H   P   D   C

차량 제조업체는 고압 다이캐스팅을 솔루션으로 사용할 수 있는 곳과 그 한계가 무엇인지 신중하게 따져봐야 한다. 이것의 장점은 분명하다. 대형 캐스팅의 생산은 구조적 이유로 한계가 있겠지만 부품의 다양성과 생산비용을 줄이기 위한 중간 규모의 서브 스트럭처 생산은 잠재적인 핵심 응용 분야다.

글 | 롤랜드버거(Roland Berger)
문의 | 김광호(Kwangho Kim) 파트너_kwangho.kim@rolandberger.com








고압 다이캐스팅 - 차량 구조의 새로운 가능성
전기차서 보편화되는 알루미늄 캐스팅

용융 금속을 고압으로 금형에 주입하는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정은 자동차 업계에서 40×10×10인치 범위에서 설계 복잡도가 낮은 중소형 알루미늄 캐스팅을 생산하는 데 흔히 사용되는 기술이다. 그런데 테슬라가 HPDC를 활용해 대형 차량 부품을 생산하면서 파문이 일었다. 
60×60×30인치에 200 kg 이상 무게가 나가는 복잡한 디자인의 차량 부품 생산에 HPDC 애플리케이션은 비교적 새로운 것이지만, 전통적인 스틸 구조물에 대한 진지한 대안임이 입증되고 있고, 자동차 산업에서 클로저 부품, 차체 패널, 섀시 및 파워트레인 애플리케이션과 같은 중형 부품에서 침투율이 증가하고 있다.

하지만 이에 그치지 않고 생산 복잡성 증가와 비용 부담이 커짐에 따라 생산을 단순화할 수 있는 새로운 기술과 재료에 대한 집중적인 탐색이 이뤄지고 있다. 예를 들어, 전기 드라이브 플랫폼과 배터리 전기차(BEV)의 확장이 또 다른 과제를 제기하고 있다. 고성능 배터리의 통합으로 인한 차량 무게 증대는 주행 역학은 물론 에너지 소모량에도 부담이 되는데, 이런 문제를 개선하는 데 바디 설계를 단순화하면서 알루미늄 캐스팅을 훨씬 더 많이 사용하는 방법이 사용되고 있다. 
롤랜드버거는 모든 유형의 다이캐스팅에 대한 세계시장이 약 760억 달러에서 2026년까지 1,000억 달러 이상 시장으로 성장할 것으로 예상한다.







차체 구조 프로세스의 진화
알루미늄 사용 증가로 새로운 차체 구조 추진

전통적인 차체 구조에는 용접, 접합, 리벳과 같은 신뢰할 수 있는 접합기술을 사용해 다수의 부품을 접합한다. 이 공법은 그 가치가 입증됐고 수년간 검증된 공정으로 발전해 왔다. 또 설계는 강성, 강도, 고유 진동수 및 충돌 성능과 같은 차체의 기술적 특성을 최적화할 수 있는 광범위한 가능성을 제공한다.
반면, HPDC는 부품 수를 하나로 줄일 수 있고, 매우 복잡한 보강 요소를 쉽게 구현할 수 있는 제조 프로세스를 제공한다. 대형 다이캐스팅을 사용하면 몇 개 부품으로 차체 전체를 제작할 수 있다. 예를 들어, 테슬라는 HPDC를 사용해 모델 Y의 전면부와 후면부를 각각 단일 부품으로 제조하고 있고 추가적인 최적화 단계에 대한 비전도 이미 갖고 있다.

차체 구조는 계속 발전할 것이고 HPDC가 제공하는 기회는 아직 완전히 파악되지 않았다. HPDC는 차체 설계에 새로운 자극을 줄 수 있을 것이고 전기차의 배터리 트레이는 HPDC의 이점을 누릴 수 있는 핵심 컴포넌트 중 하나가 될 것이다. 하지만 기술의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 극초기 단계에 기술 결정을 디자인 프로세스에 통합하는 것이 중요하다.







테슬라가 리더      

알루미늄 다이캐스팅의 사용은 바디숍 디자인에 혁신을 가져왔다. 테슬라 모델 Y, 마세라티 그레칼레 SUV, 차세대 볼보 전기차 등 신차들과 일부 중국 OEM이 관례를 깨고 있다. 크고 매우 복잡한 차량 부품이 알루미늄 합금으로 캐스팅되고 있는 것이다.

테슬라는 대형 부품에 대한 HPDC 양산을 위해 제조공정에 많은 투자를 했고, 이를 위해 자동차 업계는 물론 다른 업계의 제품 디자이너, 기술 및 재료 전문가 및 생산 엔지니어들이 장비 제조업체와 매우 긴밀하게 협력하며 인상적인 결과를 얻었다. 예를 들어, 기가 프레스의 공급업체인 이드라 그룹(Idra)은 이미 테슬라를 추종하는 6개의 다른 자동차 회사들과 협력하고 있다. 테슬라는 이곳에서 약 3년의 경쟁력을 갖고 있다.
HPDC는 메가-캐스팅 머신의 초기 비용이 매우 높기 때문에 오직 대용량 제품에 대해서만 재정적으로 가능할 전망이다. 분석에 따르면, HPDC는 연간 모델당 250,000대에서 350,000대의 차량을 생산하는 데 있어 매력적인 옵션이다.







300개 이상 부품 
및 최대 40% 비용 절감

대형 캐스팅은 운영 프로세스의 복잡성을 크게 줄인다. 다이캐스트 알루미늄의 사용은 차체 하부 영역 디자인을 크게 바꿔, 그 결과 예를 들어 차량의 리어엔드에서 최대 100개 개별 부품을 하나의 캐스트 컴포넌트로 문제없이 교체할 수 있다. 
이를 통해 수백 대의 용접 및 프로세스 로봇이 불필요해지고 물류 구조가 크게 간소화되며 바디숍의 공간 요구량도 최대 40%까지 감소된다. 언뜻 보기에도 이것은 차량 제조의 효율성을 높이고 전체 생산공정 시간을 약 25%나 단축한다. 최대 40%의 비용 절감이 종종 언급되는 만큼 이를 실행하면 인상적인 효과를 얻을 수 있다.

하지만 이런 이점을 고려할 때 캐스팅 공구의 제한된 수명(100,000-150,000샷), 무거운 공구 교체에 요구되는 노력(80~100톤), 일부 경우 20% 이상의 높은 스크랩률 등 관련 공정 부담이 쉽게 간과된다. 또 캐스팅을 통한 대형 쉘 컴포넌트의 생산은 생산중단 시간이 길어질 위험을 수반하는 젊은 기술이어서 이에 대한 평가가 요구된다. HPDC 시스템은 디자인에 충분한 자유도가 있고 프레스의 낮은 유연성이 제한 요인이 아니기 때문에 균일한 제품 구조를 가진, 새로 시작하는 그린필드 현장에서 가장 잘 적용되지만, 반대로 광범위한 재사용 가능 생산시설과 이기종 생산 포트폴리오를 갖춘 현장, 브라운필드 구조로 광범위한 제한이 있는 곳에서는 가능성이 낮다는 것을 의미한다.









대형 부품 HPDC 적용은 아직 결정되지 않았다
자동차 제조업체 및 공급업체 전망

HPDC는 생산 복잡성을 줄이고 자본 지출을 줄이며, 공간 요구사항을 최소화할 수 있다. 그것은 또한 관용의 사슬에서 도전을 제거한다. 운송수단의 감소와 더불어 자동차 업계에 매력적인 옵션이 되었다. 
하지만 대형 캐스팅과 관련된 몇 가지 공정상의 약점은 여전히 존재한다. 예를 들면 빈번하고 비용이 많이 드는 공구 교체다. OEM은 장비 공급업체와 함께 강력한 프로세스를 얻기 위해 여전히 프로세스 최적화에 많은 투자를 해야 한다. 물론 도구 변경에 따른 높은 비용은 에너지, 인건비 및 자동화 비용 절감으로 상쇄되지만, 현재 대형 캐스팅 수리와 관련해 애프터마켓에 대한 답변은 아직 충분하지 않다. 작은 균열에 대해서는 MIG(Metal Inert Gas) 용접과 같은 수리 솔루션이 있을 것이지만 더 큰 손상의 경우 전체 구성요소를 교체할 방법이 없을 수 있다.

이 솔루션의 안정성과 비용 효율성은 아직 입증되지 않았다. 따라서 차량 제조업체는 HPDC를 솔루션으로 사용할 수 있는 곳과 그 한계가 무엇인지 신중하게 따져봐야 한다. HPDC의 장점은 분명하다. 스트럭처 부품 공급업체를 위한 경쟁장은 여전히 존재하지만, 다이캐스팅 프로세스에도 개방적이어야 한다. 대형 캐스팅의 생산은 구조적 문제로 한계가 있겠지만, 부품의 다양성과 생산비용을 줄이기 위한 중간 규모의 서브-스트럭처의 생산은 잠재적인 핵심 응용 분야다. 이 경우 서플라이어가 차량 개발에 일찍부터 참여해야 프로세스의 이점이 차량 개념에 구현될 수 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine