한눈에 보기
자동차 제조사들은 제품 개발 속도를 높이고, 금형 제작 소요 시간을 단축하며, 소량 생산을 지원하고, 수요에 따라 교체용 부품을 생산하기 위해 적층 제조 기술을 활용하고 있습니다. 이 가이드에서는 자동차 3D 프린팅 분야를 주도하는 주요 응용 분야, 이점, 과제, 소재 및 기술을 살펴보고, 제조사들이 적층 제조 기술을 실제로 어떻게 적용하고 있는지에 대한 실제 사례를 소개합니다.
자동차 적층 제조(AM)는 디지털 3D 모델을 기반으로 재료를 층층이 쌓아 차량 부품을 제작하는 공정입니다. 이를 통해 신속한 시제품 제작, 복잡한 형상의 생산, 그리고 기존 제조 방식으로는 달성할 수 없는 경량 부품 제작이 가능합니다. 이 기술은 재료 낭비를 줄이고 공급망을 단축시킵니다.
자동차 산업에서 AM은 콘셉트 모델, 기능성 시제품, 양산 금형, 제조 보조 도구, 교체용 부품, 최종 사용 부품에 이르기까지 차량 수명 주기의 모든 단계에서 활용됩니다. 사용되는 소재는 제작 대상에 따라 공학용 열가소성 수지, 광경화성 수지, 복합 재료, 금속 등으로 달라집니다.
전통적인 제조 방식에서는 대개 금형, 다이, 또는 기계 가공 과정을 거쳐야만 제품을 생산할 수 있습니다. 반면 적층 제조는 이러한 단계를 건너뛰고 디지털 파일에서 바로 제작합니다. 따라서 설계가 막판에 변경되거나, 금형 제작에 먼저 비용을 투자하지 않고도 필요에 따라 부품을 즉시 확보해야 할 때 특히 유용합니다.
자동차 제조사들에게 이 기술이 매력적인 이유는 결국 ‘시간’에 있습니다. 설계 검증 과정을 개발 초기 단계에서 더 빨리 진행할 수 있습니다. 예전에는 몇 주가 걸리던 금형 제작이 이제 며칠 만에 완료될 수 있습니다. 금형, 주조품 또는 공급업체의 리드 타임을 기다릴 필요 없이 필요에 따라 부품을 생산할 수 있습니다.
제너럴 모터스(GM)는 적층 제조 방식으로 제작된 대체 공구로 전환함으로써 조립 라인 공구 리드 타임을 9주에서 2주로 단축했습니다. 카르산(Karsan)은 생산을 사내로 이전하는 것만으로도 특정 부품 비용을 최대 80%까지 절감했습니다. 도요타, 스바루, NASCAR 역시 공구뿐만 아니라 개발용 부품 및 조립 보조 도구 제작을 위해 적층 제조(AM) 기술을 적극 활용하고 있습니다.
따라서 신제품 출시 기간 단축, 공구 비용 절감, 소량 생산 지원, 또는 민첩성 향상 등 어떤 목표를 가지고 있든 적층 제조가 해답입니다.
많은 사람들이 적층 제조를 신속한 시제품 제작과 연관 짓지만, 현재 자동차 제조사들은 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 이를 활용하고 있습니다. 설계 검증을 위해 사용하는 바로 그 3D 프린터로 양산 금형, 최종 사용 부품, 교체용 부품까지 생산할 수 있습니다.
디지털 파일에서 바로 작업을 진행하면 리드 타임이 단축될 뿐만 아니라, 설계 변경이 늦게 발생했을 때 대응하는 데 따르는 번거로움도 줄어듭니다. 또한 재고에 대한 사고방식도 변화시킵니다. 가끔 필요할지 모르는 부품을 창고에 보관해 두는 대신, 주문이 들어오면 그때 바로 출력하면 됩니다.
적층 제조는 제품 개발 속도를 높이고, 제조 효율을 개선하며, 생산을 지원하기 위해 자동차 산업 전반에 걸쳐 활용됩니다. 가장 일반적인 적용 분야는 다음과 같습니다:
신속 프로토타이핑은 여전히 자동차 분야에서 적층 제조가 가장 널리 사용되는 분야입니다. 엔지니어들은 CAD 파일에서 직접 컨셉 모델, 설계 프로토타입 및 기능성 부품을 출력하므로, 금형 제작이나 외부 공급업체를 기다릴 필요 없이 설계를 평가하고 수정하며 재시험할 수 있습니다.
프로토타입은 특정 부품이 잘 맞는지, 외관이 적절한지, 의도한 대로 작동하는지 등의 의문을 해결하기 위해 존재합니다. 적층 제조를 통해 이러한 답변을 몇 주가 아닌 며칠 만에 얻을 수 있으므로, 엔지니어들은 프로세스 초기에 문제를 파악하고 신속히 대응할 수 있습니다.
경량화는 대개 최우선 과제 중 하나입니다. 차량이 가벼워지면 연비가 향상되고, 전기차의 주행 거리가 늘어나며, 전반적인 성능도 개선됩니다.
AM(적층 제조)은 엔지니어들에게 이를 달성할 수 있는 몇 가지 방법을 제공합니다. 부품 형상을 최적화하거나, 불필요한 재료를 제거하거나, 여러 부품을 하나의 프린팅 부품으로 통합하는 방식이 있습니다. 또한 기존 가공이나 성형 방식으로는 구현하기 어렵거나 불가능했던 내부 격자 구조의 구현도 가능하게 합니다.
이러한 이점은 차량 부품에만 국한되지 않습니다. 제조업체들은 무거운 금속 공구를 더 가벼운 폴리머 공구로 교체하고 있는데, 이는 작업자의 부담을 줄이고 장비에 가해지는 부하를 완화해 줍니다.
전기차(EV) 프로그램의 경우, 무게를 1그램만 줄여도 배터리 주행 거리가 직접적으로 늘어납니다. AM을 통해 엔지니어들은 구조적 무결성을 훼손하지 않으면서도 무게를 최소화하도록 브래킷 및 하우징 설계를 최적화할 수 있습니다. Stratasys의 FDM 및 SAF 기술은 모두 전기차 배터리 인클로저, 모터 하우징, 실내 구조 부품에 사용되는 엔지니어링 등급 열가소성 플라스틱을 지원합니다.
조립 고정구, 검사 고정구, 드릴 가이드, 로봇 팔 끝단 공구 등 생산 라인에서 사용되는 대부분의 제조 보조 장비는 3D 프린팅으로 제작할 수 있습니다. 가공이나 외주 생산에 비해 일반적으로 리드 타임이 몇 주가 아닌 며칠 단위로 단축되며, 설계가 변경되는 즉시 공구를 쉽게 수정할 수 있습니다. 실제 적용 사례를
몇 가지 살펴보면 다음과 같습니다:
차량 프로그램에서 변형, 스페셜 에디션, 고객 맞춤형 옵션이 필요한 곳이라면 어디에서나 적층 제조가 그 가치를 입증하는 경향이 있습니다. 이는 특히 럭셔리 차량, 모터스포츠, 컨셉트카, 한정 생산과 같이 생산 대수가 적어 기존 금형 비용을 정당화하기 어려운 분야에서 더욱 그렇습니다.
부품이 디지털 파일에서 직접 생성되므로 각 변형 모델마다 새로운 금형이 필요하지 않아, 제조업체는 기존 방식보다 훨씬 더 효율적으로 맞춤형 인테리어 부품, 개인화 기능, 소량 트림 패키지 및 특수 부품을 생산할 수 있습니다.
제조업체들은 수년 동안 대량의 부품을 창고에 보관하는 대신, 디지털 파일을 보관해 두었다가 필요할 때만 교체용 부품을 출력할 수 있습니다. 이러한 변화는 수요 예측이 어려운 애프터마켓 지원, 구형 차량, 소량 생산 프로그램에서 특히 중요하며, 소량 생산을 위한 금형 제작 비용을 절감할 수 있게 해줍니다.
한 가지 예로, Stratasys Direct Manufacturing이 PolyJet™ 기술을 활용해 단종된 라디에이터 부품을 재현함으로써, 기존 금형을 다시 제작할 필요 없이 1930년식 Sampson Special 레이싱카를 복원하는 데 기여한 사례가 있습니다.
자동차 산업에서는 금속 적층 제조 기술을 활용하여 경량 구조물, 열교환기, 그리고 내부 형상이 복잡한 고성능 부품을 제작합니다.
당사는 폴리머 적층 제조로 가장 잘 알려져 있지만, Tritone의 MoldJet® 기술을 통해 금속 적층 제조 솔루션도 제공하고 있습니다.
하지만 사람들은 ‘금속’이라는 말을 들으면 흔히 금속 양산 부품을 떠올립니다. 그러나 많은 자동차 제조사들은 금속 최종 사용 부품을 교체하는 것보다 금속 금형을 교체하는 데서 더 큰 가치를 얻고 있습니다. Stratasys 폴리머 3D 프린팅 시스템은 가공된 금속 금형을 대체하고, 금형 무게를 줄이며, 판금 성형 금형을 제작하고, 금속 외관, EMI 차폐 또는 특정 표면 특성이 필요한 경우 금속 도금 폴리머 부품을 제작하는 데 널리 사용됩니다.
적층 제조는 자동차 제품의 전체 수명 주기에 걸쳐 가치를 제공함으로써, 제조업체가 개발 속도를 높이고, 생산 효율을 개선하며, 비용을 절감하고, 더 탄력적인 공급망을 구축할 수 있도록 지원합니다.
AM은 아이디어와 실제 부품 사이의 간격을 좁혀줍니다. 엔지니어들은 금형 제작이나 공급업체의 리드 타임을 기다리며 발이 묶이는 일 없이 개념을 테스트하고, 설계를 검증하며, 변경 사항을 적용할 수 있습니다. 제너럴 모터스(GM)는 3D 프린팅으로 전환한 후 리드 타임을 9주에서 2주로 단축했습니다.
전통적인 제조 방식은 재료를 깎아내고, 가공하고, 절단하고, 다듬는 ‘감산’ 방식을 주로 사용합니다. 반면 적층 제조는 그 반대 방식으로, 부품에 실제로 필요한 부분만 쌓아 올립니다.
이는 복잡한 형상이나 소량 생산 시 가장 중요한데, 이러한 경우 기존 방식의 낭비가 빠르게 누적되기 때문입니다. 분말 기반 공정은 한 걸음 더 나아가, 사용되지 않은 소재를 회수하여 재사용할 수 있는 경우가 많습니다. SAF™ ReLife™ PA12가 대표적인 예입니다.
적층 제조의 에너지 효율성 이점 중 일부는 공정 자체의 단순화에서 비롯됩니다. 공구 사용이 줄어들고, 조립 단계가 감소하며, 부품이 실제로 사용될 장소 근처에서 생산할 수 있는 선택지가 생기기 때문입니다. 소프트웨어도 중요한 역할을 하여, 적층 방향과 지지 구조를 최적화함으로써 재료 낭비를 줄이고 재인쇄 횟수를 최소화합니다.
운송, 보관, 금형 사용이 줄어들고 제작 과정 자체의 비효율성이 감소하는 것을 종합해 보면 실질적인 에너지 절감 효과를 확인할 수 있습니다.
예비 부품은 대개 창고 공간을 많이 차지합니다. AM은 이와 다른 모델을 제시합니다. 설계를 디지털 파일로 보관하고, 실제로 필요할 때만 부품을 출력하는 방식입니다.
이를 통해 보관 공간을 줄일 수 있고, 부품이 창고에 방치되어 노후화될 위험을 낮출 수 있으며, 소량 생산 차량이나 구형 차량에 대한 지원도 훨씬 수월해집니다. ‘Sampson Special’ 복원 프로젝트가 좋은 예시인데, Stratasys Direct Manufacturing은 1930년식 레이싱카의 단종된 라디에이터 부품을 처음부터 금형을 제작하는 대신 3D 프린팅으로 재현해 냈습니다.
적층 제조는 금형 제작을 생략하고, 개발 주기를 단축하며, 재고 요구 사항을 줄이고, 보다 효율적인 생산 워크플로우를 구현함으로써 비용을 절감할 수 있습니다.
비용 절감 효과는 상당할 수 있습니다. 예를 들어:
적층 제조는 자동차 제조 분야에서 확실한 입지를 다졌지만, 전통적인 공법을 전면적으로 대체할 수는 없습니다. 다른 모든 공정과 마찬가지로 적층 제조에도 최적의 적용 영역이 있으며, 그 영역이 어디인지 파악하는 것은 이 기술이 무엇을 할 수 있는지 아는 것만큼이나 중요합니다.
대량 생산 시에는 사출 성형과 스탬핑 공법이 여전히 비용 면에서 따라잡기 어렵습니다. 금형이 일단 제작되면 부품당 비용은 낮아지며 그 수준을 유지합니다. 반면, 초기 금형 투자 비용을 정당화하기 어려운 프로토타입, 금형, 교체 부품, 소량 생산과 같은 반대쪽 영역에서는 적층 제조가 더 합리적입니다.
[H3] 인쇄 속도 및 처리량
적층 제조 기술이 지속적으로 발전하고 있지만, 수천 개 또는 수백만 개의 동일한 부품을 생산하는 데 있어서는 여전히 많은 기존 제조 공정이 더 빠릅니다. 적층 제조는 최대 생산량보다 유연성, 시장 출시 속도, 또는 설계 자유도가 더 중요한 경우에 주로 사용됩니다.
차량의 모든 부품은 엄격한 품질 및 성능 기준을 충족해야 하며, 적층 제조 부품도 예외는 아닙니다. AM이 양산에 도입됨에 따라, 출력된 부품이 실제로 요구되는 엔지니어링 표준을 충족하는지 확인하기 위한 ‘생산 부품 승인 절차(PPAP)’와 같은 프로세스가 마련되어 있습니다.
PPAP는 제조 공정이 엔지니어링 사양에 따라 부품을 일관되게 생산할 수 있는지 검증합니다. 적층 제조 부품의 경우, 이는 생산 공정 전반에 걸쳐 재료 특성, 치수 정확도 및 공정 재현성을 문서화해야 함을 의미합니다. Stratasys Direct는 양산 등급 3D 프린팅 부품을 위한 완전한 PPAP 워크플로를 지원합니다.
소재는 지속적으로 개선되고 있지만, 여전히 모든 용도에 적합한 단일 AM 소재는 존재하지 않습니다. 강도, 내열성, 내구성, 내화학성, 표면 마감 등 엔지니어들은 소재를 선택하기 전에 이 모든 요소를 종합적으로 고려해야 합니다. 올바른 소재를 선택하는 것은 올바른 공정을 선택하는 것만큼이나 중요합니다.
Stratasys는 자동차 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 개념 개발, 신속한 시제품 제작, 양산 금형, 최종 사용 부품 및 제조 서비스를 지원합니다.
디자인 팀은 컨셉 모델과 시제품이 외관과 치수가 정확하고, 미세한 디테일과 매끄러운 표면 마감, 높은 치수 정밀도를 갖춰야 할 때 PolyJet™ 및 Neo® 스테레오리소그래피를 선택합니다. 따라서 이 기술들은 설계 검토, 공기역학 테스트, 피팅 및 형태 연구, 기능 검증에 자연스럽게 적용됩니다.
FDM®은 공장 현장, 지그, 고정구, 게이지, 드릴 가이드, 로봇 팔 끝단 공구, 판금 성형 공구 등에 널리 사용됩니다. 엔지니어링 열가소성 수지는 이러한 공구에 일상적인 사용에도 견딜 수 있는 충분한 강도와 내구성을 제공하면서도, 제작 리드 타임과 비용을 모두 절감해 줍니다.
SAF®는 반복성이 보장되고 양산 수준의 품질을 갖춘 폴리머 부품을 제작하도록 설계되어, 기존 금형 제작 방식으로는 경제성이 떨어지는 브리지 제조, 교체 부품 및 소량 생산에 매우 적합합니다.
부품이 사출 성형 품질에 근접해야 할 때, P3™ DLP가 종종 해답이 됩니다. 높은 정밀도, 우수한 표면 마감, 일관된 기계적 특성 덕분에 기능성 시제품, 생산 금형 및 소량 생산 부품에 널리 사용됩니다.
모든 제조업체가 적층 제조 장비에 투자해야 하는 것은 아닙니다. Stratasys Direct®는 주문형 생산 서비스를 제공하여, 자동차 기업들이 생산 용도를 위한 다양한 적층 제조 기술, 소재, 마감 서비스 및 PPAP 지원 워크플로우를 활용할 수 있도록 지원합니다.
