기술자료[SLM Solutions 특집 4부] – BMW Group과 Audi의 금속 3D프린팅 활용 사례

BMW Group의 적층 제조 캠퍼스에 설치된 SLM Solutions 금속 3D프린터


지난 월간3D프린팅코리아 7월호의 스페셜 리포트에는 BMW Group의 적층 제조 캠퍼스 설립에 관한 기사가 공유되었다. 2020년 6월 25일, 세계 독일 자동차 제조사인 BMW Group은 독일 바이에른의 뮌헨 지구에 있는 오버슐라이쓰하임(Oberschleissheim)에 거대 규모의 ‘적층 제조 캠퍼스’를 오픈하여 언론에 공개하였다.


사진1. 독일 뮌헨에 위치한 BMW Group의 적층제조캠퍼스 간판모습

사진2. BMW Group 적층 제조 캠퍼스에 설치된 SLM Solutions사의 SLM®500

사진3. 적층 제조 캠퍼스 내 Selective Laser Sintering 공정부서에 설치된 Farsoon HT1001P


적층 제조 캠퍼스에는 금속 3D 프린팅 솔루션을 위해 SLM Solutions사의 주력 금속 3D프린터인 SLM500을 운용하는 모습을 볼 수 있다. 기능성 플라스틱을 양산하는 3D프린터는 놀랍게도 중국 Farsoon Technologies사의 대형 빌드 사이즈를 갖춘 HT1001P모델의 SLS 3D프린터를 운영하는 모습도 볼 수 있다.


새롭게 언론에 공개된 ‘적층 제조 캠퍼스’에는 현재 약 80명의 기술자가 근무하고 있으며 약 50대의 플라스틱 및 금속 3D 프린팅이 가능한 방식별 산업용 3D프린터가 운용되고 있다. 또한, 추가로 약 50대의 산업용 3D프린터가 각 전 세계 나라별 BMW 자동차 생산기지에서 소규모 양산 혹은 On-demand 용 생산에 활용되고 있고 한다.


Audi AG의 3D 프린팅 센터에 설치된 SLM Solutions 금속 3D프린터


사진4. Audi Ag의 Ingolstadt에 위치한 3D프린팅 센터 내 설치된 SLM®280 HL


BMW 외에도 Audi AG 또한 사내에 3D 프린팅 센터를 운영하고 있다. 2018년부터 SLM Solutions사의 PBF 방식의 SLM® 3D프린터를 운용하는 Ingolstadt의 3D프린팅 센터 내에서는 자동차의 단종된 부품이나 재고를 보유하고 있지 않은 스페어 파트의 빠른 출력을 위해 금속 3D프린터가 활용하고 있다. 참고로 Audi AG의 지주사인 Volkswagen Group은 현재 세계 26곳에 약 90대의 산업용 3D프린터를 운용하고 있다.


자동차 기업들이 사내 3D 프린팅 센터를 설립하는 이유는?


자동차 기업들이 이렇게 3D 프린팅 센터를 직접 설립하고 운영하는 이유는 무엇일까? 이 해답을 알기 위해 BMW Group의 적층 제조 캠퍼스 최고 책임자인 Jens Ertel의 인터뷰를 확인해 볼 필요가 있다.


사진5. BMW Group의 적층 제조 캠퍼스 수장이자 최고 책임자인 Jens Ertel


“BMW Group은 지난 30년 동안 적층 제조 부문에서 적층 제조를 위한 설계부터 장비 활용방법 및 후처리를 포함하는 포괄적인 3D 프린팅 기술을 익히고 개발해 왔습니다. 적층 제조 캠퍼스에는 최신 기술이 적용된 산업용 3D프린터를 도입하였으며 이는 우리가 가진 3D 프린팅 활용 기술을 한층 업그레이드할 수 있도록 도울 것입니다. 새로 도입된 최신 3D 프린팅 기술을 통해 기존 전통 제조방식 대비 설계의 제약사항을 줄이고 기능성을 가진 부품을 제조할 수 있습니다. 그것도 더욱 빨라진 제작 속도를 바탕으로 말입니다.


우리는 적층 제조 기술을 철저히 연구하고 익혀, 자동화된 자동차 생산 설비에 3D프린터를 투입하고 활용하는 것을 최종 목표로 삼고 있습니다. 이를 위해 전문 인력을 배치하여 3D 프린팅 기술력을 성숙시켜 나가고 있습니다.


현재 저희는 자동차 콘셉트 개발 단계에서 시제품 제작뿐만 아니라 부품의 소량 양산에서도 적층 제조 기술을 활용하고 있으며 소비자 맞춤형 액세서리 부품 제작 및 클래식 자동차 복원에도 3D 프린팅 기술을 사용하고 있습니다.”


Jens Ertel의 인터뷰에서도 알 수 있듯이, 산업용 금속 3D프린터를 활용하기 위한 최종 목적은 자동차 생산 프로세스 체인 속에 3D프린터가 통합되어 특정 부품을 연속적으로 생산하데 활용하는 것이다. 얻을 수 있는 혜택은 부품의 디자인을 혁신하고 생산 방식을 더욱 간소화하여 최종적으로는 부품의 생산 속도를 단축할 수 있다. SLM Solutions사의 글로벌 사업개발 부장인 Ralf Frohwerk는 자동차 생산 업체에 OEM으로 부품을 공급하는 1차 협력 업체 사들도 SLM Solutions사의 금속 3D프린터의 공정과 생산 방식을 이해하고 생산성과 품질을 평가하기 위해 많은 문의하고 있다고 한다.


독일의 IDAM Project : 자동차 생산 공정에 적층 제조 기술을 접목하기 위한 연구


사진6. IDAM 프로젝트에 협업중인 BMW Group과 12개 파트너사들의 단체사진


자동차 생산 공정에 적층 제조 기술을 통합시키기 위한 목표를 달성하기 위해 BMW Group은 산업용 규모의 관점에서 3D 프린팅 기술을 자동차 제조 생산 프로세스 체인에 접목하기 위한 연구 프로젝트인 IDAM Project를 12개의 파트너사와 협업하여 진행하고 있다. IDAM Project는 Industrialization and Digitization of Additive Manufacturing for Automotive Series Production의 줄임 말로써 자동차 제조를 위한 적층 제조 기술의 산업화와 디지털화에 중점을 둔 프로젝트이다.


독일 교육 연구부의 지원을 통해 실행하는 IDAM 프로젝트는 3D 프린팅 업계를 이끄는 주요 연구기관인 Fraunhofer Institute와 Laser Technology ILT가 속해 있다. IDAM 프로젝트 팀은 현재 개별 파트 혹은 스페어 파트의 특정 요구사항에 최적화된 금속 3D프리팅 생산라인을 적층 제조 캠퍼스 내에 마련했다. 목표는 연간 최소 50,000개의 금속 부품을 반복 생산하는 일이다. 현재 약 10,000개가 넘는 개별 파트 혹은 스페어 파트를 높은 품질로 생산해내고 있으며, 이를 통해 독일이 3D프린팅의 선구자 역할을 할 수 있도록 BMW Group이 지원하고 있다.


전사적인 3D 프린팅 교육을 위한 BMW Group의 적층 제조 캠퍼스


BMW Group의 적층 제조 캠퍼스는 회사 내 모든 직원에게 3D 프린팅 기술을 전파하는 교육장의 역할로도 운영된다. 3D 프린팅 기술을 전문적으로 알지 못했던 기존 직원들에게 각 방식별 3D프린터의 제조 공정부터 설계 방법과 이점들을 교육하기 위한 훈련 코스를 마련하여 교육 서비스를 전사적으로 진행한다.


사진7. BMW Group의 적층 제조 캠퍼스의 전사적 3D프린팅 교육활동 모습


“회사 내 설계부터 생산 프로세스에 관련된 많은 직원이 적층 제조 기술을 이해하지 못한다면 성공적인 3D 프린팅 생산 시스템을 구축하기 힘듭니다. 3D 프린팅 방식별 기술과 장점에 대해 알 때 디자이너들은 새로운 사고방식을 갖추어 새로운 접근법으로 더욱 훌륭한 제품을 설계할 수 있습니다. 예를 들어 기존 제작 방식에서는 설계에 대한 제약사항 때문에 만들지 못했던 모양과 형상도 3D 프린팅으로는 가능합니다. 이런 장점들을 알고 3D프린터를 활용할 때, 혁신적인 부품을 적용한 제품이 탄생할 수 있습니다.” – Jens Ertel, Head of BMW Group Additive Manufacturing Campus -


사진8. BMW Group이 소량 양산을 위해 활용중인 금속 3D프린터 SLM®500


적층 제조 캠퍼스를 제외하고도, 전 세계에 있는 BMW 자동차 생산 공장에는 3D 프린팅 장비가 도입되어 시제품, 양산용 부품의 소량 생산 및 맞춤형 고객 액세서리 등을 제조하고 있다. 적층 제조 생산 기술은 이미 BMW Group에게 기존 생산 방식을 보완하는 하나의 유용한 기술로 자리 잡았다.


BMW Group의 금속 3D 프린팅 활용사례 : BMW Roadster i8의 루프 브래킷 양산사례


BMW Group이 최초로 3D 프린팅 기술을 사용한 것은 1991년부터이다. 초기에는 컨셉 용 차량 개발을 위한 프로토타입 부품들을 플라스틱으로 제조하기 위해 사용했으나 현재는 금속 3D 프린팅을 이용하여 실제 차량에 적용되는 양산형 부품의 소량 생산을 위해 사용하고 있다. 금속 3D 프린팅으로 출력된 부품이 소량 양산되어 실제 판매되고 있는 차량에 적용되는 대표적인 사례를 소개한다.


사진9. 금속 3D프린팅 부품이 적용된 BMW i8 Roadster

사진10. 위상최적화 설계로 양산되고 있는 BMW Roadster i8의 루프 브라켓


BMW Roadster i8의 접이식 루프에 부착되는 브래킷은 현재 SLM Solutions사의 금속 3D프린터로 양산되어 실제 해당 모델의 부품으로 적용되고 있다. 해당 사례는 자동차 업계 최초로, 금속 3D 프린팅 부품이 판매 차량에 적용되기 위해 양산되고, 동시에 비용 절감을 이룩한 사례이다.


BMW i8 Roadster의 접이식 루프의 기존 폴딩 메커니즘은 매우 복잡한 구조와 더불어 상당한 무게가 나가는 부품이 적용되었으며 폴딩을 위해 상당한 공간을 차지했었다. 특히 루프의 무게를 들어 올리고 밀고 당기는 데 필요한 부품은 주조할 수 없는 복잡한 조각 구조가 필요하였다. 협력사인 AMC사는 위상 최적화 소프트웨어를 사용하여 이동하는데 필요한 하중의 무게와 공간을 고려하여 금속 3D 프린팅을 위한 새로운 루프 브래킷을 설계할 수 있었다.


사진11. 기존 브라켓(왼쪽)에서 위상최적화 설계로 단순화 및 경량화된 모습(오른쪽)


새롭게 설계된 브래킷은 루프 덮개의 힌지에 부착되어 루프를 펼치거나 접을 수 있으며 특별한 소음 감소조치(고무 댐퍼를 대던가 강한 스프링을 대던가 하는 일) 없이 루프를 펼칠 수 있다. 또한, 기존의 디자인보다 높은 강도를 유지하면서도 무게를 44% 낮출 수 있게 되었다.


사진12. 서포트 구조물 없이도 출력되며 소량 양산되고 있는 Roadster i8의 루프 브라켓 출력물


더욱 중요한 것은 설계 단계부터 빌드 배치를 고려하여 최적화된 형상과 구조로 디자인되어 단 하나의 서포트도 없이 출력이 가능하였다. 또한 파트의 구조 상 쌓아서 출력할 수 있어 하나의 빌드 플랫폼 당 최소 51개에서 최대 238개를 출력할 수 있도록 최적화하였다. 사용된 파우더 재료는 알루미늄 합금(AlSi10Mg)이며 출력물의 품질이 입증된 SLM 500 장비에서 양산되고 있다. 해당 브래킷은 금속 다이 캐스팅으로 제작하는 방식보다 부품의 제작 비용을 더욱 경제적으로 제작할 수 있게 되었다. 현재는 BMW Group의 Landshut 공장에 SLM® 금속 3D프린터가 설치되어 해당 부품을 양산하고 있다.


사진13. Roadster i8의 루프 브라켓 출력물을 빌드 플랫폼에서 직접 손으로 떼어내어 검사 중인 작업자


해당 프로젝트를 담당했던 BMW Group의 Maximilian Meixlsperger(이하 Max)는 해당 양산 프로젝트를 위해 다양한 금속 3D프린터 장비를 검토하였으며, 출력과 검증을 반복하여 부품의 반복 재현성에 문제가 없는 제품을 선정하기 위해 반년이 넘도록 고군분투하였다고 한다. 최종 결정된 장비는 본사의 적극적인 지원과 오랜 기술력을 안정성을 입증받은 SLM Solutions사의 금속 3D프린터가 선정되었다.


자동차 부문에서 위상 최적화를 통한 경량화에 성공한 부품 설계사례를 기리는 Altair Enlighten 수상식에서 해당 사례는 2018년 6업체의 수상사례 중 하나로 뽑힐 수 있었다.


Audi AG의 금속 3D 프린팅 활용사례 : On-demand 스페어 파트 제작에 활용


Audi AG 또한 독일 Ingolstadt에 전문 금속 3D 프린팅 센터를 운영 중이며 시제품과 툴링 부품을 제작하기 위한 플라스틱 3D 프린팅 시설과 스페어 파트 제조를 위한 금속 3D프린팅 시설을 함께 운영 중이다. 금속 3D프린터는 현재 SLM Solutions사의 SLM®280 HL제품과 독일 EOS사의 금속 3D프린터를 운영 중이다.


사진14. Audi AG의 Ingolstadt에 위치한 금속 3D프린팅 센터


Audi AG 사는 2016년 SLM®280 HL 금속 3D프린터를 구매하여 현재까지 다양한 스페어 파트를 제작하는데 활용하고 있다. 여기에는 일부 Audi A8 모델의 W12 엔진에 쓰이는 수랭 시스템 커넥터 같은 것들이 포함된다. “다소 주문량이 적은 스페어 파트 혹은 프로토타입 제품의 경우 기존 제작 방식보다는 SLM 금속 3D프린팅을 활용하는 것이 훨씬 효율적이고 적합합니다. 또한, 기존 방식으로 제조하던 부품과 비교할 때 SLM 금속 3D프린터로 제작한 부품의 하중 용량은 크게 차이가 없습니다. 오히려 더 새로운 방식으로 설계할 수 있는 자유를 줍니다.” -AUDI AG의 기술 개발부 Harald Eibisch-


Audi AG 금속 3D 프린팅 센터는 금형 제조 부서와 협업을 통해 독립적인 적층 제조 생산 작업장을 운영하고 있다. 효율적으로 금속 3D 프린팅 생산 시스템을 운영하기 위해 장비 운영실, 자재 창고, 후처리실 및 열처리실 작업장을 갖추고 다수의 장비 엔지니어와 기술자를 운영하고 있다. 금속 3D 프린팅 센터의 프로젝트 매니저인 Martin Bock은 고품질의 금속 출력물을 얻기 위해서는 애플리케이션 엔지니어가 금속 3D프린터에 대해 깊은 지식을 가지고 있어야 한다고 말한다.


사진15. Audi의 금속 3D프린팅 센터 프로젝트 매니저 Martin Bock


“애플리케이션 엔지니어는 적층 제조를 위한 설계방식을 이해하는 것에서부터 부품의 구조 강도, 가능한 변형률, 서포트의 배치 및 빌드 배치 등 모든 부분을 고려하여야 합니다. 장비 제조업체에서 교육과 기술지원을 제공할지라도 실제로 금속 3D프린팅을 위한 출력 프로세스 자체는 매우 복잡한 면이 있습니다. Audi AG는 금속 3D 프린팅을 위한 특수 교육을 받은 전문 엔지니어가 필요하고 다양한 출력 경험을 통해 노하우를 습득해야 합니다. Audi는 이 노하우를 축적하기 위해 전문 센터를 운영합니다.” -Audi 금속 3D프린팅 센터 프로젝트 매니저 Martin Bock-


금속 3D 프린팅을 활용한 스페어 파트의 생산은 Audi의 금속 3D프린팅 센터의 중요한 프로젝트 중 하나이다. 주로 AlSi10Mg의 금속 파우더 재료를 활용하고 있으며 Audi A8의 W12 엔진에 부속품인 수랭 시스템 커넥터 출력물은 Audi의 품질검사에 통과되어 규격화된 생산이 가능하다. 해당 부품의 성공적인 출력 덕분에 적층 제조에 적합한 다양한 스페어 파트를 테스트하고 있다. 현재 Audi의 A/S부서는 금속 3D프린팅 센터에 해당 부품을 주문하고 있으며 금속 3D프린터 덕분에 스페어 파트 재고를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 스페어 파트 생산을 위한 다양한 장비와 도구를 줄일 수 있어 비용이 크게 절감되고 있다.


사진16. 금속 3D프리터로 생산 중인 Audi A8의 W12 엔진용 수랭 커넥터

사진17. Audi AG의 A/S부서 Alexander Schmid “적은 수요의 AS용 스페어 파트는 금속 3D프린팅을 이용할 시 재고 부담을 덜어주며 필요 시 바로 출력하여 제공함으로써 시간과 물류비를 줄일 수 있습니다.”


스페어 파트 이외에도 Audi AG의 금속 3D 프린팅 센터에 들어오는 주문 건은 다양하다. 특히 생산 설비를 위한 부속품의 주문이 많은데 이는 다음과 같다. 냉각로가 설계된 금형 인서트 또는 위상 최적화 설계가 적용되어 중량이 감소한 지그와 고정구 등을 포함한다. 예를 들어 기존에 12kg의 중량을 가진 고정구의 경우 적층 제조를 위한 위상 최적화 설계를 통해 중량을 1/3로 줄여 생산 설비가 더 가벼워지고, 작업 효율이 높아짐으로써 최종적으로 생산 품질이 개선될 수 있다.


사진18. Audi AG의 금속 3D프린팅 센터에서 출력한 차량도어 내부 부품 단면

사진19. Audi AG의 금속 3D프린팅 센터에서 출력한 열성형 금형

사진20. Audi AG의 금속 3D프린팅 센터에서 출력한 Audi lunar quattro 달 탐지 로봇의 바퀴 (알루미늄 재료 AlSi10MgSr 사용)

사진21. Audi AG의 금속 3D프린팅 센터에서 출력한 차량용 전자식 에어콘 콤프레셔의 홀더


금속 3D프린터는 과연 자동차 생산의 미래를 어떻게 바꿀 것인가?


Audi의 Competence Center 소속의 금속 성형제조 책임자, Jörg Spindler는 금속 3D프린터가 자동차 산업의 변화를 얼마나 줄 것인지에 대해 탄소 섬유 강화 플라스틱의 도입에 비교하여 다음과 같이 말하였다. “탄소 섬유 강화 플라스틱이 자동차 제조에 도입되면서 기존 강판을 사용한 제조 방식을 변화시키지는 못했지만 오히려 새로운 가능성을 만들어 냈습니다. 금속 3D프린팅 또한 자동차의 자동화된 대량 생산 공정과 비교할 수 있는 제조 공정은 아니지만 어느 하위 공정에서는 혁신을 줄 수 있으며 새로운 가능성을 창출할 만한 매우 중요한 요소임에는 틀림없습니다.”


사진22. Audi의 Competence Center 소속의 금속 성형제조 책임자, Jörg Spindler


금속 3D프린터의 장비와 소프트웨어는 생산을 위한 품질이 보증되는 장비로 진화하기 위해 나날이 발전하고 있다. 다양한 업체에서 제공하는 위상 최적화 설계 솔루션 소프트웨어부터 출력 실패를 방지하는 빌드 시뮬레이션 솔루션이 등장하고 있으며 출력물에 대한 품질보증을 담보해 줄 프로세스 모니터링이 가능해지면서 자동차 기업들은 최종 사용이 가능한 출력물을 양산하기 위해 설비와 인력을 투자하고 있다. 현재 금속 3D프린터용 파우더 재료의 가격은 매우 고가이다. 따라서 위상 최적화를 위한 설계로 재료 투입량의 부담을 줄이는 금속 3D 프린팅 기술이 소개되고 있으며 단지 소량 양산 혹은 특별 제작 사례에 맞추어 활용되고 있지만. 추후 금속 파우더의 재료 가격이 내려가게 된다면 어떻게 될까? 미래를 상상해본다.


SLM Solutions사의 국내 공급사 ㈜퓨전테크놀로지


(주)퓨전테크놀로지는 고객사의 디지털 제조 혁신을 위해 SLM Solutions사의 고도화된 산업용 금속 3D프린터를 판매, 납품 및 유지 보수를 하는 전문 기업이다. ㈜퓨전테크놀로지의 임무는 고객을 위해 전문적인 SLM® 3D프린팅의 이점을 알리고 이를 극대화하여 고객의 요구 사항에 맞는 솔루션을 제공한다. 특히 SLM Solutions사의 고성능 금속 3D프린터의 운영 노하우를 컨설팅하고, 장비에 최적화된 알루미늄(Aluminium), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanium), 코발트(Cobalt) 및 스틸 합금(Steel) 등의 재료를 맞춤형 솔루션으로 제공함으로써 고객사의 디지털 제조 혁신을 돕고 있다.


(주)퓨전테크놀로지는 SLM Solutions사의 국내 유일한 공식 전문 공급사로서, SLM® 금속 3D프린터에 최적화된 설계 방법의 교육과 관련 S/W를 통해 전통적 방식에서는 제작하기 힘든 복잡한 형상 및 위상 최적화 설계 또는 lattice 구조의 설계를 지원하며 금속 3D 프린팅에 최적화된 DfAM 설계를 통해 고객사의 어플리케이션을 해결하고 경쟁 우위를 확보하는 데 도움을 줄 수 있도록 최선을 다하고 있다.

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