테크눈, 탄소섬유로 흡기 매니폴드 중량 감량

3D 프린팅으로 신속하고 복잡함을 단순하게

2018년 11월호 지면기사  /  글│STRATASYS


테크눈의 학생으로 구성된 모터스포트 팀은 3D 프린팅 새크리피셜 툴링으로 제작한 부품으로 만든 자동차로 최고의 기록을 세웠다.



테크눈 모터스포트 팀은 적층제조 기술을 활용함으로써 전통적으로 제조된 알루미늄 몰드를 사용하는 경우와 비교해 단 몇 시간 만에 핵심 부품을 위한 매우 복잡한 3D 인쇄 몰드를 생산했다. 스트라타시스 3D 프린팅 수용성 코어로 탄소섬유 소재를 이용해 흡기 매니폴드 중량을 60% 줄이는 결과를 냈다.



스페인의 명문대학 나바라(University of Navarra)의 테크눈 기술학교 학생들은 매년 포뮬러 스튜던트(Formula Student) 엔지니어링 대회에 참가하고 있다. 이와 관련 테크눈 모터스포트(Tecnun Motorsport) 팀은 적층제조 기술을 활용함으로써 전통적으로 제조된 알루미늄 몰드를 사용하는 경우와 비교해 단 몇 시간 만에 핵심 부품을 위한 매우 복잡한 3D 인쇄 몰드를 생산했다.

스트라타시스(Stratasys) 3D 프린팅 수용성 코어로 탄소섬유 소재를 이용해 흡기 매니폴드 중량을 60% 줄이는 결과를 냈다. 중요한 것은 제작 과정에서 절약된 시간을 이용해 설계를 반복적으로 수행하고 기존의 생산방식보다 더 가벼운 최종 부품을 개발해 트랙에서 자동차 성능을 향상시킨 점이다.



기존 생산방식의 한계 극복


나바라 대학은 높은 교육 수준의 기준점을 마련하며 스페인에서 가장 높은 취업률을 자랑하는데, 이러한 성공에는 실제 프로젝트에 가능한 많은 학생들의 참여를 독려한 대학의 지원도 한몫을 하고 있다. 그리고 테크눈 모터스포트가 그 한 가지 사례다.

테크눈 모터스포트 팀의 학생들은 교육과정에서 배운 엔지니어링 기술을 활용해 포뮬러 레이싱 자동차를 설계하고 제작하는 과정에서 다른 대학의 팀과 경쟁한다. 최근 대회에서 이들의 기본적인 목표는 자동차 성능을 높이기 위해 3D 프린팅을 사용하는 것이었다.

테크눈 모터스포트의 하비에르 아페리바이(Javier Aperribay) 기술책임은 “흡기 매니폴드 생산공법에 Stratasys FDM 새크리피셜 툴링(Sacricial Tooling)을 도입해 무겁고 비효율적인 재료 대신 탄소섬유를 사용할 수 있게 됐다”고 말했다.

팀은 3D 프린팅 기술을 적용할 수 있는 부분이 흡기 매니폴드의 설계이고, 여기서 승패가 좌우될 것이란 사실을 빠르게 알아차렸다. 하지만 테크눈 모터스포트의 하비에르 아페리바이 기술책임은 흡기 매니폴드 제작이 결코 쉬운 일이 아님을 알고 있었다.

“흡기 매니폴드 설계는 4개의 흡기 매니폴드를 따라 공기를 분배하는 데 중요한 여러 부품으로 구성되기 때문에 매우 복잡하다”고 설명했다.

팀에서는 중량과 연료 소모를 줄이기 위해 탄소섬유 복합재로 흡기 매니폴드를 제작하기로 결정했다. 이전에는 이러한 부품을 제작하려면 복합재 적층과 최종 파트 제작을 위한 몰드가 필요했다. CNC 가공을 사용해 알루미늄으로 몰드를 만들 수 있지만, 비탄력적이며 많은 비용이 발생한다. 또 이어지는 후속 수정 작업도 프로젝트를 지연시키고 추가 비용까지 발생시킬 수 있다.

아페리바이 기술책임은 “기존의 알루미늄 몰드 제작 방식을 사용하면 2개월이 걸린다. 팀은 주어진 짧은 기한동안 몰드를 다시 제작한다는 것은 불가능하기 때문에 흡기 매니폴드 설계에 적용할 수 있는 창의성이 제한적이라는 사실을 깨달았다”고 말했다.




몇 시간 만에 복잡한 설계를 현실로


현지 스트라타시스의 영업망인 피헬 시스테마스(Pixel Sistemas)는 대학을 돕고자 팀을 후원했고, 학생들을 위해 FDM 새크리피셜 몰드(Sacricial Mold)를 제작해줬다.

흡기 매니폴드를 위한 몰드 도구인 Stratasys Fortus 450mc™ 3D 프린터는 ST-130™ 새크리피셜 툴링(Sacricial Tooling) 재료로 인쇄되며 탄소섬유 복합재로 외관이 덮여있다. 경화한 후에 내부 코어를 세척하면 최종 복합 부품만 남기 때문에 복잡한 형상을 제작할 때 매우 효과적인 프로세스다.

아페리바이 기술책임은 “흡기 매니폴드 생산 공법에 Stratasys FDM 새크리피셜 툴링을 도입해 무겁고 비효율적인 재료 대신, 탄소 섬유를 사용할 수 있게 됐고, ST-130 재료의 강력한 수용성 덕분에 알루미늄 몰드에 비해 더 복잡한 흡기 매니폴드와 같은 형상도 효율적으로 제작할 수 있었다”며 “기존 알루미늄 몰드 제작 시에는 3주의 시간이 걸리는 데 비해, 흡기 매니폴드의 첫 번째 몰드는 불과 5시간 만에 3D 프린팅으로 완성됐다”고 말했다.

또 팀은 경화 프로세스 중에 재료가 최대 121°C의 고온과 특정 온도에서는 최대 620 kPa의 압력까지 견딘다는 점을 확인했다.

더 빠른 제작, 최적화된 시간

팀은 단축된 제작시간을 활용해 설계를 수정하는 데에 더 많은 시간을 투자할 수 있었다. 이를 통해 기존 제작방식에 비해 60%나 더 가벼운 최종 탄소섬유 흡기 부품을 얻을 수 있게 됐다.

테크눈 팀은 이 부품을 시험해보기 위해 2개의 국제 포뮬러 학생 레이스 대회에 참가했고, 결과적으로 최고 기록을 세웠다. 팀은 다음의 레이스를 기대하면서 FDM 새크리피셜 툴링이 차기 엔지니어링 과제를 극복하는 데 중요한 역할을 할 것이라는 점을 확신했다.
 

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