3D 프린팅은 자동차 산업을 어떻게 변화시키고 있습니까? (2021)

자동차 산업을 위한 쾌속 프로토타이핑 도구로서의 3D 프린팅의 시대는 끝났습니다. 적층 제조(AM)의 발전으로 오늘날 자동차 제조업체는 점점 더 3D 프린팅을 생산 라인에 통합하고 있습니다.

실제로 자동차 이해 관계자의 94%가 3D 프린팅 기능을 확장할 계획이라고 Jabil이 2018년에 실시한 설문조사에 따르면

이 기사에서는 3D 프린팅이 자동차 제조업체에 제공하는 이점에 대해 알아보고 이 기술이 오늘날 자동차 생산 프로세스에 어떻게 통합되고 있는지 살펴보겠습니다. 또한 최종 사용 자동차 부품에 3D 프린팅을 채택하는 현재의 과제와 자동차 부문에서 3D 프린팅의 미래에 대해 살펴보겠습니다.

자동차 산업을 위한 3D 프린팅의 이점

1. 디자인 혁신

3D 프린팅은 기존 제조 방법으로는 불가능했던 복잡하고 복잡한 디자인을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이 기능은 맞춤형 기능 부품을 생성할 때 특히 유용합니다.

무게 감소는 자동차 OEM의 주요 관심사이므로(일반적으로 가벼운 차량은 연료 소비가 낮습니다.) 설계 엔지니어는 3D 프린팅을 토폴로지 최적화 및 제너레이티브 디자인과 같은 도구와 결합하여 이점을 얻을 수도 있습니다. 이들은 특정 영역의 재료를 제거하고 최적화된 중량과 성능을 가진 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

2. 단순화된 조립

부품 통합은 자동차 OEM이 3D 프린팅의 이점을 누릴 수 있는 또 다른 방법입니다. 기존 제조 방법에는 3D 프린팅의 설계 자유도가 부족하기 때문에 일반적으로 최종 구성 요소를 만들기 위해 여러 구성 요소를 생산해야 합니다.

부품 통합을 통해 구성 요소의 여러 부분을 설계 단계에서 단일 구성 요소로 통합할 수 있습니다. 복잡성으로 인해 통합된 디자인은 종종 3D 프린팅의 도움으로만 생성될 수 있습니다.

이 접근 방식을 통해 3D 프린팅은 조립 단계에서 필요한 구성 요소의 수를 줄여 조립 프로세스를 단순화할 수 있습니다. 여러 부품의 필요성을 극복하면 재료 사용량과 조립 시간 또는 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.

3. 맞춤설정

제조가 대량 맞춤화로 점점 더 기울어짐에 따라 자동차 OEM은 점점 더 고객의 요구에 맞는 차량을 만드는 방법을 찾아야 합니다. 3D 프린팅은 맞춤형 부품을 생산하는 비용 효율적이고 유연한 방법을 제공합니다.

업계의 럭셔리 및 모터스포츠 부문에서 기업들은 이미 이 기술을 사용하여 차량의 내부 및 외부 부품 모두를 위한 맞춤형 부품을 생산하고 있습니다.

고객에게 맞춤 옵션을 제공하는 것은 자동차 제조업체가 고객 경험을 개선하고 경쟁 우위를 늘리는 것을 목표로 하는 한 가지 방법입니다.

맞춤화를 위해 3D 프린팅을 채택한 자동차 산업의 한 부문은 고급 차량 부문입니다. 소규모 생산이 일반적인 부문에서 3D 프린팅을 사용하여 비교적 짧은 시간에 특정 고객 요구 사항에 맞는 부품을 만들 수 있습니다.

Mini가 좋은 예입니다. 독일-영국 자동차 제조업체는 고객이 트림 구성 요소 및 도어 핸들과 같은 맞춤형 부품을 주문할 수 있도록 3D 프린팅으로 전환했습니다.

Porsche 3D 프린트 맞춤형 시트

또 다른 예로, Porsche는 맞춤형 3D 프린팅을 활용하는 스포츠카 시트에 대한 새로운 개념을 도입했습니다.

새로운 시트는 폴리우레탄 3D 프린팅 중앙 시트와 등받이 쿠션 섹션을 특징으로 하며, 하드, 미디엄, 소프트의 3단계 강도로 맞춤화할 수 있습니다.

포르쉐는 이르면 2020년 5월에 유럽 경마장에서 사용할 40개의 프로토타입 좌석을 3D 프린팅할 계획이며 고객 피드백은 2021년 중반의 최종 도로 법적 모델을 개발하는 데 사용됩니다.

포르쉐는 고객의 특정 신체 윤곽에 맞게 시트를 맞춤화하여 견고함과 색상을 넘어 시트 맞춤화를 확장하고자 합니다.

인쇄는 제품 디자인 단계를 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 고객은 차량이 어떻게 보일지에 대해 더 많은 의견을 가질 수 있습니다.

자동차용 3D 프린팅 재료

많은 자동차 응용 분야에는 인성 및 연성과 내열성 및 내화학성을 결합한 재료가 필요합니다. 따라서 고강도 폴리머(나일론, PEEK), 플라스틱(ABS, ASA) 및 금속(알루미늄, 강철 합금, 티타늄)을 사용한 3D 프린팅은 기능성 자동차 부품 및 툴링을 생산하기 위한 가장 일반적인 옵션입니다.

이제 탄소 섬유 복합 재료를 사용한 3D 프린팅의 가능성도 있어 더욱 가벼운 자동차 부품을 만들 수 있는 또 다른 문이 열립니다.

3D 프린팅을 자동차 생산 공정에 통합

제품 개발 및 검증

더 짧은 시간에(그리고 약간의 추가 비용으로) 여러 설계 반복을 생성할 수 있는 가능성이 있는 3D 프린팅은 제품 개발을 위한 효과적인 도구입니다. 일반적으로 부품은 최종 설계에 동의하기 전에 여러 설계 주기를 거쳐야 합니다.

3D 프린팅을 사용하면 이 단계를 극적으로 가속화할 수 있습니다. 또한 이 기술은 프로토타입을 생산하는 데 값비싼 도구를 필요로 하지 않기 때문에 비용 효율적인 설계 개선이 비교적 빠르게 이루어질 수 있습니다.

프로토타이핑, 테스트 및 성능 검증을 위해 3D 프린팅을 사용하는 것은 현재 자동차 산업에서 가장 널리 사용되는 기술 응용 프로그램 중 하나입니다.

3D 프린팅으로 실현되는 낮은 생산 비용은 설계 엔지니어가 최종 부품 생산을 위해 일반적으로 노동 집약적인 고가의 금형에 투자하기 전에 먼저 구성 요소의 적합성과 기능을 확인할 수 있음을 의미합니다.

Audi에서 3D 프린팅으로 디자인 검증

새 차량이 생산되기 전에 잉골슈타트의 Audi Pre-Series Center는 새로운 디자인과 개념을 평가할 수 있도록 브랜드의 물리적 모델과 프로토타입을 제작합니다.

폴리머 3D 프린팅의 사용은 Audi Pre-Series Center의 자동차 디자인 프로세스의 필수적인 부분이 되어 팀이 기존 프로세스의 한계를 극복하고 디자인 검증을 가속화할 수 있게 되었습니다.

예를 들어 후미등 덮개를 사용하십시오. 전통적으로 이러한 부품의 프로토타입은 밀링 또는 몰딩을 사용하여 생산됩니다. 이러한 생산 기술의 주요 과제는 후미등 하우징의 다색 덮개를 별도로 생산한 다음 조립해야 한다는 것입니다. 이는 설계 검증을 위한 리드 타임을 증가시키고 결과적으로 출시 시간을 지연시킵니다.

Stratasys의 다중 색상 3D 인쇄 기술을 사용하여 팀은 단일 인쇄에서 완전히 투명한 다중 색상 후미등 덮개를 만들 수 있으므로 이전에 여러 단계 프로세스가 필요하지 않습니다.

후미등 커버를 생산하기 위해 Audi는 3D 프린팅 덕분에 프로토타이핑 리드 타임을 최대 50%까지 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

도구

프로토타이핑은 자동차 산업에서 3D 프린팅의 주요 응용 프로그램으로 남아 있지만 툴링 기술을 사용하는 것이 빠르게 확산되고 있습니다.

폭스바겐 유로파(Volkswagen Europa) 조립 공장은 이미 AM을 사용하여 툴링 장비를 타사 공급업체로부터 소싱하는 대신 사내에서 생산하고 있습니다.

이 회사는 2014년 파일럿 프로젝트를 위해 툴링에 3D 프린팅을 사용하기 시작했습니다. 파일럿의 성공으로 Volkswagen은 툴링 생산의 상당 부분을 3D 프린팅으로 전환했습니다.

이 응용 프로그램에 기술을 사용하면 많은 이점이 있습니다.

툴링을 내부적으로 생산하면 자동차 제조업체의 툴 생산 비용이 90% 감소하고 리드 타임이 몇 주에서 며칠로 단축됩니다. 예를 들어, 리프트게이트 배지와 같은 도구는 기존 제조 방식을 사용하여 개발하는 데 35일이 소요되고 비용은 최대 400유로에 달하는 것으로 알려졌습니다. 3D 프린팅을 사용하면 단 10유로의 비용으로 동일한 도구를 4일 만에 생산할 수 있습니다.

툴링에 3D 프린팅을 사용함으로써 Volkswagen은 2017년에 거의 325,000유로를 절감하는 동시에 인체 공학, 생산성 및 작업자 만족도를 향상시켰다고 합니다.

제조 보조 장치와 관련하여 3D 프린팅은 보다 확립된 제조 도구 방법의 대안으로 빠르게 성장하고 있습니다. 몇 년 안에 더 많은 자동차 OEM이 생산 효율성과 도구 성능을 개선하기 위해 3D 인쇄 도구로 전환하는 것을 보게 될 것입니다.

예비 부품

자동차 제조업체는 3D 프린팅의 이점을 활용하여 주문형 예비 부품을 만들 수 있습니다.

예비 부품(종종 주문이 거의 이루어지지 않는) 보관과 관련된 높은 재고 비용과 함께 3D 프린팅은 필요한 부품을 적시에 생산할 수 있는 비용 효율적인 수단을 제공하여 배송 시간을 단축하고 재고 비용을 줄이며 공급망을 단순화합니다.

Daimler Buses는 3D 프린트 예비 부품을 찾고 있습니다.

2020년 초, Daimler Buses는 3D 프린팅을 통해 고객을 위해 예비 부품을 사내에서 직접 생산하는 새로운 비즈니스 모델을 개발할 계획을 발표했습니다.

현재 Daimler Buses의 3D 프린팅 역량 센터는 이러한 프린팅을 위해 300,000개 이상의 버스 예비 부품을 자세히 조사하고 있습니다. 덮개, 손잡이 및 다양한 브래킷과 같이 지금까지 약 200개가 적합한 것으로 확인되었습니다.

이러한 부품을 3D 프린팅으로 전환하는 주요 동인 중 하나는 부품 생산 및 배송 속도를 높이는 능력입니다. Daimler Buses는 이러한 프로세스가 몇 개월이 아니라 며칠이면 된다고 말합니다.

Daimler Buses가 인용한 3D 프린팅의 또 다른 이점은 향상된 재료 효율성입니다. 이 기술은 폐기물을 상당히 적게 생성하고 사용하지 않은 재료는 다음 3D 프린팅 주문에 즉시 사용할 수 있습니다.

최종 부품 생산

AM 기술과 재료의 최근 발전으로 3D 프린팅이 가능해지면서 중소형 최종 사용 부품을 생산할 수 있게 되었습니다. Jabil의 2018년 자동차 OEM 설문조사에 따르면, 40%는 3D 프린팅이 최종 사용 자동차 부품 생산에 도움이 될 것이라고 생각합니다.

최종 사용 3D 인쇄 자동차 부품은 벨로우즈, 복잡한 덕트, 마운팅 브래킷 및 엔진 부품과 같은 외부 부품에서 내부 부품에 이르기까지 다양합니다.

한 가지 예는 Ford입니다. 작년에 회사는 구조 부품의 3D 프린팅 생산 시작을 발표했습니다.

문제의 부품에는 Ford Focus HVAC(난방, 환기 및 냉각) 레버 암 서비스 부품, Ford F-150 Raptor 보조 플러그 및 Ford Mustang GT500 전기 주차 브레이크 브래킷이 포함됩니다.

이러한 구성 요소는 Carbon의 DLS(Digital Light Synthesis) 3D 프린팅 기술과 EPX(에폭시) 82 소재를 사용하여 생산되며 Ford의 모든 성능 표준 및 요구 사항을 통과했습니다.

모터스포츠의 3D 프린팅

AM을 경주용 자동차 개발을 위한 경쟁 우위로 사용하는 것은 오늘날 표준 관행입니다.

모터스포츠에서 3D 프린팅은 풍동 테스트를 위한 내구성 있고 정확한 부품을 생산하는 데 없어서는 안될 도구가 되었습니다. 또 다른 장점은 속도입니다. 설계 변경이 필요한 경우 AM을 사용하면 풍동에서 테스트할 수 있는 구성 요소를 훨씬 더 빠르게 생산할 수 있습니다.

많은 경주용 자동차 팀도 최종 사용 자동차 부품 생산에서 3D 프린팅을 탐구하고 있습니다. 예를 들어, Alfa Romeo Sauber F1 팀은 전복 시 운전자를 보호하는 중요한 안전 구조인 금속 롤 후프를 3D로 인쇄합니다.

특히 이 부품은 AM을 위해 특별히 개발된 경량 금속인 Scalmalloy로 만들어졌습니다. 이 재료를 선택적 레이저 용융(SLM) 기술과 결합하여 Sauber F1은 구조적 무결성을 위한 복잡한 내부 기능을 가진 훨씬 더 가벼운 롤 후프를 생산할 수 있습니다. 또한 생산 리드 타임을 약 25% 단축할 수 있었습니다.

자동차 산업의 3D 프린팅 과제

대량 생산

자동차 OEM이 AM 시스템을 개발 및 생산에 점점 더 많이 통합하고 있지만 더 폭넓게 채택하는 데 있어 한 가지 문제는 생산량입니다. 2019년에만 9,200만 대가 넘는 자동차가 생산된 자동차 산업은 대량 생산에 크게 의존하고 있습니다.

현재 단계에서 3D 프린팅은 자동차 산업에서 요구하는 양과 속도로 부품을 생산할 수 없습니다. 따라서 이 기술은 대량 생산에 적합한 전통적인 제조 방법을 대체하는 것이 아니라 소량의 맞춤형 생산을 위한 보완 도구가 되어야 합니다.

즉, 3D 프린팅 하드웨어 제조업체는 자동차 산업의 요구 사항에 맞는 대량 생산 방법을 개발하고 있습니다. 그 중 하나는 HP, Desktop Metal, ExOne 및 GE Additive에서 개발한 금속 바인더 분사입니다.

금속 외에도 바인더 젯팅 3D 프린터는 플라스틱, 모래, 세라믹과 같은 분말 재료와 결합제를 사용하여 디지털 설계 파일의 데이터를 사용하여 부품을 레이어별로 빠르게 구축할 수 있습니다.

레이저나 전자빔을 이용하여 한 번에 한두 개의 부품을 만드는 3D 프린터와 달리 바인더 젯팅기는 인쇄 영역이 훨씬 더 크고 레이어가 여러 개 있기 때문에 한 번에 수십 개의 브래킷을 만들 수 있습니다. 훨씬 빠르게 구축됩니다.

그러나 금속 바인더 분사는 자동차 산업에 도입되는 초기 단계에 불과합니다. 컨설팅 회사 Ampower GmbH &Co의 관리 파트너인 Matthias Schmidt-Lehr에 따르면 바인더 분사 기술은 자동차 부품을 대량으로 생산할 수 있으려면 5년에서 10년 사이입니다.

빌드 크기

자동차 제조업체가 직면한 또 다른 과제는 많은 AM 시스템의 제한된 빌드 크기입니다. 3D 프린팅 기술로 더 큰 부품을 생산할 수 있지만 이는 모듈식 부품 형태로 이루어져야 합니다. 이것들은 차례로 용접과 같은 다른 공정을 통해 현재 조립되거나 부착되어야 합니다.

그러나 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 및 BAAM(Big Area Additive Manufacturing)과 같이 더 큰 빌드 크기를 지원할 수 있는 기술이 활발하게 연구 및 개발되고 있는 대규모 적층 제조는 중요하고 성장하는 연구 영역입니다.

AM 기술 격차

기술이 더 널리 보급되려면 AM 관련 기술 개발에 대한 추가 투자도 해결되어야 합니다. AM을 위한 설계, AM 시스템의 운영 및 유지보수, 재료 및 후가공은 모두 개발되고 육성되어야 하는 필수 기술입니다.

AM의 현재 기술 격차에 대해 많은 언급이 있었지만 대학과의 파트너십 및 내부 교육 프로그램은 AM 기술의 특수성을 다룰 수 있는 숙련된 인재 풀을 보장하는 한 가지 방법입니다.

자동차의 3D 프린팅:앞으로의 길

자동차 제조업체가 3D 프린팅을 위한 새로운 응용 프로그램을 계속 찾아내면서 한 가지 분명한 사실은 최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅 사용이 점점 더 주목을 받고 있다는 것입니다. 3D 프린팅 연구 회사인 SmarTech Analysis의 최신 보고서는 자동차 생산에 AM을 사용하는 것이 2030년까지 100억 달러 규모의 비즈니스가 될 것이라고 언급함으로써 이러한 추세를 뒷받침합니다.

이러한 맥락에서 자동차 산업은 브래킷, 하우징 및 엔진 부품과 같은 3D 인쇄 기능 구성 요소를 훨씬 더 많이 목격하게 될 것입니다.

그리고 아마도 더 먼 미래에 대한 비전, 즉 전체 자동차를 3D 프린팅하는 전망은 그리 억지스럽지 않을 수 있습니다.

미국 자동차 제조업체인 Local Motors는 이미 지역 저속 운송용으로 설계된 Ollie라는 3D 인쇄 자율 전기 셔틀을 테스트하고 있습니다.

차량의 지붕과 하체를 포함하여 Ollie의 구성 요소 대부분은 3D로 인쇄되었습니다.

도로에서 완전히 3D 인쇄된 차량을 보려면 시간이 걸리겠지만 Local Motors의 Ollie와 같은 프로젝트를 통해 그 흥미로운 가능성에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.