활용사례[SLM 3D프린터 활용사례] Porsche, NXG XII 600을 이용하여 엔진 하우징 부품 출력

지난 2020년 11월 Formnext Connect에서 발표된 SLM Solutions의 새로운 신제품 NXG XII 600 장비는 12개의 동시에 작동 가능한 1kW 레이저와 600 x 600 x 600 mm 사이즈의 빌드 플랫폼을 장착한 대량 생산 및 대형 부품 출력을 위한 혁신적인 솔루션입니다.


특히, 연속 생산을 위해 설계된 NXG XII 600은 자동차 산업과 항공우주 산업에서 새롭고 다양한 어플리케이션 솔루션을 제공할 수 있습니다. 세계적인 자동차 제조업체인 포르쉐는 이러한 NXG XII 600의 생산성을 테스트하기로 결정했습니다.



포르쉐가 부품 제작에 3D프린팅 기술을 사용하는 것은 이번이 처음이 아닙니다. 포르쉐는 1980년대부터 RP를 시작으로 이미 여러 분야에서 `3D프린팅 기술을 활용하여 시장의 진화와 함께 많은 완성된 부품을 설계해왔습니다.


이후 2020년 7월에 포르쉐는 플래그십 모델 중 하나인 포르쉐 911 GT2 RS의 엔진 피스톤을 3D프린팅 기술을 활용하여 처음으로 생산했습니다. 3D프린팅 기술을 통해 엔진 피스톤에 작용하는 하중에 최적화된 구조로 설계하여 결과적으로 기존 단조로 생산한 피스톤보다 10% 중량 감소를 달성하였습니다. 



이뿐만 아니라, 기존 방법으로는 생산할 수 없었던 피스톤 크라운에 폐쇄된 냉각 덕트를 통합하여 엔진 속도를 높이고 피스톤의 온도 부하를 낮추어 연소를 최적화하는 등 효율성을 향상시킬 수 있었습니다.


포르쉐 클래식 또한 3D프린팅 기술을 활용하여 이전에는 더 이상 사용할 수 없었던 플라스틱, 강철 및 합금 스페어 파트를 재생산하고 있습니다. 클래식카 부품의 경우 수요가 적기 때문에 기업의 입장에서는 소량의 부품을 제조하기 위해 엄청난 비용이 발생할 수 밖에 없습니다. 이것이 바로 포르쉐 클래식이 수요가 적은 특정 스페어 파트 제작을 위해 3D프린팅 기술을 활용한 이유입니다. 



현재  포르쉐 클래식은 3D프린팅 기술을 활용하여 9개의 스페어 파트를 생산하고 있으며 20개의 부품을 추가적으로 테스트하고 있습니다. 




가볍고 효율적인 3D프린팅 E-Drive 하우징


포르쉐는 최근 SLM Solutions에서 새롭게 출시된 NXG XII 600 장비를 사용하여 최초로 E-Drive 하우징 부품을 생산했습니다. NXG XII 600에 장착된 12개의 1kW 레이저 덕분에 590 x 560 x 367mm의 대형 부품을 출력하는 데 단 21시간이 소요되었습니다. 



NXG XII 600을 사용하여 출력된 E-Drive 하우징은 통합된 2단 변속기와 모터로 구성되어 포르쉐 스포츠카의 앞 차축에 사용하도록 설계되었습니다. 위상최적화(Topology Optimization) 방법을 사용하여 베어링, 열 교환기 등과 같은 다양한 부품을 가능한 최적의 방법으로 통합하고 최종 부품을 최적화하기 위해 하중과 궤적을 계산하여 허니콤(honeycomb) 구조를 구상하였습니다. 



그 결과, 아직 프로토타입 단계이지만 기존 주조 부품보다 더 가벼우며 드라이브의 총 중량을 약 10% 감소시켰을 뿐만 아니라, 3D프린팅을 통해서만 가능한 특수 구조 덕분에 응력을 많이 받는 영역에서 강성을 두 배로 높였습니다. 



부품의 강성을 높이는 것 외에도 3D프린팅 기술로만 가능한 기능 및 부품 통합을 통해 전기 모터와 동일한 하우징에 다운스트림 2단 기어 박스가 통합되어 결과적으로 기어박스 열 교환기의 최적화된 열 전달 덕분에 드라이브의 냉각 기능이 향상되었습니다.


포르쉐의 초기 목표는 3D프린팅 가능성이 있는 E-Drive를 개발하는 동시에 가능한 한 많은 기능과 부품을 통합하여 무게를 줄이고 구조를 최적화하는 것이었기 때문에 결과는 아주 성공적이었습니다.



출력된 부품은 알루미늄 합금 소재로 출력되어 총 15.5KG의 무게로 포르쉐의 모든 품질 테스트와 저항 테스트를 성공적으로 통과하였습니다. 




SLM Technology


이번 프로젝트에 사용된 SLM Solutions의 NXG XII 600은 동시에 작동 할 수 있는 12개의 중첩 1kW 레이저가 장착되어 있으며 600x600x600mm의 빌드 사이즈와 결합되어 최대 120µm 적층 두께의 대량 스페어 파트 생산을 용이하게 합니다. 또한 가변 빔 스팟, 양방향 리코팅 시스템, 레이저 밸런스 및 최적화된 가스 흐름을 특징으로 하여 생산성을 향상시킵니다.



SLM Solutions의 Commercial Director인 Ralf Frohwerk는 다음과 같이 말합니다. “우리는 포르쉐와 같이 혁신적인 회사와 협력하게 되어 기쁘고 자랑스럽습니다. NXG XII 600은 자동차 부품의 성능과 기능적 향상을 비교할 수 없는 수준으로 달성하는 동시에 진정한 양산을 위해 3D프린팅 기술을 광범위하게 사용할 수 있는 비용 생산성을 제공합니다. 포르쉐 애플리케이션을 위한 금속 3D프린팅의 완전한 산업화를 향한 이 큰 발걸음을 내딛게 되어 기쁩니다.”


SLM® 기술은 고출력의 레이저를 사용하여 미리 정의된 경로를 따라 금속 파우더를 녹이는 반복적인 프로세스로 이전에는 주조, 드릴링 또는 밀링과 같은 기술로는 불가능하다고 여겨졌던 복잡한 모양의 부품을 간단하면서도 빠르게 제작할 수 있습니다. 이는 전통적인 제조 방법의 제약을 효과적으로 제거하고 전례없는 설계 자유를 가능하게 합니다.




포르쉐의 파워 트레인 개발 부서의 프로젝트 매니저인 Falk Heilfort는 이번 프로젝트를 통해 여러 장점을 가진 3D프린팅 기술이 전기 스포츠카의 대형 고응력 부품 생산에 적합하다는 것과 앞으로의 잠재력을 증명하였다고 말합니다. 

그러면서 이 새로운 제조 기술이 기술적인 면과 경제적인 면에서 매력적일뿐 아니라 앞으로 개발 단계의 프로토 타입, 특수 및 소규모 시리즈 생산은 물론 모터 스포츠와 클래식 스페어 파트 등 다양한 분야에 활용될 수 있다고 덧붙였습니다. 



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