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자동차 분야 활용 사례

시제품 제작은 우수한 자동차을 위한 핵심 요소입니다.

자동차 업계의 대기업인 BMW와 Jaguar Land Rover 뿐만 아니라 Minimizer 같은 린 애프터마켓 공급업체는 자동차 설계 및 제조를 가속화할 수 있는 것은 3D 프린팅이 유일하다는 사실을 알게 되었습니다.

Lamborghini FDM 시제품 왼쪽

Lamborghini의 새 Aventador 플래그십 모델 2인승 스포츠카는 2011년 Top Gear 올해의 차로 선정됐습니다. 2.9초 내에 0mph에서 60mph에 도달하며 최대 속도는 약 230mph이고 가격은 40만 달러에 조금 못 미칩니다. Aventador는 이전 세대 Murciélago보다 9% 더 강력하고, 20% 더 연비가 좋으며 6% 더 가볍습니다.

Aventador의 극한 성능의 열쇠는 탄소섬유강화복합(CFRC) 모노코크로서 이는 일체형 차체-차대의 핵심을 구성합니다. 이 모노코크는 길이 81in, 너비 74.5in, 높이 40in의 단일 CFRC 셸로 양산 자동차에 탑재되는 CFRC 부품 중 가장 큽니다. 모노코크 무게는 324.5파운드이며 차체와 섀시를 합한 무게는 505파운드에 불과합니다.

높은 위험

Lamborghini FDM 시제품 오른쪽

Automobili Lamborghini S.p.A.는 Porsche, Bugatti 및 Bentley 등의 다른 브랜드와 함께 Volkswagen Group의 일부인 Audi 소유입니다. Washington 대학교에 위치한 Automobili Lamborghini 고급 복합 구조 연구소(Lamborghini 연구소)는 Lamborghini와의 협력을 통해 Aventador 중량의 50%를 차지하는 CRFC 부품의 세부 설계와 품질 관리, 공정 개선 및 기계 테스트를 실시했습니다. 조립 적합성을 평가하고 효율적인 부하 경로를 검증하고, 컴퓨터 화면으로는 보이지 않는 문제점을 식별하고 수정하는 데에는 많은 실제 시제품이 필요했습니다.

Washington 대학교 항공기 재료 및 구조 담당 교수 겸 Lamborghini 연구소장인 Paolo Feraboli는 “처음부터 완벽한 설계가 필요했습니다. 모노코크 제작에 사용되는 툴링만해도 수백만 달러에 달했기 때문입니다.”라고 말했습니다.

예를 들어, 기존 방식으로 모노코크의 이너 터브 시제품을 빌드했다면 축소 툴링을 만든 다음 CFRC를 사용하여 시제품을 쌓아올렸을 수 있습니다. 이렇게 툴링을 제작하고 축소 부품을 쌓아올리는 데에는 4달의 시간과 4만 달러의 비용이 소비되었을 것으로 추정됩니다.

Feraboli 교수는 “조립과 취급 과정의 응력을 견딜 만큼 튼튼한 부품을 제작할 수 있는 신속 시제품 제작 방법이 있을지 궁금했습니다.”라고 말했습니다. “또한 소형 부품을 쌓아올리는 데 필요한 신속한 툴링 제작에도 관심이 있었습니다. 이를 수행하려면 기계적 강도와 고온 성능이 필요했습니다.”

이상적인 시스템

Lamborghini FDM 시제품으로 모노코크 부담 감소

Fortus 빌드 크기는 1/6 축소 규모의 차체 및 차대 모델을 한 부품으로 제작할 수 있을 정도로 컸습니다. Lamborghini 연구소는 부품의 프린팅 및 조립을 포함하여 차체 및 차대의 완전한 1/6 축소 시제품을 2개월 내에 완성했습니다. 이너 터브의 제작 시간은 6.3일이고 재료비는 560달러였습니다. 서포트 제거, 샌딩, 도장 등을 포함한 총 조형 및 가공 시간은 20일이었습니다. 재료비, 인건비, 기계 가동 시간을 포함한 총 비용은 3,000달러였습니다.

시애틀 기반의 Stratasys 리셀러인 CIMtech의 Tom Goulet은 “Fortus는 기존 제조 방법에 비해 낮은 비용으로 산업용 열가소성 수지로 고강도 고해상도 모델을 프린팅하고, 고성능 엔지니어링 플라스틱에서 맞춤형 복합 도구를 프린팅할 수 있어 매우 이상적이었습니다.”라고 말했습니다.

수많은 반복

“설계 과정에서 시제품이 여러 번 반복해서 제작되었기 때문에 조립 중 뛰어난 적합성을 제공했으며 부하 경로가 개선되었습니다.”라고 Feraboli는 말했습니다.

이탈리아 산타가타 볼로냐의 Automobili Lamborghini S.p.A.도 두 대의 Stratasys 장비(Fortus 3D Production System 및 Dimension 3D 프린터)를 보유하고 있습니다. Lamborghini 수석 부회장 겸 최고 기술책임자인 Maurizio Reggiani는 이렇게 말했습니다. “당사는 FDM을 폭넓게 사용하여 변속 시간 50밀리초로 양산형 차량 중 가장 빠른, Aventador의 새롭게 설계된 7단 변속기의 기능성 시제품을 제작했습니다.” 독립 변속 로드라는 컨셉트를 기반으로 하는 단일 클러치 변속기는 CFRC 모노코크 및 푸시로드 서스펜션과 함께 Aventador의 대표적 기능입니다.

Aventador 출시 후 얼마 지나지 않아 Lamborghini는 첫 해 생산량이 이미 매진되었음을 발표했습니다. Feraboili는 “Aventador는 시작에 불과합니다.”라고 말했습니다. “탄소 섬유는 고성능 자동차의 전유물이 아닙니다. 어느 자동차든 연비를 개선하고 배출 가스를 감소하는 데 활용할 수 있습니다. 당사는 그룹의 더 많은 양산 차량에 탄소 섬유의 적용을 확대할 예정입니다.”

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