3D 프린팅이 철도 산업을 혁신하다: 사례 연구와 이점

지난 1년간 Deutsche Bahn, Bombardier, Angel Trains 같은 주요 철도 운영사들이 3D 프린팅 역량을 크게 확대했습니다.

최근 EY 연구에 따르면 물류·운송 기업의 16%가 이제 적층 제조로 예비 부품을 생산합니다.

이 급속한 채택을 이끄는 것은 무엇일까요?

이 애플리케이션 스포트라이트에서는 철도 부문을 적층 제조로 이끄는 동력과 가장 설득력 있는 사용 사례를 소개합니다.

시리즈의 다른 애플리케이션 탐색:

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• 3D 프린팅 로켓과 우주선 제조의 미래
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• 전자 부품용 3D 프린팅
• 3D 프린팅 안경
• 최종 부품 생산용 3D 프린팅
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왜 철도 기업들이 산업용 3D 프린팅을 수용하는가?

열차 제작에는 수십 년 운영을 견뎌야 하는 부품이 필요합니다. 부품이 고장 나면(특히 20~30년 전 생산된 부품), 교체품을 찾는 건 어려울 수 있습니다.

많은 철도 운영사들은 단종된 생산 라인이나 폐업한 공급업체에 직면합니다. 기존 대량 생산 방식으로 부품을 새로 만드는 건 필요 수량이 적을 때 특히 비경제적입니다.

게다가 열차가 하루 놀 때마다 상당한 비용이 발생합니다. 철도 기업들은 따라서 구형 부품에 대한 신속하고 비용 효율적인 솔루션을 찾습니다.

3D 프린팅(금형이 필요 없는 디지털 제조 기술)은 이 니즈에 완벽히 부합합니다. 툴리스 생산으로 리드타임을 최대 95% 단축할 수 있으며, 리버스 엔지니어링과 결합하면 잃어버린 설계를 빠르게 재현할 수 있습니다.

Deutsche Bahn 같은 초기 도입자들은 커피 머신 부품부터 시각 장애인용 점자 표지판까지 적층 제조에 적합한 부품 목록을 늘려가고 있습니다. 제조 보조기구(지그, 픽스처, 심지어 경량 인체공학적 도구) 3D 프린팅 잠재력도 추가 동기입니다.

철도 부품용 3D 프린팅 기술

폴리머가 철도 분야 3D 프린팅 재고의 주류입니다. 용융 필라멘트 제조(FFF)와 선택적 레이저 소결(SLS)이 가장 일반적입니다. 이 공정들은 나일론과 ULTEM 같은 고성능 열가소성 수지를 사용하며, 엄격한 방화 표준(예: 철도 표준 EN 45545-2)을 충족해야 합니다.

Stratasys는 EN 45545-2 준수 난연 나일론을 제공하며, Markforged는 최근 철도, 항공우주, 자동차, 방산용 난연 나일론 기반 복합 소재를 출시했습니다.

금속 3D 프린팅도 견인력을 얻고 있습니다. 선택적 레이저 용융(SLM)과 금속 바인더 제팅으로 알루미늄, 강철, 티타늄 부품 생산이 가능합니다.

철도 산업의 3D 프린팅 애플리케이션

Deutsche Bahn, 금속 교체 부품 3D 프린팅

Deutsche Bahn은 적층 제조에 100개 이상의 사용 사례를 탐구하며, 부재 시 최대 한 달 다운타임을 초래할 수 있는 부품에 집중합니다.

주목할 예는 1960년대 도입된 Class 294 기관차용 차륜 세트 베어링 커버입니다. 전통적 주조는 대량 배치와 수개월 리드타임이 필요합니다.

와이어 아크 적층 제조(WAAM)로 서비스 뷰로가 13kg 부품을 단 7시간 만에 제작해 납기 시간과 비용을 극적으로 줄였습니다.

Siemens Mobility: 3D 프린팅 툴링

RRX 레일 서비스 센터에서 Siemens Mobility는 3D 프린팅으로 복잡한 유지보수 도구와 예비 부품을 만듭니다.

핵심 도구 하나(열차 대차 유지보수용 커넥터)는 Stratasys FDM과 ULTEM 9085로 제작되었습니다. 그 결과 견고하고 맞춤형 형상의 구성요소가 비용 많이 드는 아웃소싱 솔루션을 대체했습니다.

회사는 외부 공급업체 의존도 감소와 단위당 비용 절감을 보고합니다.

Angel Trains의 3D 프린팅 탐구

Angel Trains는 Stratasys와 제휴해 내부 부품(팔걸이, 손잡이, 시트백 테이블)을 온디맨드로 3D 프린팅합니다.

단일 팔걸이 생산이 이제 1주일 걸립니다. 기존 방식 대비 94% 단축입니다.

EN 45545-2 표준 충족 ULTEM 9085로 교체용 손잡이도 제조합니다. 1만 5천 파운드와 2.5개월이 들던 것이 3주 만에 훨씬 저렴한 비용으로 완료됩니다.

앞으로 Angel Trains는 화장실 안내 점자 시트백 테이블 시제품을 제작 중이며, 3D 프린팅이 승객 경험 향상에도 기여할 수 있음을 보여줍니다.

CAF의 3D 프린팅 성과

2016년 9월부터 스페인 제조사 CAF는 자사 철도 차량용 약 2,400개 3D 프린팅 부품을 생산했습니다. 컵 홀더부터 도어 지지대까지 다양합니다.

CAF는 대규모 3D 프린팅도 활용해 전면부 부품 같은 수 미터 외부 구성요소를 제작합니다. Urbos 트램용 전면부 부품을 CNC Bárcenas의 Super Discovery FFF 프린터로 생산했습니다.

"금형 없이 복잡한 형상 부품을 만들 수 있어 시장 출시 시간을 획기적으로 단축합니다."라고 CAF 엔지니어링 리더가 말합니다.

기타 사례

다른 철도 거대 기업들도 뒤따르고 있습니다. Bombardier는 내부 및 외부 부품 생산 가속화를 위해 Stratasys 프린터 설치를 진행 중이며, Wabtec은 GE Additive의 H2 바인더 제트 시스템에 투자해 최대 250개 부품을 AM으로 타겟팅하고 있습니다.

철도 산업의 3D 프린팅: 변혁적 영향

적층 제조의 이점은 명확합니다: 구형 부품 신속 대응, 낮은 비용, 복잡하고 경량 구성요소 설계 능력.

많은 기업이 아직 초기 단계지만, 장기적 보상은 철도 공급망과 유지보수 운영을 재편하여 운영사와 승객 모두에게 실질적 혜택을 줄 것입니다.