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[3D 프린팅 강좌 ④] 3D 프린팅 자동차 산업 분야 적용 사례
시작품산업은 끝나고 실질적 양산 체제로… 국내 금속 3D 프린터의 발전으로 세대 교체 기대

[메탈쓰리디 주승환 CTO] 전 세계 산업 중에서 제조업은 전 세계 GDP 중 15.6%에 달할 정도로 많은 비중을 차지하는 산업이다. 이 중 3D 프린팅이 차지하는 비율을 예측하면 제조업의 15% 정도로 예측되고 있다. 국내의 경우 전체 산업 중 제조업이 차지하는 비중은 글로벌 시장보다 11.6%p 높은 27.2%다. 특히 동차 산업은 조선업과 에너지, 건설기계, 중공업과 더불어 국내 주력 산업이다.

한국 제조업에서 자동차 산업은 절대적으로 중요한 비중을 차지하고 있으며, 이는 3D 프린팅 기술 활용에도 큰 영향을 미치고 있다. [사진=utoimage]

국내 제조업 중 자동차 산업은 주요 수출품목 3위를 기록하고 있는데, 특히 H·G 자동차를 기반으로 활성화돼 있으며 해당 기업은 글로벌 기업별 자동차 판매량 순위 5위에 오르는 등, 전 세계 자동차 시장에서도 큰 영향력을 가지고 있다. 

변화하는 자동차 시장, 3D 프린팅 활용 급성장

최근 4차 산업혁명과 관련된 기술이 개발됨에 따라 기존의 제조업의 패러다임이 변화하고 있다. 특히, 여러 단계로 제품 및 부품을 생산하던 기존의 상황을 벗어나 3D 프린팅 기술을 활용한 제품 생산이 가능해지고 있다. 특히 고강도 및 고내구성을 요하는 현장에서도 적용이 확산되고 있으며, 3D 프린팅을 통해 복잡한 형상의 부품을 빠른 속도와 낮은 비용으로 제작할 수 있게 됐다. 따라서 이제 국내 자동차 시장에서도 3D 프린팅 기술의 도입을 서두르고 있다.

특히, 그동안 외산 장비에 의존했던 자동차 타이어 금형 부품 등 금속 3D 프린팅 기술이 메탈쓰리디를 통해 국산화가 이뤄지면서 조만간 양산 체제에 돌입할 예정이다. 또한, 울산의  3D 프린팅 공급기업 라오닉스와 쓰리디솔루션은 자동차 생산에 필요한 3D 프린팅 생산 설비의 국산화를 시도 중이다.

또한, 쓰리디솔루션은 H 자동차 조립 라인에 3D 프린팅 기술을 활용한 지그 제작에 대한 협력계약을 체결해, 연간 5만 개의 지그를 H 자동차에 납품할 예정이다. 이밖에도 3D 프린팅 회사 두 곳이 기존 생산 방식의 납품 업체와 같이 경쟁 납품 중인데, 기존 생산 방식은 단가면에서 3D 프린팅을 활용한 방식을 못 따라가고 있는 현실이다.

3D 프린팅 전문 시장조사 기관인 Wohlers Associates는 자동차 산업(19.6%)이 글로벌 3D 프린팅 시장에서 산업기계(19.8%) 다음으로 큰 비중을 차지하고 있다고 밝혔다. 국내에서도 자동차 산업이 3D 프린팅 시장의 2위 차지를 하고 있다.

자동차 산업은 2만개가 넘는 부품의 결합을 통해 제품이 완성되는 시장이다. 자동차 산업은 2만개가 넘는 부품의 결합을 통해 제품이 완성되는 시장이다. 하지만 최근 전기자동차 시장이 활성화되면서 제품 시장도 변화가 예고되고 있다. 전기차 산업으로 바뀌게 되면 부품의 수가 줄고 5만대 이하의 차량이 양산되는 다품종 소량생산의 시장으로 변화가 이뤄질 것이다, 이때, 40~50%의 부품이 3D 프린팅 부품으로 바뀔 것으로 예상된다. 전기차 시장에서 3D 프린팅 기반의 부품 제조가 상용화될 경우, 자동차 부품 공급 업체의 시장 구조도 새롭게 개편되면서 이에 적응하지 못하는 회사는 쇠락의 길을 걷게 될 것이다.

메탈쓰리디는 금속 3D 프린팅으로 15인치 자동차 휠 설계 및 제작으로 실제로 차량에 장착했다. [사진=메탈쓰리디]

해외 자동차 부품 산업에서의 3D 프린팅 활용

자동차 산업 내 3D 프린팅 활용 현황, 주요 기업들의 투자현황 및 국내의 실제 생산 사례를 통해 향후 어떻게 자동차 부품 업체가 생존을 할 것인가에 대해서 알아보자.

자동차 산업은 3D 프린팅 기술이 개발된 이후, 포드를 시작으로 관련 기술이 활용됐으며, 1980년대 후반에서 1990년대 초반 자동차 부품 생산 적용을 위해 3D 프린팅 기술에 많은 투자 초기 3D 프린팅 기술의 한계로 인해 출력물 대부분은 디자인 검증 용도로 활용됐다. 하지만 최근에는 기술이 진보하면서 활용 범위도 점차 확대되고 있다. 현재는 3D 프린팅을 활용한 양산체제에 들어가는 상황이다. 하지만 항공 산업과 달리 자동차 산업은 바로 모방이 가능하기 때문에 일본 도요타나 독일 자동차 회사들은 자신들의 실제 생산 상황을 비밀로 하고 있다. 따라서 일반인들은 실제 자동차 시장의 변화를 감지하기 어려웠다.

국내에서는 플라스틱 기반으로 시제품·지그·부속품 생산 등 제품생산 영역까지 3D 프린팅 기술이 활용돼, H 자동차에 납품되고 있다. 이를 감안하면 전체 1조원의 생산 보조 시장 중 약 3,000억 정도가 3D 프린팅으로 대체 될 것으로 예상된다. 이 중 플라스틱의 일부가 납품되고 있는 실정으로 초기 시장이 불과하다. 하지만 HP 3D 프린터 제품의 경우 사출 정도의 생산이 이미 가능한 수준까지 와있다. 따라서 기존의 사출업체는 대부분 10년 이내에 사라지거나 3D 프린팅 등의 신기술 등으로 교체될 것으로 보인다.

폭스바겐, 포드, BMW 등 주요 자동차 기업들은 3D 프린팅 기술 관련 투자 및 유관 연구 기관·기업들과의 협업, 자체적인 R&D를 지속하며 실제 부품을 제작하기 시작했다. 특히 BMW는 부품 생산에 3D 프린팅 기술을 적용하고 있는데, AM 캠퍼스라는 새로운 형태의 공장을 투자해 완공했다. 이곳에 있는 BMW 3D 프린팅 캠퍼스에서는 실제 수십만 개의 부품을 양산해 고가의 자동차를 대상으로 우선 적용 중에 있다.(출처=The Wheel Network 유튜브)

또한, BMW는 금속 3D 프린팅의 처음 실제 양산 사례를 가장 먼저 실현했다. BMW는 BMW i8의 보닛(Bonnet)을 개폐하기 위해 쓰이는 경첩인 후드 힌지(hood hinge)를 금속 3D 프린팅 기술로 실현해 판매하고 있다. 이 제품은 3D 프린터로 양산시 서포트가 거의 없어서, 후가공 처리 없이 바로 떼어서 사용할 수 있는 실제 양산 사례다. 이것은 2018형 BMW i8 로드스터(Roadster)에 3D 프린팅 기술로 제작한 브래킷을 적용했고, 루프의 하중을 견디고 밀고 당길 수 있는 복잡한 구조가 필요해 기존의 캐스팅 방식으로는 제작할 수 없어, 3D 프린팅 기술을 활용하여 제작. 컨버터블 루프 형태의 자동차 루프커버 끝부분 양쪽에 하나씩 배치돼 차량과 루프커버를 연결 3D 프린팅 기술을 통해 기존 브래킷 대비 10배 이상의 인장강도와 무게 44%를 감소했다.(출처=BMW블로그)

BMW는 BMW i8의 후드 힌지(hood hinge)를 금속 3D 프린팅 기술로 실현해 판매하고 있다. [사진=BMW블로그]

국내 자동차 부품 산업에서의 3D 프린팅 활용

자동차 금형의 사이프의 경우 외산으로 대량 생산 중인데, 현재 국산화가 완료돼 대량 생산 예정이다. 이미, 이 국산 장비를 활용해서 여러 업체가 진출하고 있으며, 국내 타이어 회사 3사에도 납품을 준비 중이다.

타이어에 들어가는 사이프(Sipe, 타이어 표면에 가로 방향으로 새겨진 미세한 홈)는 금속 3D 프린팅으로 유일하게 한국에서 양산이 가능한데, 메탈쓰리디가 이 3D 프린터 생산을 진행 중이다. 동사는 이 부품을 시작으로 시장을 개척해서, 이것을 생산하기 위해서 장비와 우리 공정 기술을 국내에 보급하려고 하며, 이미 H 중공업 납품 등록 업체로서 충분한 기술과 장비 보유하고 있다.

외산 장비 EOS, GE 장비 등에서 600개씩 하루에 한 장비에서 생산을 하는데 비해서 국산 장비 가격과 소재 수입 및 국내 가격이 반값으로 생산 시 충분한 경쟁력을 가지고 있다. 이 부품의 경우 외산 장비 업체를 사용 업체가 고가의 장비와 소재 단가 면에서 따라올 수 없다. 외산 장비에서 찍은 것과 성능 비교와 외산 단가를 비교해보고, 국내 장비로 생산을 하게 할 단가로 공급 예정이다.

외국 장비 업체의 경우는 단가, 품질을 국내 장비로 생산한 제품에 맞출 수가 없게 됨으로 인해, 고가의 새로운 부품 개발과 장비 가격에 맞는 부품 생산을 하게 하고, 국내 업체의 경우 국내 장비를 활용해 생산 가능한 부품을 만들어 주려는 것이다. 이에 따라서 국내 타이어 업체에 맞는 3D 프린팅 부품 생산 업체가 늘어나 고용 창출이 가능할 것이다. 동사는 부품 양산 시스템을 개발해 각 업체에 국산 장비, 국산 소재를 공급할 예정이다.

자동차 휠 제작 사례

한국적층제조사용자협회(KAMUG)와 메탈쓰리디는 설계 및 개발을 통해 금속 3D 프린팅으로 15인치 휠을 제작하는 데 성공했다. 자동차 휠은 연비는 물론 주행 성능 및 제동 기능, 연비 등 여러 기능에 영향을 크게 미치는 부품이다. 특히 연비 규제강화로 자동차 경량화가 시급한 상황에서 휠의 무게를 1kg 줄일 경우 자동차가 달릴 때, 4개의 휠에서 얻는 무게 감소 효과는 최소 160~180kg에 이른다. 이 휠은 H 자동차의 아반테에 장착돼 실제 운행이 진행됐으며, 벤츠 시리즈용 휠 18인치, 19인치 등 다양한 크기로 제작하고 향후 고급차 휠 등을 주문에 따라, 제작할 예정이다.

타이어 금형 제작 사례

자동차 타이어는 주행과 제동이라는 기본 역할을 수행한다. 포장과 비포장 등의 도로환경에 상관없이 운행돼 한다. 커브 및 경사각, 눈, 비, 바람 등의 자연환경에 따른 유동, 저항, 마찰 등을 고려한 최적의 설계로 안전하고 부드러운 주행도 보장돼야 한다. 하지만 이 타이어 제조과정이 복잡하다. 바로 스레드(Thread) 때문이다. 스레드는 일반 사용자인 우리가 단순 디자인의 심미적 요소로 간주하는 타이어상의 라인 형상의 홈이다. 타이어 스레드의 역할은 쾌적한 환경에서 주행할 때에 공기 흐름을 통해 유동성 보완으로 부드러운 주행을 할 수 있도록 한다. 중요한 것은 스레드의 선형 패턴이 구 형태의 타이어 형상에 성형하는 것이 어렵다는 점이다. 타이어의 기본 베이스 형상에 구현된 스레드 모형인 사이프를 설계하고 이를 일체형으로 제작하기에는 전통적 제조 공법으로는 한계가 있다.

이에 동사는 Power Bed Fusion(PBF) 방식의 금속 3D 프린팅을 이용하여 복잡한 형상의 타이어 금형을 제작했다. 타이어 금형 제조 시 발생하는 열 변형에 대해, 사전에 시뮬레이션을 거쳐 열 변형을 파악했으며, 검증된 해석결과를 이용해 보상(Compensation) 기능에 따른 타이어 금형의 변형을 분석하고 최적화된 3D 프린팅 공정 방법을 제안해 금형을 제작했다.

보상 기능을 적용하기 전, 타이어 금형 출력물은 약 1.5mm 정도 Z축 방향으로 변형이 발생했으나, 적용 후 출력물은 약 0.04 mm로 가장 적은 열 변형이 발생하는 것을 확인했. 실제 3D 프린팅 빌드 조건을 동일하게 하고 보상 설계를 이용할 때, 최대 3.6% 정도의 변형 감소 효과를 보였고, 변형을 최소화하기 위해서는 보상 설계 기능을 해야 한다는 것을 증명했다. 

3D 프린팅으로 제작한 타이어 금형(AM 시뮬레이션을 통해 정밀도 향상) [사진=메탈쓰리디]

자동차용 후드 힌지

기존 제품 개발 시 성능조건을 만족할 때까지 지속해서 형상을 변경했으며, 차종 개발 속도가 현저히 지연됐다. H 자동차 소속 이준철·양주석·최승연씨가 제작한 자동차용 후드 힌지는 자동차 후드를 개폐하기 위한 부품으로 3D 프린팅을 적용해 위상최적화를 통한 기존 대비 부품 강도 향상과 경량화에 성공했다. 이를 통해 부품개발 속도가 빨라지고 소량 생산시 금형 투자비가 필요 없고 가격 경쟁력이 있어서 자동차 산업 현장에서의 파급 효과가 크다.

이 자동차용 후드 힌지는 울산정보산업진흥원과 KAMUG 주관으로 열린 ‘제3회 DfAM(적층제조특화설계) 경진대회’에서 대상을 수상한 바 있다. 생산대수별 비용(3D 프린팅 Vs 기존 힌지)은 소재 단가는 현재 단계에서 3D 프린팅이 불리하지만, 금형 투자비가 없으므로 소량 생산에서는 유리할 것으로 판단된다. 또한, 소재비 구매 기준 18년(17만8,400원/kg) 대비→19년(7만7,500원/kg) 57% 하락해, 소재비 5만원/kg 수준으로 감소시 생산대수 273대로 크게 증가할 것으로 판단된다. H 자동차는 대형 차체/섀시/의장 부품 생산에 적용할 예정이다.

3D 프린팅 테크페스타 2019년 DfAM(적층제조특화설계) 경진대회 대상작(H 자동차) [사진=메탈쓰리디]

결론적으로, 자동차산업 내 3D 프린팅 활용은 디자인 검증, 시제품, 지그, 부속품 등의 생산을 위한 특히 소재, 장비 등 금속 3D 프린팅 관련 기술 개발로 3D 프린팅에 기반한 제조 산업으로 변화가 되고 있다. 이 흐름에 따라가지 못하는 자동차 부품 업체는 도태가 될 것이다. 시제품 제작의 시대가 끝나가고 있는 것이다.

메탈쓰리디 주승환 CTO
메탈쓰리디 주승환 CTO

H 자동차는 부품간 조립성 평가, 성능 최적화 과정을 통해 1~2년 내로 3D 프린팅 부품을 실제 자동차에 적용할 것으로 예측하고 있다. 금속형 자동차 부품 기반의 3D 프린팅 대량생산은 향후 자동차 산업의 주도권 확보를 위해 매우 중요한 이슈가 될 것이다.

이를 위해, 금속 3D 프린팅 전문 기업 간의 협업 확대, DfAM 적용을 위한 전문인력 확보와 기업 인수 합병 및 투자가 금속 3D 프린팅 업체를 중심으로 진행이 되고 있다. 또한, 정부의 경우, 울산시를 중심으로 합금형 금속 소재 개발 확대 등 자동차 산업 내 국내 3D 프린팅 기술의 주도권 확보를 위한 정부·기업의 적절한 대책이 시행되고 있다.

 

 

 

 

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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