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[제조업의 메탈 3D 프린팅 활용법①]자동차 산업 생산성 향상에 부스터 달아주는 3D 프린팅

한국 경제의 기간 산업 중 하나인 자동차 산업. 세계적으로 시장 경쟁이 치열한 만큼 품질이나 생산성 향상을 위한 신기술 도입에 발 빠르게 나서는 산업 중 하나이기도 하다. 제조업의 3D 프린팅 기술 활용 방안을 보여줄 연재 기사의 첫 번째, 자동차 산업의 3D 프린팅 활용 사례를 통해 새로운 문제 해결 방법을 모색해보자.

3D 프린팅이라는 새로운 기술의 부상은 당장이라도 천지개벽을 일으킬 것만 같은 기대를 불러 일으켰다. 많은 사람들이 완전히 새로운 방식으로 완전히 새로운 무언가를 만들어 낼 수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 사람들이 간과한 것이 있다. 하나의 새로운 기술을 도입하기까지는 내부적 문제 인식에서 비롯한 수많은 연구 및 고민이 필요하다는 사실. 그간의 설비 투자에 대해서는 언제나 당연하게 선행되어 왔던 것이 어쩐지 3D 프린터에 만큼은 예외적인 듯하다. 3D 프린터와 기존의 생산 시스템을 완전히 분리하고, 3D 프린터로 무엇을 할 수 있을지에 대해서만 생각한다. 3D 프린터 한 대만 도입하면 대단한 혁신이 가능한 것처럼 잘못 형성된 인식에 기반하여 이 새로운 기술에 대해 기형적으로 접근하는 곳이 많다.

업계 관계자들은 3D 프린터로 무엇을 만들 수 있을지 생각하기 보다는 기존 방식으로 해결할  수  없었던 문제에 대한 솔루션의 하나로 3D 프린팅 기술에 접근해야 한다고 설명한 다. 3D 프린팅 기술이 가지고 있는 다양한 특성은 현장의 문제 해결에 충분한 잠재력을 가지고 있기 때문에 구체적 문제 설정만 선행된다면 실질적인 해결책으로 작용할 수 있다는 것이다.(관련기사보기)

이 기사를 시작으로 3회간 연재되는 ‘제조업의 메탈 3D 프린팅 활용법’. 메탈 3D 프린팅 선도 기업인 인스텍(InssTek)과 함께하는 이 기사에서는 이미 3D 프린터를 활용한 공법 혁신으로 해묵은 문제를 해결 중인 기업들의 사례를 산업 분야별로 소개한다. 기사 내에 등장하는 기업들이 3D프린터를 어떻게 활용하여 돈과 시간을 벌고 있는지 들여다보고 혁신의 돌파구를 찾아보는 것은 어떨까? 연재의 시작을 여는 첫 번째 산업 분야는 바로 자동차다.

하나의 금형으로 더 많은 실린더 헤드를 생산하는 방법

실린더 블록과 실린더 헤드는 자동차 엔진의 핵심 부품이다. 두 부품 다 연료 연소 시의 폭발 압력과 온도를 견뎌야 하기 때문에 높은 강도가 요구된다. 주조 방식으로 제작되는 실린더 블록과 실린더 헤드는 주철로 만들어지는 것이 보통이지만, 경량화 및 고성능화의 요구에 따라 알루미늄 합금도 많이 사용된다.

3D 프린팅으로 실린더 헤드 금형을 제작하고 있는 모습
3D 프린팅으로 실린더 헤드 금형을 제작하고 있는 모습

A 업체도 알루미늄 다이캐스팅으로 실린더 헤드를 생산하고 있는데, 캐스팅 시에 부식성 가스가 발생하여 금형 표면에 부식이 일어나는 것이 문제였다. 금형의 내부식성을 향상시켜 금형의 수명을 늘리고 싶었던 이 업체가 선택한 솔루션은 3D 프린터를 활용한 이종합금이다. 인스텍이 채택하고 있는 DED(Directed Energy Diposition) 방식 기반의 DMT 3D 프린팅 기술은 금속 표면에 레이저를 조사하여 용융 풀을 만들고, 만들어진 용융 풀에 공급된 금속 분말까지 완전히 용융한 다음 급속으로 응고시키는 방식이다. 레이어 간 완벽한 결합이 이루어지기 때문에 기계적 물성의 경우에도 단조재와 유사하거나 더 우수한 수준을 달성할 수 있으며, 이에따라 서로 다른 금속간 안정적인 이종합금 역시 가능하다.

3D 프린팅으로 제작한 실린더헤드 금형
3D 프린팅으로 제작한 실린더헤드 금형

A업체는 인스텍의 3D 프린팅 기술을 활용하여 H13(SKD61)종 소재를 기계 가공한 후에 부식이 발생하는 표면 부분에만 내부식성이 뛰어난 니켈 합금 소재인 Hastelloy를 프린팅했다. 고가의 소재를 필요한 부분에만 프린팅 했기 때문에 최소한의 비용만 들이고서도 큰 효과를 볼 수 있었는데, 금형 수명이 기존에 비해 2배 가까이 증가한 것이 가장 큰 성과다. 내부식성이 향상되어 1년 정도였던 금형 수명을 2년까지 연장시켰다. 실제로 해당 업체는 2015년에 제작한 4개의 금형 세트를 현재까지 잘 사용하고 있다고. 또한 알루미늄 소착이 완화되고 열 피로에 의한 결함 발생이 줄어 생산성은 물론 품 질까지 향상되었다.

자동차 부품 사출 공정의 리드 타임을 단축시킨 방법

3D 프린팅의 가장 잘 알려진 장점은 형상에 제약 없는 제품 생산이 가능하다는 것이다. 기존의 방식으로는 구현이 어려웠던 아주 복잡하고 까다로운 형상의 제품도 쉽게 제작할 수 있다.이를 가장 잘 보여주는 사례가 바로 금형의 3차원 냉각수로(Conformal cooling channel) 기술이다.

기존의 직선 건드릴 가공으로는 금형의 온도 관리가 어려웠다. 그러나 3D 프린팅 기술을 활용하면 아무리 복잡하고 기하학적인 구조라 하더라도 금형 내부에 고효율 냉각 채널을 자유롭게 생성할 수 있다. 이에 따라 제품의 변형 및 수축을 감소시켜 품질 향상이 가능함은 물론, 냉각 시간과 리드타임을 단축시켜 생산성도 향상된다.

3차원 냉각수로 기술을 도입한 플라스틱 사출 금형
3차원 냉각수로 기술을 도입한 플라스틱 사출 금형

자동차 산업에서도 헤드램프나 대시보드 등 다양한 부품 제작에 금형을 사용하는데, 이들 부품도 3차원 냉각수로가 적용된 스마트 금형으로 제작할 경우 품질이나 생산성 측면에서 획기적인 효과를 경험할 수 있다. 일례로 스마트 금형을 통한 헤드램프 사출 공정의 경우, 기존 금형을 활용한 경우에 20분이 소요되던 리드타임을 13분으로 40% 단축되기도 했다. 이처럼 생산성, 품질을 높이는 3차 원 냉각수로는 사출 금형을 비롯해 다이캐스팅 금형, 핫스탬핑 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

헤드램프 금형의 잦은 설계 변경에 대처하는 방법

국내 유명 완성차 기업인 B사는 헤드램프 금형 개발 및 제작 과정상의 잦은 디자인 변경으로 발생하는 비용 및 시간 문제를 해결하고 싶었다. 한 번 디자인이 변경될 때마다 새로운 금형을 다시 제작하느라 시간이 오래 걸리는 것은 물론, 1,500만 원 이상의 비용까지 들여야 했기 때문이다. 이에 P21 스틸 소재의 베이스에 같은 종류의 금속 파우더를  3D 프린팅하는 하이브리드 3D 프린팅 방식으로 금형을 새롭게 제작할 필요없이 자유롭게 디자인 변경이 가능하게 되었다. 총 4주가 걸리던 제작 기간은 1일로 단축되었고, 금형 하나 당 1,500 만 원이 들던 제작 비용은 200만 원으로 80%나 줄었다.

헤드램프 금형의 디자인 변경 전(좌)과 변경 후(우). 3D 프린팅으로 효율적인 디자인 변경이 가능하다.
헤드램프 금형의 디자인 변경 전(좌)과 변경 후(우). 3D 프린팅으로 효율적인 디자인 변경이 가능하다.

절삭이든 성형이든 이미 어떠한 공정을 거쳤다 하더라도 금속이기만 하면 바로 그 위에 조형할 수 있는 덕에 가능한 하이브리드 3D 프린팅 방식은 마모된 금속 제품의 보수에도 효율적이다. 마모된 부분을 인스텍의 DMT 프린팅으로 복원한 후 2만~6 만 Shot이던 수명이 15만 Shot으로 두 배 이상 연장된 커넥팅로드 트림 펀치 보수 사례가 그를 증명한다.

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타이어 금형, 알루미늄 리어 커버, 차체 경량화 부품 등 다양한 연구개발 분야에도 활용되고 있다.

3D프린팅 기술이 자동차 산업과 관련해 실제 제조 현장의 문제를 성공적으로 해결하고 있는 사례는 소개된 것보다 훨씬 다양하다. 또, 알루미늄 리어 커버, 타이어 금형, 차체 경량화 부품 등의 연구 개발 분야에도 활발히 활용되고 있는 만큼 자동차 산업의 3D 프린팅 기술 활용도는 앞으로도 지속적으로 증가할 것으로 보인다. 이제 정말 3D 프린팅은 뜬구름을 잡는 것이 아니라 시간과 돈을 벌어주는 ‘솔루션’ 으로서 제조 현장 속에 들어오고 있는 것이다.

메탈 3D 프린팅 도입에 관심이 있다면?

red_129mm_original_18256메탈 3D 프린팅 선도 기업인 인스텍은 시스템 판매와 함께 다양한 서비스 및 컨설팅 사업도 진행하고 있다. 메탈 3D 프린팅을 활용한 문제 해결에 관심이 있다면 인스텍의 국내 마케팅, 판매, 유통을 담당하고 있는 DKSH를 통해 누구나 문의할 수 있다.
Tel  02-2192-9715  Web  www.dksh.kr  E-mail  dksh.info.tec@dksh.com

 


‘제조업의 메탈 3D 프린팅 활용법②’는 12월 호에 게재됩니다. 

 

About 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)