2020. 5. 27. 11:01ㆍ3D프린터 소개/SLM방식 3D프린터
독일의 자동차 부품 공급사인 Hirschvogel Automotive Group과 금속 3D프린터 공급사인 SLM Solutions가 만나 혁신적인 3D프린팅 자동차 부품을 개발하였습니다. 이 자동차 부품 개발을 위해 '바이오닉 디자인'을 채택했다고 하는데요. 자세한 내용을 함께 알아볼까요?
Hirschvogel Automotive Group은?
Hirschvogel Automotive Group은 독일 Denklingen에 위치한 철강과 알루미늄 단조 자동차 부품을 개발하고 생산하는 세계적인 자동차 공급 업체로 전 세계 3개 대륙에서 9개의 공장과 약 6000명의 직원을 두고 있습니다. 최근에는 고강도의 중량 최적화 부품에 관한 새롭고 비용 효율적인 솔루션을 제공하며 자동차 산업을 넘어 다양한 산업 분야의 제품을 개발하고 생산하는 등 활발한 행보를 이어가고 있는데요.
Hirschvogel Automotive Group내에서 Hirschvogel Tech Solutions는 특히 단조 및 자동차 산업을 넘어선 다양한 응용 분야의 부품을 개발하고 적층 제조 서비스를 제공하는 솔루션 제공 업체입니다. Hirschvogel Tech Solutions는 1. 부품 개발 2. 적층 제조 3. 재료/실패 분석에 이르는 다양한 서비스를 결합하여 고객에게 최적화된 맞춤 솔루션을 제공하는데요. 이를 위해, 초기 부품 개발 아이디어부터 완성된 기능성 부품에 이르기까지 모든 개발 단계를 고객과 함께하고 조언을 아끼지 않고 있습니다.
▼ Hirschvogel Automotive Group 소개 영상 (출처 : Hirschvogel Automotive Group 공식 Youtube 채널)
1. 부품 개발
위상 최적화를 통한 부품 컨셉부터 설계, 선형 탄성 및 탄소성 분석, 형상 최적화, 피로 수명 계산, 프로토타입과 부품 테스트까지 Hirschvogel Tech Solutions만의 노하우를 통해 부품을 설계하고 개발합니다. 단조와 머시닝 분야에서의 대규모 생산 경험을 바탕으로 비용 효율적이고 생산 준비가 완료된 품질 보증 솔루션을 제공합니다.
2. 적층 제조
Hirschvogel Tech Solutions는 부품 설계와 개발부터 생산과 후처리 가공에 이르기까지 전반적인 적층 제조 프로세스 체인을 고려하여 통합적인 접근을 기반으로 부품을 개발합니다. 특히, '바이오닉 디자인'을 적극 활용하여 적층 제조의 가능성과 잠재력을 완전히 활용하며 기능적인 요구사항을 모두 충족시키기 위해 노력하고 있습니다.
적층 제조 기술은 다음과 같은 부품 제작에 사용됩니다.
- 샘플, 프로토타입, 금속으로 만든 도구 및 악세사리 제작
- 금속 부품의 연속 생산
적층 제조 기술의 전체 프로세스 체인
'바이오닉 디자인' 이란?
바이오닉 디자인은 생물의 운동 메커니즘을 모방하여 신소재를 만들어보려는 설계방식이라고 할 수 있습니다. 자연분석을 통해 생물의 특성과 성격을 제품의 디자인적 요소로 활용하는 것이죠. 우리가 흔히 잘 알고 있는 비행기의 날개가 바로 대표적인 바이오닉 디자인 제품이라고 볼 수 있습니다. 자연에 있는 새의 날개구조를 관찰하고 모방하여 마침내 지금의 비행기 날개를 만들게 된 것입니다.
3. 재료/실패 분석
Hirschvogel Tech Solutions는 재료 분야에서 다음과 같은 서비스를 제공합니다.
- 절단
- 연마
- 에칭 (Etching)
- 현미경 검사
- 전자 현미경 관찰
- 인장 테스트
- 노치 시편 충격 테스트
- 피로 테스트
단조와 머시닝 분야에서의 대량 생산 경험을 바탕으로 설계 문제를 고려하고 통합적인 개선 접근 방식을 통해 실패를 분석하고 재료 문제를 해결합니다.
자동차 스티어링 너클
Hirschvogel Tech Solutions는 바이오닉 디자인의 이점을 완전히 활용하여 서스펜션과 스티어링 시스템에 부착되는 자동차 부품인 스티어링 너클을 생산하였습니다. 바이오닉 디자인은 수백만 년에 걸쳐 자연적으로 개발된 구조물로 다양한 기술 분야에 적용되어 여러가지 기능적인 요구 사항을 해결할 수 있다는 장점이 있습니다.
이 바이오닉 접근 기반의 설계 방식을 스티어링 너클에 채택하여 기존 단조 부품에 비해 무려 40%에 달하는 상당한 무게 감소를 달성하였습니다. 단지 무게 감소 뿐만 아니라 주어진 부품의 조립 공간을 고려하면서도 필요한 모든 성능적인 요구 사항을 충족할 수 있었습니다. 특히, 부품 설계 프로세스는 추후 생산을 목적으로 수행되어 많은 추가적인 내부 서포트 없이도 부품을 제작할 수 있었습니다.
프로세스 초기에는 여러가지의 부품 변형을 개발하여 이 변형들을 가지고 주어진 경계 조건을 가장 잘 충족시킬 수 있는지를 계산하고 검증하는 과정을 거쳐 마침내 최종 부품의 구조를 채택하게 되었습니다.
길이가 600mm에 다다르는 최종 부품을 500 x 280 x 365 mm의 빌드 사이즈를 가진 SLM®500 장비의 빌드 플랫폼에 맞게 능숙하게 배치하여 쉽게 제작할 수 있었습니다. 최종 부품은 서포트를 최소화하고 내부 서포트를 완전히 제거한 부품 구조로 인해 후처리 과정이 거의 필요없고 AlSi10Mg(알루미늄 합금) 재료를 사용하여 기존 단조 부품 대비 40%의 경량화에 성공하였습니다.
최종 부품과 동일한 프로세스로 제작된 인장 및 노치 바 시편 테스트를 시행한 결과, 예측 값과 성공적으로 일치하는 것으로 나타났습니다. 상당한 중량 감소 외에도 3D프린팅 스티어링 너클 부품은 내부 응력 감소와 강성 증가라는 이점을 얻을 수 있었습니다.
스티어링 너클 부품을 출력한 SLM®500 장비는 500 x 280 x 365 mm의 빌드 사이즈를 가진 대형 부품 제작을 위한 금속 3D프린터입니다. SLM®500은 Twin 레이저 혹은 Quad 레이저를 장착할 수 있는 옵션이 있는데 Quad 레이저를 장착할 경우 Twin 레이저와 비교하여 빌드 레이트가 약 90% 향상하여 훨씬 더 빠른 출력이 가능합니다. 이번 스티어링 너클 부품 또한 Quad 레이저를 장착하여 출력에 약 31시간의 시간이 소요되었습니다.
스티어링 너클 부품 제작 사례는 3D프린팅 기술의 가능성과 잠재력을 명확하게 보여줍니다. 특히, 40%의 경량화 달성은 응용 산업 분야와 부품 갯수에 따라 혁신적인 결과를 얻을 수 있다는 것을 보여주며 이제 연속 생산으로의 가능성을 열어주었습니다.
자동차 산업에서 3D프린팅은 기존 기술을 대체할 수 있는 가치를 창출하는 혁신 기술로서 그 위상이 나날이 올라가고 있습니다. 이미 Bugatti, Audi, BMW와 같은 세계적인 자동차 회사들은 SLM 기술을 제조 공정에 통합하여 최종 부품을 생산하기 시작했습니다. 엔진 부품, 변속기 부품, 섀시 부품, 타이어 몰드에 이르기까지 제품의 시장 출시 기간을 단축시켜줄 뿐만 아니라 툴링과정을 제거하며 성능 향상을 위한 새로운 가능성을 열어줍니다.
3D프린팅 자동차 스티어링 너클 체크포인트
- 연속생산에 오랜 경험을 가진 세계적인 자동차 공급업체와의 협업
- 전체적인 적층 제조 프로세스 체인을 고려한 통합적인 접근 기반의 부품 개발
- 높은 수준의 경량화 개발 기술과 바이오닉 디자인 기반의 설계 응용
- 기존 단조 부품 대비 40% 재료 절감(무게 감소)
- 서포트 구조가 거의 없는 설계로 후처리 가공 작업 감소
금속 3D프린터 혁신사, SLM Solutions
SLM Solutions는 독일 북부 뤼벡에 위치한 전문 금속 적층 제조(Additive Manufacturing) 솔루션을 제공하는 산업용 금속 3D프린터 제조사입니다. 1995년부터 SLM® 기술을 연구 및 개발하기 시작하여, 세계 최초로 PBF 방식의 금속 3D프린팅에 멀티 레이저 시스템을 적용하였습니다. 또한 특허 받은 리코팅 시스템을 상용화하여 혁신 기술을 세상에 알리고 있습니다.
SLM Solutions는 다양한 빌드 사이즈의 금속 3D프린터를 제조함과 동시에 DfAM 전문 S/W를 함께 제공함으로써 다양한 고객들에게 통합 솔루션을 제공하고 있습니다. 덕분에 에너지, 항공우주, 자동차, 의료/덴탈 및 공구 세공 산업에서 전문적으로 활용되고 있으며 새로운 방식의 설계 가능성을 열어 주고 혁신적인 부품 개발을 가능케 하고 있습니다.
모든 SLM Solutions의 금속3D프린터는 개방형 소프트웨어 아키텍처를 갖추고 있어 사용자가 시스템의 세부적인 파라메터 값을 자유롭게 변경할 수 있습니다. 필요시 다양한 재료에 맞추어 최적화된 파라메터를 자유롭게 적용할 수 있어서 연구기관 및 대학교에서도 활용되고 있습니다.
SLM Solutions의 금속 3D프린터의 가장 큰 장점 중 하나는, 금속 파우더 베드 방식에서 더욱 빠른 출력 속도와 생산성을 높이기 위해 세계 최초로 멀티(다중) 레이저 기술을 선보였으며, Twin, Dual 및 Quad까지 다양한 멀티(다중) 레이저 시스템을 갖추었습니다. 사용자는 출력 속도를 개선하기 위해 멀티 레이저 옵션을 선택할 수 있습니다.
두 번째로 주목할 만한 SLM Solutions만의 3D프린터 기술은 바로 빠르고 간단한 리코팅 시스템입니다. 특허받은 Bi-Directional Recoating(양방향 리코팅) 시스템은 레이어별 적층을 위해 리코터가 한 방향으로만 이동하여 작업을 완료하는데요, 한 방향으로 이동할 시 재료를 리코터에서 분사해주어 파우더 재료의 공급이 매우 빠릅니다. 또한 이 시스템 덕분에 재료를 채워주는 Feeding 챔버가 없어도 되고 오직 빌드 챔버 하나로 조작되어, 장비의 사이즈가 매우 컴팩트해 졌으며 작업 공정도 더욱 단순화 시킬 수 있습니다.
3D프린팅이 모두 완료되고 난 이후, 남은 여분의 금속 파우더는 모두 자동으로 재활용이 가능하도록 시스템이 갖추어져 있어, 사람의 손이 최대한 닿지 않고서도, 안전하게 재료를 재사용할 수 있습니다. 또한 출력 전부터 출력 후까지 모든 과정을 모니터링하는 Additive.Quality 시스템을 갖추어, 세밀한 레이저의 출력 상태부터 제품의 모든 센서의 작동 여부까지 모니터링할 수 있습니다. 또한 잘 설계된 챔버 내부 가스 플로우 시스템 덕분에 출력 중 날아다니는 분진을 재빨리 내보내어 출력에 문제가 될 만한 요소를 사전에 차단합니다.
빌드 사이즈 별로 라인업된 금속 3D프린터는 총 5가지 라인업을 갖추고 있으며 현재 대량 생산에 최적화된 Production-Ready 급의 산업용 금속 3D프린터 또한 갖추고 있습니다.
산업용 금속 3D프린터 전문가 - (주)퓨전테크놀로지
'(주)퓨전테크놀로지'는 고객사의 디지털 제조 혁신을 위해 SLM, SLA, SLS 방식의 고도화된 산업용 3D프린터를 판매, 납품 및 유지 보수를 하는 전문 기업입니다. 자사의 임무는 고객을 위해 전문적인 SLM 3D프린팅의 이점을 알리고 이를 극대화하여 고객의 요구 사항에 맞는 솔루션을 제공합니다. 특히 SLM Solutions사의 고성능 금속 3D프린터의 운영 노하우를 컨설팅하고, 장비에 최적화된 알루미늄(Aluminium), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanium), 코발트(Cobalt) 및 스틸 합금(Steel) 등의 재료를 맞춤형 솔루션으로 제공함으로써 고객사의 디지털 제조 혁신을 돕습니다.
SLM® 금속 3D프린터는 파우더 베드 적층 방식으로서 전통적 방식에서는 제작하기 힘든 복잡한 형상을 자유롭게 설계가 가능하도록 혁신을 주며 매우 빠른 출력 속도와 반복성을 보장합니다.
(주)퓨전테크놀로지는 국내 공식 SLM Solutions사의 유일한 전문 공급사로서, 메탈 3D프린팅 도입에 대한 다양한 고객 성공사례를 공유, 다양한 기술 자료 공유 및 영상 자료를 공유하여 고객사가 경쟁 우위를 확보하는 데 도움을 줄 수 있도록 최선을 다하고 있습니다.
(주)퓨전테크놀로지의 공식 네이버 블로그에 찾아와 주셔서 대단히 감사합니다.
(주)퓨전테크놀로지는 고객사의 "금속(메탈) 3D프린터 전문 파트너"로 일하며 AM(Additive Manufacturing)을 통한 고객의 제조 혁신에 솔루션을 제공함으로써 요구 사항을 해결하는 데 집중하여 일합니다. 금속 3D프린팅에 최적화된 벨기에 Materialise사의 Platinum Partner사로서 DfAM(Design for Additive Manufacturing)에 맞춘 3D설계 지원과 S/W교육 및 납품 또한 책임지고 있습니다! 자사의 다양한 소식을 알 수 있는 홈페이지 및 공식 SNS 사이트를 확인하세요!
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