단국대학교의 전기차 경주를 위한 3D 프린팅

고객 프로필

단국대학교 기계공학과 산하 전기차 연구 그룹 R2X(Run to Xtreme)는 그 이름에 걸맞게 ‘극한’을 향해 질주하고 있습니다. 이곳은 열정적인 공학도들이 모여 차세대 전기차 기술을 연구, 설계, 개발하는 중심지입니다.

2002년에 창설된 R2X에는 현재 약 52명의 학생이 활발히 참여하고 있다. 이 팀은 한국자동차공학회(KSAE)가 주최하는 대학생 자가 제작 자동차 경주 대회(포뮬러 스튜던트)의 전기차 부문에 꾸준히 참가해 왔으며, 혁신적인 기술과 뛰어난 성적을 바탕으로 국내 대학 모터스포츠계의 강력한 경쟁자로 자리매김했습니다. 2024년 대회에서는 자체 제작한 전기 포뮬러 차량으로 E-포뮬러 부문 장려상을 수상하는 놀라운 성과를 거두었습니다.

도전 과제

R2X는 차량 성능과 직접적으로 관련된 핵심 부품을 설계하고 제조합니다. 이 과정은 길고 험난한 여정입니다. 유리섬유나 탄소 복합재를 수작업으로 가공하려면 실제 부품을 생산하기까지 상당한 시간과 노력이 필요합니다. 제한된 시간과 인력으로 운영되는 학생 동아리의 경우, 수작업에 의존하면 더 나은 결과를 이끌어낼 수 있는 설계 변경이나 개선에 자원을 할당하기 어렵습니다.

실현상의 한계도 분명합니다. 기존의 가공 방식으로는 복잡하고 유선형인 형태나 공기역학적으로 최적화된 내부 구조를 가진 부품을 제조하는 것이 거의 불가능합니다. 그 결과, 엔지니어들은 성능을 극대화하는 설계보다는 제조가 가능한 설계에 만족해야 하는 경우가 많습니다. 이는 팀의 창의성과 혁신을 저해하는 보이지 않는 장벽으로 작용합니다. R2X는 이러한 한계를 피할 수 없는 것으로 받아들이지 않고, 더 빠르고, 더 가볍고, 더 효율적인 차량을 제작할 수 있게 해주는 새로운 제조 패러다임인 3D 프린팅을 통해 이 과제에 정면으로 맞서고 있습니다.

해결책

R2X에서 3D 프린팅을 도입한 과정은 단순히 새로운 장비를 도입하는 것을 넘어, 엔지니어링 전략의 중대한 전환을 의미합니다. R2X는 모든 문제에 단일 기술이나 도구에 의존하기보다는, 각 문제에 적합한 솔루션을 적용하는 데 중점을 둔 엔지니어링 전략을 수립했습니다. 저는 Stratasys의 3D 프린터 라인업을 면밀히 검토했습니다. 그리고 예비 검토를 마친 후, R2X는 핵심 부품의 요구 사항을 충족하기 위해 SAF, P3, FDM, PolyJet이라는 네 가지 핵심 기술을 전략적으로 선정하여 활용했습니다.

• 배터리 냉각 덕트: 전기차의 핵심인 배터리의 냉각 효율을 극대화하기 위해, R2X는 Stratasys의 SAF(Selective Absorption Fusion) 기술과 H350 프린터를 활용했습니다. 분말 기반 SAF 기술 덕분에, 기존 수작업 방식으로는 상상조차 할 수 없었던 공기 흐름에 최적화된 복잡한 내부 채널을 가진
  냉각 덕트를 성공적으로 제작할 수 있었습니다.
• 핸들 그립: 운전자의 제어 감각에 직접적인 영향을 미치는 핸들 그립은 Origin One 프린터를 기반으로 한 P3(Programmable Photopolymerization) 기술을 사용하여 제작되었습니다. 고무와 유사한 소재인 IND 402를 적용하여 미끄러짐을 방지하고 그립감을 향상시켰습니다. R2X는 운전자의 손에 최적으로 맞도록 제작 과정에서 부품을 반복적으로 수정하여 부품의 전반적인 완성도를 높였습니다.
• 일체형 인클로저: 차량의 다양한 전기 부품을 보호하는 대형 일체형 인클로저는 F770 3D 프린터를 이용한 FDM(용융 적층 모델링) 방식으로 제작되었습니다. 한 번에 최대 1미터 크기의 부품을 인쇄함으로써 조립 공정이 간소화되고, 이음매가 필요 없어졌으며, 구조적 강성과 경량화를 모두 달성할 수 있었습니다.
• 브레이크등 및 고전압 경고 시스템: 팀 로고가 포함된 브레이크등 및 고전압 경고 시스템은 J850 3D 프린터를 이용한 PolyJet 기술로 제작되었습니다. 이 기술은 풀컬러와 투명 소재의 동시 출력이 가능하여, R2X가 원하는 로고 색상과 디자인을 완벽하게 재현할 수 있습니다.

영향

Stratasys 3D 프린팅 솔루션의 도입은 R2X의 부품 제작 방식에 단순한 변화를 가져온 것 이상으로, 진정한 혁신이었습니다. 우선, 개발 워크플로가 간소화되었습니다. 배터리 냉각 덕트 제작이나 후처리에 이전에 소요되던 시간과 노력이 사라짐에 따라, 팀원들은 반복적인 작업에서 해방될 수 있었습니다. 이 과정을 통해 확보된 귀중한 시간과 자원은 이제 설계, 시뮬레이션, 데이터 분석과 같은 고부가가치 활동에 투자될 수 있게 되었습니다. 이는 제한된 자원으로 효율성을 극대화해야 하는 학생 팀에게 있어 대체할 수 없는 경쟁 우위로 볼 수 있습니다.

그 결과 차량 성능이 향상된 것은 전례 없는 성과입니다. SAF 기술로 제작된 냉각 덕트는 배터리 과열을 방지하고 안정적인 출력을 유지하는 한편, P3 기술로 제작된 인체공학적 핸들 그립은 운전자의 피로를 줄여주고 랩 타임 단축에 기여합니다. FDM 기술을 사용하여 일체형으로 제작된 인클로저는 차체 강성을 높이고 무게를 줄여 주행 성능을 향상시키며, PolyJet 기술로 제작된 외장 부품은 차량의 전반적인 품질을 높여줍니다.

결론

단국대학교 R2X와 스트라타시스(Stratasys) 간의 협력은 3D 프린팅 기술이 차세대 전기차의 지형을 어떻게 변화시킬 수 있는지 명확히 보여줍니다. R2X는 스트라타시스의 다양한 기술 플랫폼을 활용하여 대담하고 창의적인 디자인을 현실로 구현하고 차량 성능을 극한까지 끌어올림으로써, 기존 제조 방식의 한계를 뛰어넘어 대회에서 성공을 거두었습니다. 그리고 R2X의 도전은 여기서 끝나지 않습니다. 현예찬 회장은 “팀원들과 함께, 팀 이름에서 알 수 있듯이 계속해서 극한을 향해 나아갈 것”이라고 말하며 미래에 대한 포부를 밝혔습니다.