3D 프린팅과 CNC 가공이 기록 경신 슈퍼카를 가속화하는 방법

헤네시 베놈 GT가 활주로에서 270mph(약 435km/h)를 기록했습니다. 코닉세그 원:1(Koenigsegg One:1)은 그게 귀엽다고 생각합니다. 왜냐하면 280mph(약 450km/h) 달성이 가능해야 하기 때문입니다. 게다가 코너링도 미쳤습니다. 새로운 속도의 왕과 이 차들이 새로운 기록을 깨는 데 사용된 기술을 빠르게(말장난 아님) 살펴보겠습니다: CNC 가공.

역사적으로 우리 종은 속도에 대한 본능적 집착을 발전시켜 왔습니다. 고대엔 타조, 최근엔 말이나 자동차, 경주는 항상 사람들을 혁신하게 하고 상대방보다 경쟁 우위를 확보하게 했습니다. 이는 19세기 후반 자동차 발명 이후 더욱 증폭되었습니다. 애호가들과 제조사들은 끊임없이 혁신하고 더 빠른 차를 개발하려 하며, 여기서 CNC 가공과 3D 프린팅이 등장합니다. 이 시제품 제작 및 소량 제조 기술은 제조사들이 더 가볍고 정밀한 자동차 부품을 더 나은 공기역학으로 만들 수 있게 해 차를 새로운 한계로 밀어붙입니다. 오늘날 가장 빠른 차들을 살펴보기 전에 모든 혁신을 주도하는 기술을 살펴보겠습니다.

CNC 기계와 3D 프린터

CNC(컴퓨터 수치 제어) 기계는 컴퓨터 프로그램을 통해 설계의 정밀한 물리적 시제품을 만들 수 있는 전자기계 장치입니다. 이 기술은 1940년대와 50년대에 처음 개발되었습니다. 당시에는 수동으로 작성된 코드가 필요했습니다. 하지만 컴퓨터 발명 이후 이 기술은 새로운 경지에 도달했습니다. 경쟁자인 3D 프린팅과 달리 CNC 가공은 절삭 공정입니다. 즉, 선호하는 소재 블록에서 시작해 여러 공구 헤드를 사용해 정밀하게 절단하고 깎아 원하는 3D 시제품을 만듭니다. 이 기술에 사용되는 컴퓨터 코드를 G-코드라고 합니다. 정밀도는 1/1000인치 단위로 측정되며, 이는 머리카락 한 가닥 너비에 가깝습니다. CNC 기계는 주로 드릴, 선반, 밀링 기계로 작동되며, 그중 밀링 기계가 가장 유용합니다. 제조사는 제품에 따라 다양한 소재를 CNC 가공에 사용할 수 있습니다.

3D 프린팅 또는 적층 제조는 디지털 CAD 파일에서 3D 고체 객체를 만드는 과정입니다. 3D 프린팅 객체 생성은 적층 공정으로 달성됩니다. 적층 공정에서는 객체가 생성될 때까지 소재의 연속된 층을 쌓아 올립니다. 각 층은 최종 객체의 얇게 썬 수평 단면으로 볼 수 있습니다. 3D 프린팅은 전통적 제조 방법보다 적은 소재로 복잡한 (기능적) 형상을 생산할 수 있게 합니다.

자동차 산업에서의 CNC 가공과 3D 프린팅 활용

CNC 기계는 강철과 알루미늄 같은 소재를 조작해 엔진 피스톤, 브레이크 디스크, 차체 부품 등 다양한 자동차 부품을 극도의 정밀로 만듭니다. 제조사들은 일반적으로 3D 프린터로 시제품을 먼저 설계한 후 G-코드를 통해 CNC 기계로 가공합니다. 이 CNC 가공 시제품들은 다양한 설계로 실험되어 제조사들이 차량의 최대 속도와 효율을 위한 최적 설계를 개발할 수 있게 합니다. 기계의 정밀도는 불필요한 무게를 깎아내 차를 더 가볍고 빠르게 만듭니다.

기어박스, 섀시, 드라이브 액슬처럼 설계가 매우 복잡한 자동차 부품들은 수작업으로 가공하고 생산하기가 엄청나게 어려울 수 있습니다. CNC 가공과 3D 프린팅 시제품 제작으로 이러한 부품을 적절한 코딩만 있으면 훨씬 짧은 시간에 최고 효율로 생산할 수 있습니다.

자동차 생산의 4단계(스탬핑, 용접, 도장, 조립)는 모두 CNC 공작기계로 제어 및 작동될 수 있어 인간 개입이 전혀 필요 없는 지경에 이르렀습니다. 이는 대중의 비판에도 불구하고 거의 완전 자동화에 의존한 새로운 테슬라 공장에서 관찰할 수 있습니다.

부가티(Bugatti), 파가니(Pagani), 페라리(Ferrari) 같은 하이엔드 스포츠카 브랜드들은 원하는 벤치마크를 달성하기 위해 미세한 변화에 의존합니다. 부품 무게와 차량 공기역학이 이 벤치마크 달성에 큰 역할을 합니다. 여기서 CNC 가공이 극도로 유용해지며 초경량 탄소섬유 사용도 마찬가지입니다. 이 기계들의 흠잡을 데 없는 정밀도는 이러한 스포츠카의 복잡한 설계를 가능하게 해 세계를 매료시키는 가장 빠른 차를 만듭니다.

5축으로 작동하는 최신 CNC 모델은 그 무엇보다 생산을 가속화합니다. 이러한 혁신들은 테슬라가 현재 직면한 생산 한계 문제(수요에 비해 공급이 상대적으로 부족)를 해결할 수 있습니다.

대기업들이 제조에 CNC 가공을 의존하고 공정에서 인적 오류 가능성을 제거하는 것은 일반적인 관행입니다. 포르쉐는 CAD(컴퓨터 지원 설계)로 911 스파이더를 완전히 설계하는 등 한 걸음 더 나아갔습니다. 이는 CNC 가공의 한 형태입니다.

CNC 기계가 수십 년 전부터 존재했지만 여전히 꽤 비싸서 소규모 제조사들은 항상 의존할 수 없습니다. 여기서 3D 프린터가 유용해졌습니다. CNC 기계는 다양한 작업을 실행하기 위한 공구 헤드 배열을 사용해 엄청난 비용이 들 수 있습니다. 하지만 CNC 기계의 정밀도와 효율성은 어떤 대안과도 비교할 수 없습니다. CNC 기계와 3D 프린팅 기술이 오늘날 도로 위 가장 빠른 차를 만드는 데 어떻게 도움이 되었는지 살펴보겠습니다.

코닉세그의 아게라 R과 아게라 S는 1,000마력 이상을 자랑하고 매우 가벼운, 얌전하지 않은 차들입니다. 몇 년 전 그들의 생산 팀 리더 크리스티안(Christian)은 포르쉐, 페라리, 맥라렌에서 무엇이 나올지 소문을 들었습니다. 그는 그들을 상대할 무언가로 준비하고 싶었습니다.

코닉세그 원:1은 7,500 RPM에서 1,360마력(8,250 레드라인)과 3,000~7,500 RPM에서 1,000Nm(737 lb-ft)의 토크를 수정된 버전의 코닉세그 5.0리터 트윈 터보 V8에서 냅니다. 엄청나죠, 정말 미친 양입니다.

크리스티안은 원:1을 세계 최초의 '메가카(mega car)'라고 부르고 싶다고 말합니다. 클래스에 맞지 않아서가 아니라 1,360마력이 1메가와트와 같기 때문입니다. 더 많은 부스트로 더 많은 파워를 낼 수 있지만 더 나은 드라이빙과 반응을 위한 균형을 원했습니다. 크리스티안의 목표는 2,500 RPM쯤에서 풀 스팀으로 올라오는 엔진이었는데, 더 높은 부스트 터보였다면 4,000 RPM까지 지연됐을 겁니다. 원:1의 토크 곡선은 그저 매혹적입니다. 완전히 평평하진 않지만 거의 가깝습니다.

또한 일상에서는 듣기 힘든 무언가를 가진 새로운 가변 지오메트리 터보차저를 사용합니다: 내부 부품이 3D 프린팅되었습니다. 이는 원하는 형상을 구현하면서 무게를 줄이는 데 도움이 되었습니다.

터보차저 내부 부품 외에도 3D 프린팅은 배기 팁에 사용되었습니다.

https://www.3dnatives.com 같은 플랫폼은 3D 프린팅과 적층 제조에 관한 모든 것의 선도적 소스로, 거기서 3D 프린팅에 대한 모든 것을 더 배울 수 있습니다.

사실 이 배기 팁은 지금까지 제작된 가장 큰 3D 프린팅 티타늄 조각입니다. 제작에 꼬박 3일이 걸립니다. 대량 생산 차라면 놀랍게 비효율적이겠지만, 코닉세그 같은 비스포크 메이커에게는 오히려 유리합니다. 단 6개를 얻기 위해 너무 복잡하고 비용이 많이 드는 공급업체를 상대하는 대신 3D 프린팅으로 워크플로를 직접 통제할 수 있습니다.

외관상 모노코크는 아게라의 것과 비슷해 보이지만 원:1은 아게라에 쓰인 직조보다 최대 40% 더 가벼울 수 있는 완전히 새로운 탄소섬유 직조를 사용합니다. 사실 이 신세대 탄소섬유는 새로운 F1 차들에서 볼 수 있는 것과 같습니다. 탄소섬유는 깃털처럼 가볍고 이 번개 같은 차들의 진정한 게임 체인저입니다.

자, 자리를 꽉 잡으세요. 코닉세그가 미지의 영역으로 들어가는 부분입니다. 최초로 액티브 에어로다이내믹스를 사용합니다. 프론트 엔드 하단에 카본 파이버를 약화시키기 위한 컷아웃을 추가했습니다. 그런 다음 유압 액추에이터가 실제로 카본 파이버를 구부려 공기를 차체 안으로 유도하고 후드로 배출합니다. 최고 속도 모드에서는 플랩이 닫혀 다운포스를 줄이고 최대한 은밀하게 만듭니다.

카본 파이버 주세요. 모든 것, 네, 모든 것이 카본 파이버입니다. 시트, 휠, 차체, 모노코크 안전 셀, 심지어 선바이저까지 카본 파이버인데 크리스티안은 각각 약 100g을 절약했다고 말합니다. 그게 별로 안 커 보일 수 있지만 여기선 모든 작은 조각이 중요합니다.

그래서 원:1은 1,360kg 나갑니다. 그게 드라이 중량이 아닙니다. 반 탱크 기름과 모든 유체가 가득 찬 상태입니다. 정말 놀라운 업적입니다.

하지만 코닉세그 원:1은 작년 부가티가 시론(Chiron)을 출시하며 가장 빠른 차 타이틀을 되찾아갔습니다. 이 아기가 날아가는 걸 보려면 https://www.youtube.com/watch?v=73V0Y1HL6G8에서 가장 빠른 차 탑 10 영상을 확인하세요.

내년 동안 크리스티안과 그의 팀이 다시 폴 포지션으로 치고 나갈 거라 장담하며, 그 뒤에는 CNC 가공이 있을 겁니다.