프린터와 소프트웨어 간의 상호 운용성이 저해되어 동일한 공정 매개변수에서도 동일한 성능을 달성하기 어려워집니다.

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