다임러, 금속 적층제조 양산 접근

전 차종 대상 특정 부품 대량생산 적용 검토

2018년 11월호 지면기사  /  글│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr



1년 전. 프리미엄 에어로테크, 다임러, EOS는 3D 프린팅 기술을 이용하는 대량생산의 미래 시스템 토대 마련을 위한 ‘넥스트젠AM(NextGenAM)’이라는 조인트 이니셔티브 프로젝트를 시작했다. 그리고 지난 9월, 마침내 이들은 최초의 파일럿 공장을 독일 북부 함부르크 인근의 소도시 바렐에서 본격 가동시켰다. 자동차 산업에서 금속 3D 프린팅의 최초 양산 적용이 가까워지고 있다.




다임러의 차량 RD 및 지속가능 이동성 부문의 크리스토프 제들마이어(Christoph Sedlmayr) 매니저는 “적층제조(Additive Manufacturing, AM) 프로세스는 툴을 사용하지 않고 짧은 시간에 소량의 부품을 생산할 수 있게 해 리드 타임과 툴 비용을 절감케 하면서 빠른 개발주기로 출시시간도 크게 단축한다”면서 “또한 극도의 설계 유연성과 기능 통합의 범위는 기존의 제조공정을 통해 생산할 수 없었던 비정상적인 복잡한 구조 및 부품을 제조할 수 있게 한다”고 적층제조의 이점을 말했다.

다임러는 이미 소량이지만 원본 부품의 디지털 이미지만 있다면 기존의 생산방식으로는 더 이상 제공되지 않는 부품의 일부를 주문 생산하고 있다. 그러나 다임러 등 자동차 산업은 이 기술을 대량생산에 적용하려 하고 있다.

금속 양산 테스트

현재 다임러는 항공산업의 주요 공급업체인 프리미엄 에어로테크(Premium AEROTEC, PAG), 산업용 3D 프린팅 분야의 선도적인 기술 공급업체인 EOS와 함께 차세대 적층제조를 근본적으로 개발하기 위해 ‘넥스트젠AM’ 프로젝트를 전개하고 있다.

제들마이어 매니저는 “넥스트젠AM은 차세대 적층제조의 약자다. 특히 금속에 대한 적층제조 비용은 여전히 매우 높기 때문에 적용 가능성이 제한적이고 공정시간, 공정비용, 일관된 품질 확보와 관련해 조치가 필요하기 때문에 최적의 컴포넌트 디자인을 포함하는 전체 3D 프린팅 프로세스의 최적화가 중요한 상황이다”라며 “이 협력 프로젝트의 목표는 다가오는 해에 금속 3D 프린팅의 경제적 효율성을 크게 향상시키는 것으로, 이것은 응용 가능성을 크게 증가시킬 것”이라고 말했다.



프로젝트가 2017년 5월 공식적으로 시작된 이후 넥스트젠AM 팀은 자동화에서 적층제조의 잠재적 가능성을 면밀히 평가하기 위해 전체 적층제조 프로세스를 체크했고, 그 첫 번째 파일럿 플랜트를 독일 북부 바렐(Varel)의 프리미엄 에어로테크 기술 센터에서 가동시키기 시작했다. 목표는 자동차, 항공우주 산업을 위한 알루미늄 부품을 생산할 수 있는 완벽한 생산 셀을 개발하는 것이다.

특수한 목적의 파일럿 시설은 현재 적층제조, 후처리 공정 및 품질 보증을 위한 다양한 기계들로 구성됐다. 생산 체인에 대한 혁신은 개별 단계와 모든 적층제조 및 기존 공정 단계의 상호작용이 완전히 자동화되고 통합됐기 때문에 매뉴얼 단계를 제거한 것이다.

결과적으로 이는 복잡하고 경량이면서 동시에 매우 견고한 컴포넌트를 제조할 수 있으면서 높은 수준의 자동화를 이뤄내 수익성 높은 생산 기반을 마련한다.

제들마이어 매니저는 “프로젝트와 관련해 우리는 품질에 대해 절대로 타협하지 않으며 3D 프린터로 제작된 컴포넌트는 기존 방식으로 제조된 컴포넌트와 동일한 품질관리 대책을 적용받는다”며 “이 프로젝트의 결과는 승용차를 포함한 다양한 차량 부문의 부품 생산에 적용될 것”이라고 말했다.



4레이저 시스템


파일럿 생산 체인의 중심에는 금속 소재, 산업용 3D 프린팅을 위한 EOS M 400-4 4레이저 시스템이 있다.

이 시스템은 EOS 공유 모듈 컨셉(EOS Shared-Modules concept)의 주변 솔루션들과 함께 사용된다. 바렐의 EOS M 400-4는, 따라서 파우더 스테이션(powder station)과 함께 장비되고 스탠드얼론 셋업부, 탈거부(unpacking station)와 연결된다. 알루미늄 소재로 시스템을 채우고 비우는 작업, 새로운 빌드 작업을 준비하는 시스템 설정, 파우더베드로부터 빌드된 컴포넌트의 언패킹 작업이 실제 AM 빌드 프로세스와 관계없이 독립적으로, 병렬로 수행될 수 있다. 이렇게 해서 생산성이 크게 향상된다. 3D 프린팅된 부품들은 완전 자동화되고 가스로 보호되는 자동 인도 차량의 컨테이너를 통해 개별 스테이션 사이를 이동한다.

파트너들은 다운스트림 후처리 또한 광범위하게 자동화시켰다. 로봇은 셋업 스테이션으로부터 부품과 함께 빌드 플랫폼을 가져와 후속 열처리를 위해 퍼니스(furnace)에 배치한다. 그런 다음 동일한 로봇이 플랫폼을 다시 제거하고 품질 확인을 목적으로 3차원 광학 측정 시스템으로 가져간다. 마지막으로, 빌드 플랫폼은 플랫폼으로부터 부품을 분리하는 소우(saw)에 전달되고 컴포넌트를 추가로 사용할 준비를 한다.

제들마이어 매니저는 “프로세스 체인의 최적화는 경제적인 3D 프린팅 프로세스를 위한 가장 중요한 요소 중 하나다. 실제 구축 프로세스의 업스트림과 다운스트림 프로세스는 컴포넌트 제조비용의 최대 70%를 차지하기 때문에 우리는 프로세스 체인의 자동화와 생산공정 단계의 완벽한 통합에 주력하고 있다”며 “이를 통해 상당한 효율성을 얻을 수 있기 때문에 자동차 산업의 요구사항과 호환되는 생산경로에 중요한 요소가 될 것이다. 현재 우리는 마무리, 특정 최적화 조치 수행과 같은 개별 생산단계를 면밀히 검토 중”이라고 말했다.

자동화된 프로세스 체인의 성공적인 개발은 모든 프로젝트 파트너 간 유익한 협력의 결과이면서 각각은 다양한 기술과 경험을 제공한다. EOS는 산업용 3D 프린팅 분야의 하이엔드 솔루션에 대한 글로벌 기술, 품질 리더이고 에어로테크는 에어버스 항공기를 위해 3D 프린팅된 구조물을 양산 공급한 세계 최초의 제조사다. 지금까지는 티타늄 분말이 소재로 사용됐지만, 넥스트젠AM 프로젝트의 주요 목표 중 하나는 알루미늄을 사용할 수 있도록 하는 것이다. 여기서 자동차 제조사인 다임러는 파일럿 공장이 대규모의 부품생산을 하는데 중요한 경험을 제공한다.

에어로테크의 토마스 엠(Thomas Ehm) CEO는 “이번 프로젝트에서 우리는 이미 부품 당 생산비용을 크게 줄이는데 성공해 대규모 디지털 3D 프린팅 공장의 경제성을 창출했다”고 말했다. EOS의 토비야스 아베른(Tobias Abeln) CTO는 “자동화된 생산라인에 적층제조 프로세스의 통합은 대량생산 시나리오에서 우리 기술의 광범위한 애플리케이션에 대한 중요한 이정표”라고 말했다.

한편 다임러의 미래기술연구부문 수장 야스민 아이슬러(Jasmin Eichler)는 “3D 프린팅은 자동차 분야에서 확고한 다목적성을 가진 추가적인 제조법으로 자리매김할 수 있는 좋은 방법으로, 우리는 공동개발 프로젝트를 통해 프로세스 체인 전체에서 금속 3D 프린팅의 비용 효율성 달성에 중요한 단계를 밟고 있다”며 “기존 생산품의 구성요소와 동일한 신뢰성, 기능성, 수명, 경제성을 갖춘 자동차의 양산 공정에 대한 미래 대량생산 실현을 위한 초석을 마련했다”고 말했다.

이 파일럿 프로세스 체인은 올해 안에 바렐의 기술 센터에서 추가적인 테스트를 거쳐 시설의 일부가 감사될 예정이다. 생산품의 데이터는 수익성, 비용 최적화 등에 대한 정확한 데이터 대조를 위해 수집되고 분석될 것이다. 즉, 넥스트젠AM 프로젝트는 경제적인 적층제조 프로세스에서 매우 복잡한 알루미늄 컴포넌트의 대량생산이란 목표에 더욱 가까워졌음을 시사하는 것이다.

제들마이어 매니저는 “2017년에 우리는 넥스트젠AM이란 프로젝트 하에 금속 3D 프린팅에 초점을 맞춰 PAG, EOS와의 연구제휴에 들어가 3D 프린팅 프로세스 체인의 경제적 효율성을 달성하고 이 기술의 재료로 알루미늄을 인증하는 것을 목표로 했다”며 “궁극적으로 이것은 대규모 생산에서 3D 프린팅을 사용하기 위한 기초를 마련하기 위한 것인데, 8월 독일 북부의 바렐에서 최초의 파일럿 플랜트를 가동하며 프로젝트의 중요 이정표를 달성한 것”이라고 강조했다.



금속 소량생산


메르세데스 벤츠 트럭의 안드레아스 더슐레(Andreas Deuschle) 고객 서비스 및 부품 마케팅 운영 책임은 “3D 금속 프린팅 기술의 도입으로 메르세데스 벤츠 트럭은 이미 글로벌 상용차 메이커 사이에서 선구자적 역할을 하고 있다”고 말했다.

메르세데스 벤츠 트럭은 2017년 8월 트럭과 유니목 모델을 위한 최초의 금속으로 프린트된 예비 부품인 서모스탯 커버를 프린팅하고 메르세데스 벤츠의 엄격한 품질 보증 프로세스의 모든 단계를 통과시켰다.

제들마이어 매니저는 “서모스탯 커버는 3D 프린팅을 통해 견고한 부품에 대한 최고 품질, 경제적 생산의 교체 부품, 특수 부품 제공에 대한 것이면서 15년 전 생산이 중단된 구형 트럭과 유니목 등에 사용되는 극소량의 교체 부품 수요를 위한 것으로, 고객 서비스 및 부품 비즈니스에서 더 이상 설치되지 않거나 개별 고객의 특정 요구에 따라 극소수로만 생산되는 금속 컴포넌트를 합리적인 가격으로 생산하고 제공하는 방법에 대한 것”이라며, “반면 넥스트젠AM은 대량생산을 포함해 미래의 양산 작업에서 금속 부품의 경제적인 3D 프린팅 프로세스의 기초를 수립하는 것을 목표로 했는데, 이는 일련의 생산요소에 대한 자동차 업계의 요구사항을 통합하고 자동차에 적용할 수 있는 잠재력을 보여줌으로써 초기 개발 시점에 다양한 애플리케이션을 정의하고 개발을 구체화하는 것을 포함한다”고 비교 설명했다.

3D 프린팅에서 금속 부품은 매우 높은 강도와 내열성이 특징이다. 따라서 공정은 소량의 기계적, 열적 스트레스가 요구되는 소량 부품의 생산에 특히 적합하다. 금속 컴포넌트는 메르세데스 벤츠에서 어떤 기하학적 형태나 수량이라도 버튼 터치로 생산될 수 있다. 이 제품들은 기존의 다이캐스팅 알루미늄 부품보다 거의 100% 밀도와 순도가 탁월하다.

고강도 및 경도뿐만 아니라 높은 동적 저항성은 물론 비용 집약적인 개발 작업, 특수 공구 조달이 필요 없다. 사용 가능한 영역은 금속으로 만들어진 엔진 부품, 냉각 시스템, 트랜스미션, 액슬, 섀시 부품 등이다. 특히 복잡한 구조를 갖고, 드물게 요구되는 교체 부품, 특수 부품, 그리고 빈티지 모델과 같은 소량 생산에서 비용 효율적으로 생산할 수 있다.

더슐레 책임은 “고객이 워크샵을 방문했을 때 예비 부품의 사용 가능 여부는 매우 중요하다. 3D 프린팅의 가치는 속도와 유연성을 증대시키면서 특히 특수 부품과 스페어 부품 생산에 유익하다. 우리는 고객에게 생산이 중단된 제품까지도 예비 부품을 매력적인 가격으로 빠르게 제공할 수 있게 됐다”고 말했다.

플라스틱의 선택적 레이저 소결(SLS)과 달리 금속 부품의 3D 프린팅에는 선택적 레이저 용융(SLM) 기술이 사용된다. 예를 들어 서모스탯 커버의 경우, 분말 알루미늄과 실리콘 소재(ALSi10Mg)가 개별 층에 적용되고 에너지 원(일반적으로 하나 이상의 레이저)에 의해 용해된다.

하나의 층이 완성되면, 새로운 분말 층이 자동으로 적용되고 용융 공정이 반복된다. 이 공정은 고온 영역에서의 사용에 적합한 고강도 입체 알루미늄 부품이 제조될 때까지 반복된다. 계층화된 구조 덕분에 이 프로세스는 다른 제작 방법으로는 맞출 수 없는 수준의 기하학적 자유를 제공한다.

애프터마켓 비즈니스

제들마이어 매니저는 “3D 프린팅 기술은 다임러에서 25년 이상 이용돼 왔는데, 특히 프로토타입용으로 사용돼 왔다. 우리는 일반적으로 사용되는 적층제조 방법에 대한 광범위한 경험을 가지고 있다”며 “3D 프린팅된 적층제조 표준 컴포넌트들은 2016년 이후 교체 부품사업에서 사용되고 있는데, 다임러의 특수 목적, 상업용 차량에서 고객은 어떤 사이즈로도 주문할 수 있다”고 말했다.

현재 메르세데스 트럭에 대해 3D 프린터에서 30개의 대체부품 생산이 푸시 버튼으로 주문 생산이 가능하고 버스 세그먼트의 특수한 요구에도 대응하고 있다. 승용차 분야에서는, 예를 들어 영 클래식, 빈티지 차량용 3D 프린팅 교체부품을 메르세데스 클래식(Mercedes-Benz Classic)에서 구입할 수 있다. 물론 이 기술은 다임러의 툴 제작, 머신과 장비 생산에도 적용되고 있다.

다임러, 메르세데스 벤츠가 적층제조 기술을 사용해 제조한 첫 번째 플라스틱 소량 생산부품은 2016년 상용차 부문과 유니목 등 특수목적 차량이었다. 또 버스 사업부는 이 기술을 사용해 특별한 고객 옵션을 생산하고 있다. 메르세데스 벤츠는 이를 위해 CSP 3DD(Customer Services & Parts 3D Print) 프로젝트의 일부로서 3D 프린팅 프로세스를 사용해 특정 부품을 제조하기에 적합한지를 심층 검토했다.
가능한 특수 부품과 예비 부품은 고급 플라스틱 부품으로부터 만들어진다. 커버, 스페이서, 스프링 캡, 에어 덕트, 와이어링 덕트, 브래킷, 마운팅 등이 그 예다. 부품은 SLS 인쇄 프로세스를 기반으로 한 최첨단 3D 프린터로 제조된다. 이 제네러티브 레이어 제조 프로세스는 레이저를 사용해 분말 폴리아미드 원료 소재로 레이어별로 미리 프로그래밍된 3D 부품의 물리적 구조를 생성하는 것을 포함한다.

메르세데스 벤츠 트럭의 고품질 기준을 보장하기 위해 프로세스의 파라미터들은 다임러 리서치 및 어드밴스 엔지니어링 팀에 의해 최적화되고 지정됐다. 이것들은 다임러 표준으로 옮겨져 그룹 전반에 적용됐다. 이런 파라미터를 기반으로 트럭 파츠 엔지니어링(Trucks Parts Engineering)은 ‘생산적인 생산공정’으로 전환할 수 있는 예비 부품의 범위를 검토했다. 동일한 검토는 CSP 3DD EvoBus 프로젝트의 버스 부품에서도 동시에 수행됐다.

이렇게 하면, 예를 들어 낮은 수요 부품에 대한 툴링 비용을 절감하고 다년간 부품 가용성을 보장할 수 있다. 부품에 대한 모든 요구사항이 충족되면 3D 예비 부품이 부품 팀의 특정 부품 번호로 승인되고 전 세계 고객은 이를 주문할 수 있다.

3D 프린팅 프로세스는 특수 부품, 예비 부품 비즈니스에서 선구적인 역할을 한다. 이 프로세스를 통해 다임러는 더 이상 생산되지 않는 모델 시리즈의 부품 공급을 보장할 수 있다. 결과적으로 다임러의 제품 범위에는 매년 한정된 수요가 있는, 수년간 생산 설비와 도구를 보존하고 유지해야 하는, 생산이 비경제적인 부품을 포함하게 됐다. 3D 프린팅 프로세스는 각 3D 부품이 전 세계적으로 신속하게 제공되기 때문에 이러한 문제를 과거의 일로 만든다.

디자인 정의 및 주문을 받은 즉시 인쇄 작업을 수행할 수 있다. 이로 인해 부품 제조 및 납품이 훨씬 빨라졌다. 예비 부품 및 레트로핏 부품은 저장된 데이터를 기반으로 오랜 시간이 지나도 쉽게 ‘재인쇄’할 수 있기 때문에 값비싼 재고를 유지하지 않고도 납품할 수 있어 창고 보관의 필요성도 없앤다. 이와 동시에 자원과 환경을 보호하면서 비용을 절약할 수 있도록 한다. 엄청난 비용과 노력으로 재활용하거나 폐기해야 하는 과도한 재료의 사용이 필요치 않다.
 

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