금속 적층 제조(AM, Additive Manufacturing) 기술은 자동차 업계에서도 빠르게 자리 잡고 있으며,
특히 모터스포츠 분야에서는 성능 향상과 제작 시간 단축을 위해 적극 활용되고 있습니다.
일본 자동차 제조업체 혼다(Honda) 역시 자동차, 오토바이, 모터스포츠, 전력, 항공우주 및 휠체어 레이싱 제품을 위한
3D 프린팅 기술을 적극적으로 도입하고 있습니다.
금속 3D프린팅 도입과 이점
혼다는 자동차 엔진 부품 제작에 레이저 분말 베드 융합(PBF, Powder Bed Fusion) 방식의 3D 프린팅 기술을 적용하고 있으며, Nikon SLM Solutions의 금속 3D프린터를 활용하고 있습니다. 금속 3D 프린팅 기술의 도입을 통해 혼다가 얻은 가장 큰 이점 중 하나는 제작 공정 최적화에 대한 광범위한 노하우를 축적할 수 있었다는 점입니다.
혼다는 기존의 주조 또는 단조 방식으로는 구현하기 어려운 복잡한 형상을 정밀하게 제작하기 위해 금속 3D프린팅 기술을 사용합니다. 특히, 서포트를 최소화하고, 제거가 용이한 형상을 디자인하는 등 고도화된 제조 기술을 적용합니다.
또한, 금속 3D프린팅 공정의 다양한 변수를 철저히 분석하여 최적의 제조 조건을 찾아갑니다.
예를 들면, 소재 상태, 레이저 조사 레벨, 불활성 가스 흐름, 베이스 플레이트에 제품을 배치하는 것과 같은 출력 조건은 품질과 효율성을 개선하기 위한 노하우로, 혼다는 자체적으로 여러 금속 AM 부품을 설계하고 제조합니다. 이를 통해 파라메터를 최적화하기 위해 여러 조건을 시도하고, 카메라로 각 층을 촬영하여 용융 상태를 확인하고, 온도와 레이저 출력을 확인하여 노하우를 축적할 수 있습니다.
파라메터를 최적화하기 위해 시편을 플레이트에 올려놓고 레이저 출력, 스캐닝 속도 등의 조건을 변화시키면서 인장 시험을 통해 강도를 체크하여 최적의 값을 결정합니다. 최적의 값을 결정하기 위해서는 각 층(레이어)에 형성되는 비드(금속 분말이 녹아서 응고되는 부분)가 틈새없이 겹치도록 레이저 조건을 설정하는 것이 중요합니다. 레이저 출력이 부족하면 비드가 매우 작아지고 비드와 비드 깊이(층 두께)의 간격이 부족하여 틈새가 생기게 됩니다. 반대로 출력이 너무 높으면 레이저 조사 시 용융 풀(Melt pool)에서 발생하는 가스가 완전히 방출되지 않고 내부에 남게됩니다.
금속 PBF 공정은 수십 미크론마다 레이저 용접을 반복하는 방식으로, 부품이 변형되기 쉽습니다. 기존에는 부품을 만들고 측정한 후, 측정 데이터를 기반으로 파라메터를 수정했는데 이 공정을 반복하여 치수 정확도를 높였습니다. 하지만 이 방법은 시간이 오래 걸리고 신속한 생산이 불가능합니다. 따라서 혼다는 시행착오를 줄이기 위해 변형 예측 시뮬레이션 기술을 도입했습니다. 시뮬레이션이 뛰어난 변형 방법을 설계에 통합하여 모델링 자세(Modeling Posture)를 최적화하고 서포트 구조를 개선하여 치수 정확도가 높은 모델을 빠르게 생산산할 수 있습니다.
3D 프린팅 F1 부품(피스톤, 터빈 하우징)
혼다는 F1 엔진의 핵심 부품을 금속 3D프린팅 기술을 이용해 생산하면서 성능 향상과 생산성 개선을 동시에 달성하고 있습니다.
기존에 단조 알루미늄으로 만들어졌던 피스톤은 3D 프린팅 강철(Steel)로 대체되어 개발 진행에 따른 연소 압력 증가를 견딜 수 있는 강도를 제공합니다. 강철은 알루미늄보다 비중이 높기 때문에 일반적으로 더 무겁지만 금속 AM 기술을 적용함으로써 기존 방식보다 더 가벼운 피스톤을 제작하는 데 성공했습니다.
F1엔진의 터빈 하우징은 고온 환경에서 견디기 위해 인코넬이라는 니켈 기반 초내열 합금으로 제작됩니다. 기존에는 정밀 주조 방식으로 제작되었으나, 3D프린팅을 도입하면서 얇은 벽 구조의 복잡한 형상도 정밀하게 구현할 수 있게 되었습니다.
특히, 터빈 하우징은 크기가 크고 얇은 벽면을 가지기 때문에 변형(Deformation)이 발생하는 것이 주요 문제였는데, 혼다의 엔지니어들은 금속 AM 공정을 최적화하여 변형을 최조화하면서도 제작 시간을 크게 단축하는 데 성공했습니다.
성능 향상과 우승 기여
혼다는 이러한 금속 AM 기술을 활용하여 2020 시즌 중반부터 새로운 엔진 부품을 도입했고, 이를 통해 F1 경기에서의 경쟁력을 높였습니다. 이는 레드불 레이싱 팀의 Max Verstappen이 Driver World Champion에서 우승하는 데 중요한 역할을 했습니다.
미래의 자동차 제조 혁신
혼다는 금속 3D 프린팅 기술을 활용하여 제조 공정을 혁신하고 있으며, 이를 통해 자동차, 모터스포츠, 휠체어 레이싱 등의 다양한 분야에서 새로운 가치를 창출하고 있습니다.
자동차 산업 전반에서 3D 프린팅 기술의 활용이 확대되면서, 향후에는 더욱 다양한 차량 부품에서 적층 제조가 적용될 것으로 예상됩니다. 이를 통해 생산 효율성을 높이고, 비용을 절감하며, 경량화 및 맞춤형 디자인을 실현하는 것이 가능해질 것으로 보입니다.
금속 적층 제조(AM, Additive Manufacturing) 기술은 자동차 업계에서도 빠르게 자리 잡고 있으며,
특히 모터스포츠 분야에서는 성능 향상과 제작 시간 단축을 위해 적극 활용되고 있습니다.
일본 자동차 제조업체 혼다(Honda) 역시 자동차, 오토바이, 모터스포츠, 전력, 항공우주 및 휠체어 레이싱 제품을 위한
3D 프린팅 기술을 적극적으로 도입하고 있습니다.
혼다는 자동차 엔진 부품 제작에 레이저 분말 베드 융합(PBF, Powder Bed Fusion) 방식의 3D 프린팅 기술을 적용하고 있으며, Nikon SLM Solutions의 금속 3D프린터를 활용하고 있습니다. 금속 3D 프린팅 기술의 도입을 통해 혼다가 얻은 가장 큰 이점 중 하나는 제작 공정 최적화에 대한 광범위한 노하우를 축적할 수 있었다는 점입니다.
혼다는 기존의 주조 또는 단조 방식으로는 구현하기 어려운 복잡한 형상을 정밀하게 제작하기 위해 금속 3D프린팅 기술을 사용합니다. 특히, 서포트를 최소화하고, 제거가 용이한 형상을 디자인하는 등 고도화된 제조 기술을 적용합니다.
또한, 금속 3D프린팅 공정의 다양한 변수를 철저히 분석하여 최적의 제조 조건을 찾아갑니다.
예를 들면, 소재 상태, 레이저 조사 레벨, 불활성 가스 흐름, 베이스 플레이트에 제품을 배치하는 것과 같은 출력 조건은 품질과 효율성을 개선하기 위한 노하우로, 혼다는 자체적으로 여러 금속 AM 부품을 설계하고 제조합니다. 이를 통해 파라메터를 최적화하기 위해 여러 조건을 시도하고, 카메라로 각 층을 촬영하여 용융 상태를 확인하고, 온도와 레이저 출력을 확인하여 노하우를 축적할 수 있습니다.
파라메터를 최적화하기 위해 시편을 플레이트에 올려놓고 레이저 출력, 스캐닝 속도 등의 조건을 변화시키면서 인장 시험을 통해 강도를 체크하여 최적의 값을 결정합니다. 최적의 값을 결정하기 위해서는 각 층(레이어)에 형성되는 비드(금속 분말이 녹아서 응고되는 부분)가 틈새없이 겹치도록 레이저 조건을 설정하는 것이 중요합니다. 레이저 출력이 부족하면 비드가 매우 작아지고 비드와 비드 깊이(층 두께)의 간격이 부족하여 틈새가 생기게 됩니다. 반대로 출력이 너무 높으면 레이저 조사 시 용융 풀(Melt pool)에서 발생하는 가스가 완전히 방출되지 않고 내부에 남게됩니다.
금속 PBF 공정은 수십 미크론마다 레이저 용접을 반복하는 방식으로, 부품이 변형되기 쉽습니다. 기존에는 부품을 만들고 측정한 후, 측정 데이터를 기반으로 파라메터를 수정했는데 이 공정을 반복하여 치수 정확도를 높였습니다. 하지만 이 방법은 시간이 오래 걸리고 신속한 생산이 불가능합니다. 따라서 혼다는 시행착오를 줄이기 위해 변형 예측 시뮬레이션 기술을 도입했습니다. 시뮬레이션이 뛰어난 변형 방법을 설계에 통합하여 모델링 자세(Modeling Posture)를 최적화하고 서포트 구조를 개선하여 치수 정확도가 높은 모델을 빠르게 생산산할 수 있습니다.
혼다는 F1 엔진의 핵심 부품을 금속 3D프린팅 기술을 이용해 생산하면서 성능 향상과 생산성 개선을 동시에 달성하고 있습니다.
기존에 단조 알루미늄으로 만들어졌던 피스톤은 3D 프린팅 강철(Steel)로 대체되어 개발 진행에 따른 연소 압력 증가를 견딜 수 있는 강도를 제공합니다. 강철은 알루미늄보다 비중이 높기 때문에 일반적으로 더 무겁지만 금속 AM 기술을 적용함으로써 기존 방식보다 더 가벼운 피스톤을 제작하는 데 성공했습니다.
F1엔진의 터빈 하우징은 고온 환경에서 견디기 위해 인코넬이라는 니켈 기반 초내열 합금으로 제작됩니다. 기존에는 정밀 주조 방식으로 제작되었으나, 3D프린팅을 도입하면서 얇은 벽 구조의 복잡한 형상도 정밀하게 구현할 수 있게 되었습니다.
특히, 터빈 하우징은 크기가 크고 얇은 벽면을 가지기 때문에 변형(Deformation)이 발생하는 것이 주요 문제였는데, 혼다의 엔지니어들은 금속 AM 공정을 최적화하여 변형을 최조화하면서도 제작 시간을 크게 단축하는 데 성공했습니다.
혼다는 이러한 금속 AM 기술을 활용하여 2020 시즌 중반부터 새로운 엔진 부품을 도입했고, 이를 통해 F1 경기에서의 경쟁력을 높였습니다. 이는 레드불 레이싱 팀의 Max Verstappen이 Driver World Champion에서 우승하는 데 중요한 역할을 했습니다.
혼다는 금속 3D 프린팅 기술을 활용하여 제조 공정을 혁신하고 있으며, 이를 통해 자동차, 모터스포츠, 휠체어 레이싱 등의 다양한 분야에서 새로운 가치를 창출하고 있습니다.
자동차 산업 전반에서 3D 프린팅 기술의 활용이 확대되면서, 향후에는 더욱 다양한 차량 부품에서 적층 제조가 적용될 것으로 예상됩니다. 이를 통해 생산 효율성을 높이고, 비용을 절감하며, 경량화 및 맞춤형 디자인을 실현하는 것이 가능해질 것으로 보입니다.