3D 프린팅으로 생산 혁신을 이끄는 5대 글로벌 완성차 업체

3ERP는 자동차 제조업체들이 3D 프린팅의 이점을 활용하는 다양한 방식을 다뤄왔습니다. 기술이 자동차 산업 주류에서 입지를 넓혀감에 따라 많은 기업들이 주목하고 있지만, 각기 다른 용량과 목적으로 사용하고 있습니다. 이러한 니즈는 툴링부터 예비 부품/공급망 관리, 최종 사용 부품, 심지어 완성차까지 다양합니다.

기술이 얼마나 발전했는지, 업계 거물들이 어떻게 활용하고 있는지, 그리고 미래 생산 체인에 대해 어떻게 전망하는지 보는 것은 흥미롭습니다. 이 글은 세계 최대 자동차 제조사들이 워크플로에서 3D 프린팅을 활용하는 다양한 방식에 대한 통찰을 제공하고자 합니다.

BMW

대부분의 3D 프린팅이 소량 생산에 사용되므로, 3D 프린팅이 허용하는 독특한 요소를 이용해 커스터마이징과 복잡성 추가의 여지가 많습니다. BMW는 그런 디자인과 제조 형태에 익숙하며, 사전 개발, 차량 검증, 테스트, 콘셉트카 및 쇼카에 3D 프린팅을 사용합니다. 더 큰 볼륨에도 기술을 활용하지만, 소량 생산 런을 통해 고객 니즈에 정확히 맞춘 제품 개인화가 가능합니다.

이 회사는 적층 제조 활용에 적극적이며, 독일 BMW 전문가들에 따르면 "양산 및 새로운 고객 제안에 대한 큰 미래 잠재력"을 잠재적으로 보고 있습니다. 플라스틱과 금속 부품 모두를 향상시키는 데 기술을 사용해 왔습니다. 가장 유명하게는 HP와 협력해 대규모 제조 시스템으로 제품을 생산해 왔습니다.

이 리스트의 많은 기업들처럼 BMW도 다른 기술로는 만들 수 없는 부품을 생산하는 수단으로 3D 프린팅을 사용해 왔습니다. 좋은 예가 i8 로드스터의 톱 커버(top cover)입니다. 이 구성요소의 마운팅을 만드는 것은 전통적인 주조 공정으로는 불가능했을 것입니다. 설계 가능성을 확장하는 것 외에도, 이 3D 프린팅 자동차 부품은 이전 반복품보다 더 내구성이 뛰어나고 가볍습니다.

마찬가지로 BMW는 iFE.20 포뮬러 E 레이서에 아마 섬유(flax fibers)로 제조된 3D 프린팅 냉각 샤프트를 공개했습니다. 이 부품은 2019년 말에 선보였습니다. 일반적인 탄소 소재와 비교해 아마는 더 큰 흡수성과 충격 저항성을 가지며, 돌발 상황과 충돌 방벽이 있는 포뮬러 E의 스트리트 서킷에서 유리할 수 있습니다. 이는 워크스 팀이 출전하는 BMW 레이싱카 중 재생 가능 섬유 소재 부품이 적용된 최초의 사례이자, 환경 친화적인 면모도 보여줍니다.

BMW의 엄지 보호 장갑

회사는 툴링과 안전에도 3D 프린팅을 사용합니다. 좋은 예가 배수구 구멍 스토퍼를 마무리하는 데 사용하는 특수 장갑입니다. 이 스토퍼는 엔지니어의 손가락으로 수동 설정해야 해 엄지에 많은 무리가 갑니다. 다행히 그들은 작업 장갑에 장착할 수 있는 3D 프린팅 솔루션을 고안했습니다.

자사 자동차 작업 외에도 회사 엔지니어들은 외부 프로젝트에 힘을 보태 왔습니다. 한 예로 영국 패럴림픽 농구팀을 위한 맞춤형 3D 프린팅 시트 개발이 있습니다. 3D 바디 스캔과 최신 적층 제조를 사용해 BMW 엔지니어들은 선수들이 더 높은 수준의 운동 능력을 발휘할 수 있게 하는 휠체어 제품군을 제작했습니다.

포드 (Ford)

포드의 지그 & 픽스처

3D 프린팅에 대한 헌신 측면에서 포드는 정면으로 기술을 수용하며 달려들고 있습니다. 회사는 적층 제조 센터를 설립하고 운영을 워크플로 전반에 광범위하게 적용했습니다. 플라스틱과 금속 프린팅 제작 측면에서 얼티메이커(Ultimaker), 스트라타시스(Stratasys), GE 애디티브(GE Additive) 같은 다양한 기업들과 장기 파트너십을 맺고 있으며, 생산 체인 전반의 다양한 AM 응용 분야에 기계를 공급합니다.

또한 회사는 공급업체 등을 기다리는 것보다 자체 시설에서 부품을 만드는 것이 더 빠르다는 것을 발견해 툴링 비용과 시간을 줄이는 데 3D 프린팅을 사용합니다. 같은 원칙을 지그와 픽스처에도 적용해 전 세계 시설에서 개발합니다.

지난 몇 십 년간 3D 프린팅 운영을 확장해 금속과 플라스틱 부품을 모두 제조해 왔습니다. 회사 측은 "지난 몇 십 년간 포드는 50만 개 이상의 부품을 프린팅했고 수십억 달러와 수백만 시간의 작업을 절약했습니다. 전통적 방식으로는 4~5개월이 걸리고 50만 달러가 들었을 시제품이 3D 프린팅으로는 며칠 또는 몇 시간 만에 수천 달러 비용으로 제작될 수 있습니다"라고 밝혔습니다.

마찬가지로 포드의 다양한 자회사들도 AM 역량을 과시했는데, 특히 셸비 GT500 뒤의 디자인 팀이 주목할 만합니다. 올해 그들은 새로운 GT500을 위한 가장 유망한 디자인을 며칠 만에 3D 프린팅해 개선과 테스트 단계를 엄청나게 가속화했습니다. 이 속도는 셸비 GT500을 조금씩 빠르게 조정하며 새로운 물리적 디자인을 초고속으로 도입할 수 있게 해줍니다. 또한 팀이 '더 스윙(the swing)'이라 부르는 새로운 스포일러-윙 하이브리드 디자인을 개발했습니다. 이 새 디자인은 GT500의 인상적인 공기역학 능력의 주요 요소입니다.

에코부스트 엔진

회사는 2월에 또 다른 주요 3D 프린팅 이정표를 세웠습니다. 고성능 부품을 다루는 포드 퍼포먼스(Ford Performance) 부문이 자동차 역사상 작동 차량용 최대 금속 자동차 부품을 3D 프린팅했다고 주장했습니다. 금속 부품은 1977년형 포드 F-150에 트윈 터보 3.5리터 V6 에코부스트 엔진이 탑재된 훈니트럭(Hoonitruck)에 장착되었습니다. 부품 자체는 알루미늄 매니폴드 인렛으로, GE 애디티브의 컨셉 레이저 X 라인 2000R(Concept Laser X LINE 2000R)로 프린팅되었습니다.

볼보 (Volvo)

이 리스트에서 가장 눈에 띄는 자동차 3D 프린팅 사용자는 아니지만, 볼보는 최근 몇 년간 이 분야에서 큰 진전을 보였습니다. 리스트의 많은 다른 기업들처럼 볼보는 툴링과 공급망 관리에 3D 프린팅을 사용해 왔습니다. 3D 프린팅의 활용은 특히 단종된 부품에 대한 새로운 프린트로 회사 기계를 재보충하는 데 유용했습니다. 볼보는 주로 3D 프린팅 플라스틱 부품을 사용하며 가까운 미래에 금속 부품 도입을 모색하고 있습니다.

2018년 기준, 회사는 적층 제조를 주로 시제품 제작과 툴링에 사용했습니다. "시제품용 저량 부품만 생산하면 되므로 무엇이 효과적인지 확인하는 좋은 방법입니다." 볼보 CE[건설 장비] 휠 로더 파워트레인 설치 개발 엔지니어 프레드릭 안데르손(Fredrick Andersson)은 말했습니다. "우리는 많은 지식을 가지고 있고 3D 프린팅으로 빠르고 쉽게 변경할 수 있습니다. 이로 인해 신제품 출시 시간이 단축되므로 우리 회사에 큰 이점입니다."

시제품 제작 속도 증가는 회사가 테스트하던 다양한 신기술에 큰 도움이 되었습니다. 예를 들어 볼보 엔지니어들은 회사 A25G와 A30G 차량용 새로운 워터 펌프 하우징을 설계했습니다. 시뮬레이션을 통해 하우징 내부 유로 설계를 최적화했지만, 새 설계를 검증하기 위해 기능 테스트를 수행할 시제품이 필요했습니다. 이 프로젝트의 툴링 비용은 약 9,090달러, 부품 비용은 약 909달러였을 것입니다. 시제품 제작 리드 타임은 최소 20주였을 것입니다. 반면 3D 프린팅 시제품은 770달러에 불과했고 2주 만에 완성되었습니다.

그러나 2019년 회사는 AM 공정 측면에서 판돈을 올렸습니다. 특히 볼보 트럭(Volvo Trucks) 부문에서 그렇습니다. 버지니아주 더블린의 뉴 리버 밸리(NRV) 공장은 올해 제조계에서 꽤 많은 헤드라인을 장식했습니다. 이들은 주로 SLS를 사용하지만 다른 AM 방식도 다룹니다. 이 특정 시설은 매장에서 사용 중인 500개 이상의 제조 툴과 픽스처를 3D 프린팅으로 생산합니다. 이 시설은 북미 자동차 엔지니어링의 주요 허브이기도 합니다.

상용 자동차 외에도 회사는 건설 장비를 개발합니다. 과연 3D 프린팅은 이 회사 운영 측면에도 흔적을 남겼습니다. 볼보는 굴절식 운반 트럭의 리툴링에 3D 프린팅을 적용해 시제품 제작 비용을 10분의 1로 줄였습니다. 또한 소요 시간을 20주에서 단 2주로 단축할 수 있었습니다.

GM (제너럴 모터스)

제너럴 모터스(GM)와 그 다양한 사업부는 3D 프린팅 기술의 주요 사용자이자 개발자입니다. 2018년 기준 GM은 툴링으로 연간 30만 달러를 절약하고 있으며, 대체 연료원을 사용하는 신기술 개발에 충분한 진전을 이루고 있습니다. 선도적인 자동차 제조사는 작년까지 2023년까지 전 세계적으로 20개의 새로운 전기차 및 연료전지 모델을 출시할 계획이라고 발표했습니다.

그들의 3D 프린팅 운영은 주로 시제품 제작에 관한 것이었지만, 확장하고 있습니다. 케빈 퀸(Kevin Quinn) GM 적층 설계 및 제조 이사에 따르면, 회사는 기술이 개선됨에 따라 "수만 개의 부품을 규모 있게 생산"할 계획입니다. 이 계획은 향후 5년에 걸쳐 펼쳐질 것입니다.

회사의 워렌 테크 센터(Warren Tech Center)는 매년 약 3만 개의 시제품 부품을 생산합니다. 부품은 최소 9가지 종류의 소재로 구성되며, 플라스틱, 금속, 분말의 조합을 사용합니다. 주로 시제품 제작에 사용되지만 회사는 최종 사용 부품도 검토하고 있습니다. 또한 보잉과 HRL 연구소를 공동 소유하고 있는데, 그곳에서 3D 프린팅 알루미늄 합금을 생산했습니다.

댄 그리샤버(Dan Grieshaber) GM 글로벌 제조 통합 이사는 GM 공장 대다수에 이제 3D 프린터가 있다고 밝혔습니다. 회사는 이를 북미 공장 내에서 더욱 늘릴 계획입니다. 이 조치는 연간 수백만 달러의 생산 비용 절감으로 이어질 것입니다. GM은 3D 프린팅과 그 다양한 하위 기술에 오랫동안 투자해 왔습니다. 공장 근로자들을 위한 툴과 액세서리의 신속한 제작에 적용하고 있습니다. 올해만 해도 3만 5천 달러짜리 3D 프린팅 기계 도입으로 2년간 30만 달러를 절약했다고 밝혔습니다. 툴링 생산이 프린터의 주된 역할이지만, 회사가 일상 운영에서 적층 제조의 역할을 늘릴 가능성도 있습니다.

오토데스크와 협업으로 개발된 GM의 브라켓

오토데스크(Autodesk)와의 파트너십은 자동차 제조사가 대체 연료 차량을 제품 라인업에 추가하려는 목표를 달성하는 데 도움이 될 경량 3D 프린팅 부품 제조에 유익했습니다. 같은 협업의 일환으로 2019년 두 회사는 오토데스크 기술로 개발된 스테인리스강 3D 프린팅 시트 브라켓을 선보였습니다.

2019년 초, GM은 3D 프린팅을 위한 새로운 디자인 응용을 모색했습니다. 미쉐린(Michelin)과 협력해 내구성이 우수한 새로운 유형의 타이어를 생산하려 했습니다. 업티스(Uptis) 타이어는 아직 진행 중이지만 기업들은 테스트 단계로 넘어갔습니다. 타이어가 100% 지속 가능하고 내구성이 있으며 더 오래 지속될 것이라고 주장합니다. 생산 중 폐기물도 적은 훨씬 더 친환경적인 대안입니다. 최근 엔지니어들은 미시간에서 쉐보레 볼트 EV(Chevrolet Bolt EV) 차량단을 사용해 새 타이어를 테스트했으며, 2024년 대중 출시 가능성을 내비쳤습니다.

포르쉐 (Porsche)

포르쉐는 주요 부품부터 구형 모델의 공급망 재발명까지 다양한 목적으로 3D 프린팅을 사용해 왔습니다. 포르쉐는 현재 매우 특정한 예비 부품을 생산하기 위해 3D 프린팅을 사용하지만, 그렇게 광범위하게는 아닙니다. 이는 안전을 보장하기 위해 수행해야 하는 엄격한 품질 기준 때문입니다. 또한 클래식 및 럭셔리 카 브랜드로 전체 생산 대수가 더 적습니다.

포르쉐 959의 클러치 릴리즈 레버 같은 단종 부품 개발을 위해 회사는 레이저 용융을 사용합니다. 분말 공구강을 사용해 대체 방법으로는 불가능했을 것보다 훨씬 더 효율적으로 부품을 만듭니다.

3D 프린팅의 활용은 또한 회사가 주문형 프린팅으로 이동하게 해, 소재, 운송, 보관과 관련된 비용을 훨씬 낮추었습니다. 이는 또한 이러한 부품이 더 큰 수요가 없고 지속적인 생산에 비용이 많이 들기 때문에 유익합니다. 포르쉐는 마크포지드(Markforged)와 협력해 이 클래식 부품들을 부활시키는 것으로 가장 유명합니다.

주로 다양한 부품 제작에 SLM과 SLS를 사용합니다. 포르쉐는 3D 프린팅 부품이 많은 경우 구형 부품보다 우수하다고 밝혔습니다. 현재 제한된 수의 부품을 프린팅하고 있지만, 2018년부터 포트폴리오를 확장하고 미래 부품을 테스트해 왔습니다.