적층 제조
3D 프린팅 자동차는 가능할까? 새로운 개발이 답을 제시한다
3D 프린팅은 전 세계 다양한 산업의 상상력을 사로잡았습니다. 적층 제조라고도 불리는 3D 프린팅은 우리 시대를 정의하는 기술 중 하나로 올바르게 평가받고 있습니다. 기존 제조 기술과 달리, 거의 모든 형태의 3D 물체를 층층이 쌓아 만드는 방법입니다. 이를 위해 이 기술은 컴퓨터 지원 설계(CAD)와 금속, 플라스틱, 콘크리트, 종이 등 다양한 소재를 활용합니다.
전 세계 제조업체가 비용과 시간을 최적화하기 위해 생산 흐름을 개선하는 데 제공하는 다재다능함은 곧 급격한 채택의 주요 후보가 되게 합니다. 추정에 따르면, 3D 프린팅 제품 및 서비스 시장의 전 세계 규모는 2020년 126억 달러에서 2026년 372억 달러로 성장할 수 있습니다. 2030년까지 전 세계 적층 제조 및 3D 프린팅 장치 수는 280만 대에 이를 것으로 예상됩니다.
이러한 강력한 성장으로 3D 프린팅은 사실상 어디에나 존재하게 될 것입니다. 따라서 모두가 묻고 있습니다: 제조 정밀도가 매우 중요하고 소중히 여겨지는 자동차 산업에 3D 프린팅이 적합해질 수 있을까? 좀 더 직접적으로 말하면, 자동차를 3D 프린팅으로 제작할 수 있을까? 앞으로의 섹션에서 가능성을 논의하겠습니다.
3D 프린팅이 잠재적인 5천억 달러 시장인 이유를 알아보려면 여기를 클릭하세요.
동북대학교의 다중 소재 3D 프린팅 기술 혁신
대학의 재료 연구소 및 신산업 창출 해처리 센터는 최첨단 성과를 달성했습니다. 연구원들은 다중 소재 3D 프린팅 기술을 통해 가볍지만 내구성이 뛰어난 자동차 부품을 만드는 과정을 시연했습니다.
출처: Tohuku University
여기서는 다중 소재 3D 프린팅 기술 현상을 좀 더 자세히 살펴볼 필요가 있습니다. 다중 소재 구조는 이름 그대로 부품의 최적 성능을 위해 다양한 소재를 전략적으로 결합합니다. 더욱 중요한 점은 이러한 구조를 3D 프린팅으로 제작할 수 있다는 것입니다.
다중 소재는 공정 유연성 때문에 적층 제조 분야에서 뜨거운 주제입니다.
“다중 소재는 공정 유연성 때문에 적층 제조 분야에서 뜨거운 주제입니다.”
하지만 연구원은 이 기술이 가지고 있는 한계도 언급했습니다. 강철과 알루미늄과 같은 특정 금속 조합에서는 이종 금속 계면에서 취성 금속간 화합물이 형성될 수 있습니다. 따라서 재료는 가벼워지지만 더 취약해집니다.
“강철과 알루미늄과 같은 특정 금속 조합에서는 이종 금속 계면에서 취성 금속간 화합물이 형성될 수 있습니다. 따라서 재료는 가벼워지지만 더 취약해집니다.”
이 연구의 가장 중요한 측면은 과학자들이 경량이면서도 강도를 희생하지 않는 강-알루미늄 합금을 생산함으로써 이 병목 현상을 해결하려고 시도했다는 점입니다.
목표는 레이저 파우더 베드 퓨전(L-PBF)이라는 주요 금속 3D 프린팅 기술을 사용하여 달성되었습니다. 이 기술은 레이저를 이용해 금속 분말을 선택적으로 녹입니다. 연구원들은 레이저 스캔 속도를 높이면 취성 금속간 화합물(예: Al5Fe2 및 Al13Fe4)의 형성을 크게 억제할 수 있음을 발견했습니다. 이 높은 스캔 속도가 비평형 응고라고 하는 현상을 초래하여 용질 분할을 최소화하고 재료의 약점을 줄인다고 제안했습니다. 궁극적인 결과는 강한 결합 인터페이스를 가진 제품 형태였습니다.
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.”
동북대학교 연구진의 발견은 기술적이고 고급스럽게 들릴 수 있지만, 자동차 제조 분야에 큰 의미를 가집니다. 요약하면, 연구진은 맞춤형 형상을 가진 세계 최초의 전규모 자동차 다중 소재 부품(서스펜션 타워)을 프로토타입으로 제작했습니다. 앞으로 이 결과는 결합 문제가 유사한 다른 금속 조합에도 영향을 미칠 가능성이 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.
빠른 프로토타입 및 재설계 부품을 위한 3D 프린팅
Industry experts say that 3D printing has already been used to expedite prototype creation, redesign selected parts and components, and even substitute them. But with time, the use of 3D printing has moved beyond its initial realm to venture into manufacturing prototypes and producing low-volume, customized 3D-printed trim pieces in some current vehicles.
Robert Wilig, executive director, CEO, SME, formerly Society of Manufacturing Engineers:
“As the auto industry is moving towards more of a lightweight focused hybrid or even electrified vehicle platforms, additive manufacturing plays into that so well because it allows really efficient ways of creating efficient designs.”
Instead of three parts, which might have been the requirement earlier, 3D printing now makes it possible to optimize the design into a single piece, placing material only where needed to make it lighter, stronger, and more flexible.
According to Dallas Martin, additive manufacturing engineer at Toyota Motor North America:
“Integration of 3D printing in tooling and jigs manufacturing has enhanced production line efficiency and flexibility.”
A review of the research done in this field so far suggests that 3D printing could revolutionize the automotive industry by making designs more flexible, prototyping more rapid, and waste reduction more efficient. This could be achieved by keeping production lightweight. The researchers cited these reasons as drivers behind automakers’ increasing investment in AM techniques.
While we will explore a few pioneering companies active in this field in the coming segments, researchers have noted more opportunities for AM in sustainable and green solutions, particularly in advancing battery systems and electric cars. 3D printing could prove useful in generating heat-resistant battery fixtures that improve heat dissipation and battery cooling. It is also seen as a promising solution for manufacturing solid-state lithium batteries.
In the coming segments, we will look into use cases where well-known automotive manufacturers are developing effective solutions.
1. Toyota (TM )
2024년 7월, 토요타가 3D 프린팅 부품을 적용한 Hyper-F 컨셉 자동차를 선보였다는 보도가 나왔습니다. 이 분야의 베테랑인 토요타는 TCD Asia(토요타 커스터마이징 & Development)를 통해 다양한 토요타 모델용 차량 액세서리 생산에 이미 관여하고 있었으며, 3D 프린팅 부품과 최첨단 소재를 적용한 고성능 SUV 컨셉을 공개했습니다. 이는 일본 기업인 미쓰이 케미컬즈와 ARRK 코퍼레이션과의 협업을 통해 가능했습니다.
보도에 따르면 토요타의 Hyper-F 컨셉 자동차는 TCD Asia가 개발한 토요타 포춘러를 기반으로 합니다. 미쓰이 케미컬즈의 고급 기술 역량을 활용해 토요타는 펠릿을 이용한 3D 프린팅으로 플라스틱 과립 부품을 저비용으로 생산하여 개발 시간과 투자 비용을 절감했습니다.
회사 측은 이 3D 프린팅 부품이 특히 안정적이며 대형 부품을 형성하기 위해 바로 인쇄할 수 있다고 주장했습니다. 토요타 Hyper-F 컨셉 자동차에서는 3D 프린팅 부품이 후드 공기 덕트 패널을 장식합니다.
이전에 토요타는 글로벌 제품 개발 엔지니어링 파트너이자 엔지니어링 서비스를 제공하는 Solize와 협력해 3D 자동차 부품을 주문형으로 인쇄했다는 보도가 있었습니다. 구체적으로 토요타는 멀티젯 퓨전 3D 프린팅을 사용해 재고 부품을 제작한 뒤 전통적인 부품과 함께 판매했습니다. 또 다른 글로벌 기술 대기업인 HP가 토요타에 프린터를 공급했습니다.
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.”
HP 외에도 토요타는 여러 다른 기업의 솔루션을 활용해 3D 자동차 제품을 미세 조정하고 개선했습니다. 예를 들어, Materialise와 협력해 초경량 3D 프린팅 자동차 시트를 개발했습니다. 또한 DSM과 공동 개발한 Somos Taurus라는 소재에 투자했으며, 이 소재는 95°C의 뛰어난 열 변형 온도로 자동차 적용에 이상적이라고 평가됩니다. 토요타는 워털루 대학교에서 3D 프린팅 부서를 토요타 이름으로 명명했습니다.
(TM )
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 (GM )
2022년, 세계에서 가장 잘 알려진 자동차 기업 중 하나가 3D 프린팅 또는 적층 제조를 활용해 프로토타입 및 저량 부품을 넘어선 것으로 보도되었습니다. 미국 최대 자동차 제조업체는 공장 작업자를 위한 맞춤형 도구를 인쇄하여 작업을 보다 안전하고 생산적으로 만들고 있습니다.
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.
Ali Shabbir에 따르면, 이 연구소는 GM의 적층 교육 프로그램의 핵심 보석이었습니다. 직원들이 적층 제작을 설계하고 설정하며 부품 후처리 방법을 배울 수 있는 DIY 메이커 스페이스이자 학습 센터였습니다.
GM이 자동차 산업에서 3D 프린팅 또는 적층 제조를 성공적으로 적용한 사례 중 몇 가지가 눈에 띕니다. 예를 들어, 2020년 회사는 최초 2020년형 Chevy C8 Corvette의 비운용 프로토타입(생산 차량이 아님) 부품 중 75%를 3D 프린팅했으며, 이를 통해 엔지니어들은 최종 조립 과정을 연구하고 생산상의 과제를 파악할 수 있었습니다.
그 해, 회사는 Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro, Silverado 레이스 팀을 위한 레이싱 시즌용 적층 부품을 생산했습니다.
2021년, GKN Additive Forecast 3D와의 파트너십을 통해 회사는 60,000개의 유연한 “스포일러 클로즈아웃 씰”을 3D 프린팅하여 5주 안에 30,000대의 Chevrolet Tahoe SUV를 완성했습니다. 기존 생산 방식인 사출 성형은 최대 10주가 소요될 수 있었습니다.
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.
(GM )
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
Daimler Truck Holding AG는 세계 최대 상용 차량 제조업체 중 하나입니다. 전 세계 40개 이상의 생산 시설과 10만 명이 넘는 직원을 보유하고 있으며, 경·중·대형 트럭, 시내·시외 버스, 코치 및 버스 섀시를 제공합니다.
회사는 혁신적인 3D 프린팅 기술을 통해 큰 혜택을 얻었다고 주장합니다. 거의 30년간 3D 프린팅 프로토타입 구축 경험을 고품질 기준의 양산으로 전환했습니다. 3D 프린팅을 활용해 Daimler의 버스 부서는 커버, 핸들, 다양한 개별 브래킷 등 특수 부품 생산을 포함한 긴급 고객 요구에 빠르고 유연하며 경제적이고 환경 친화적으로 대응할 수 있습니다.
Daimler의 “3D 프린팅 역량 센터”는 2019년에 현재 버스 부품 30만 개 이상을 상세히 검토하여 3D 프린팅 부품으로의 적합성을 평가하기 시작했습니다. 현재 회사는 완전한 적층 제조 솔루션 부서를 보유하고 있으며, 이를 통해 조달 시간이 최대 80% 단축되고, 7,000개 이상의 잠재적 3D 프린팅 부품을 식별했으며, 400개가 넘는 승인된 부품 포트폴리오를 구축했습니다.
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 미래에 자동차 제조를 완전히 대체할지에 대한 의견은 아직 갈라져 있습니다. 전 Society of Manufacturing Engineers의 전무이사 겸 CEO인 Robert Willig에 따르면, ‘프린터 외에 다른 설비가 없는 거대한 공장’은 없을 수도 있다고 합니다.
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 자동차 제조에서 3D 프린팅의 강점이 과잉 재료 사용을 없애고 불필요한 폐기물을 감소시키며, 장거리 운송 및 보관 공간 필요성을 없애 환경 영향을 크게 줄일 수 있다고 믿습니다.
요약하면, 이는 유망한 지속 가능한 제조 방법입니다. 그러나 실제 성공을 위해서는 몇 가지 병목 현상을 해결해야 합니다. 예를 들어, 제품 품질 관리에 대한 확고한 통제가 필요하고, 과도한 후처리 요구를 없애며, 생산량을 향상시키고, 표준 부족 문제를 해결해야 합니다.
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.
