자동차 산업을 둘러싼 환경은 최근 몇 년간 격변의 시기를 겪고 있으며 ‘100년에 한 번의 변혁기’라고도 불린다. 앞으로 전동화가 추진됨에 따라 내연기관 부품 생산은 계속 감소해 갈 것이며, 가까운 미래에 부품 보급이 이루어지지 않을 것으로 생각되기도 한다. 한편, IT 기술의 발전에 따라 제조업의 스마트 매뉴팩처링은 나날이 진행되고 있으며, 적층 제조(AM)의 활용은 그 좋은 예라고 할 수 있다. 이 글에서는 AM을 적용한 금형 없는 부품 제조의 한 예를 소개한다.

 

배경

 

1. 시작

탄생은 1769년, 프랑스의 군사 기술자였던 Nicolas-Joseph Cugnot씨가 발명한 증기로 움직이는 삼륜차가 세계 최초의 자동차라고 알려져 있다. 1886년에는 현대에서도 주류가 되는 가솔린 엔진을 삼륜 마차에 탑재한 자동차가 독일의 Gottlieb Wilhelm Daimler씨와 Karl Friedrich Benz씨에 의해 개발됐다. 이로 인해 기존에는 말 등이 담당하던 이동에 필요한 동력원의 역할은 서서히 내연기관으로 대체됐다. 당시의 자동차는 한 대씩 수작업으로 제작되고 있었는데, 1908년 미국의 Henry Ford씨가 저렴한 T형 포드를 발표하고 1913년에는 라인 생산 방식을 도입해 생산의 효율화를 도모하고 더욱 낮은 가격으로 자동차의 대중화를 급속히 추진했다. 일본에서 처음으로 생산된 국산 가솔린 자동차는 우치야마 코마노스케 씨와 요시다 신타로 씨가 협력해 제작한 1907년(메이지 40년)에 탄생한 ‘타쿠리호’라고 알려져 있다.

 

2. 현황

이후 100년 이상의 시간이 지나면서 그 사이에 디젤 엔진 자동차나 내연기관과 전기 모터를 조합한 하이브리드 자동차 등 새로운 동력원을 탑재한 자동차도 다양하게 등장했는데, 가솔린 엔진을 탑재한 자동차는 현재도 주류로 계속 이용되고 있다. 일본의 고도 경제 성장기에는 동경의 대상이었던 자동차가, 그 후 더 저렴하게 제공하려는 제조 측의 노력 덕분에 누구나 손에 넣을 수 있는 소비재가 되었다. 자동차 외의 이동 수단, 예를 들어 철도망이나 선박, 항공기 등도 발전한 오늘날, 자동차는 이제 동경의 소유 대상에서 벗어나 렌탈이나 리스, 공유 등으로 이용하는 단순한 도구가 되어가고 있다.

 

3. 변혁

기존에는 자동차 요구 항목을 바탕으로 드라이버빌리티 향상을 위한 가볍고 강한 신재료의 개발, 엔진 연소 효율 향상에 따른 연비 개선, 대기 환경 개선을 위한 배기가스 정화 등 상품 매력 향상을 위한 다양한 접근이 이루어져 왔는데, 최근 석유 피크가 이미 도래했다는 설도 있고 에미션(Emission)의 관점에서도 동력원의 전력 전환이 추진되고 있다. 동력원 전환으로 인해 새로운 플레이어가 자동차 업계에 진입하는 장벽이 낮아졌고, Google과 같은 IT 업계나 TESLA, 니오(NIO)와 같은 신흥 기업 등 지금까지 자동차를 만든 적 없는 그룹이 자동차를 만들고 가전의 IoT처럼 자동차를 네트워크에 접속해 자율주행 수준을 높이기 위해 경쟁하고 있다. 이러한 상황을 다임러사의 Dieter Zetsche씨는 ‘C = Connected(커넥티드)’, ‘A = Autonomous(자율주행)’, ‘S = Shared & Service(공유 및 서비스)’, ‘E = Electric(전동화)’라는 자동차 산업의 중요한 4가지 트렌드의 머리글자를 따서 ‘CASE’라고 표현했다. 이후 자동차의 미래를 이야기하는 자리에서는 누구나 이 ‘CASE’라는 표현을 자주 사용하게 됐으며, 앞으로 더욱 ‘CASE’의 확장이 예견된다.

 

4. 논점

한편 당분간은 기존형인 이른바 내연기관을 탑재한 자동차의 이용도 병행해 진행되며, 소모 부품의 보급은 예전과 같이 요구되지만 전동화 전환에 따라 내연기관의 부품 제조는 감소할 것이므로 부품 제조원에는 부품 보급의 책임을 다하기 위해 다양한 금형을 보관하고 유지해야 하는 부담이 생기게 된다. 약 3만 개의 부품으로 구성되는 1대의 자동차에서 어느 1개의 부품이 보급되지 않아 자동차 자체의 지속 이용이 이루어지지 않는 상황은 반드시 피해야 하므로 새로운 방안의 제시가 필요하다.

 

5. 제안

최근 적층 제조(이하 AM)는 IT 기술과 융합해 스마트 매뉴팩처링과 함께 기술 발전이 두드러지며 더욱 활용이 진행되고 있다. 디지털 설계 데이터와 AM 조형 머신을 네트워크를 통해 연결할 수 있다면 전 세계, 아니 가까운 미래에는 우주에서도 무인으로 부품의 조형이 가능하고, 다크 팩토리의 대표적인 예 중 하나라고 할 수 있다. AM은 디지털 기술을 선도하는 여러 외국에서 발생한 기술로 생각하기 쉬운데, 실제로는 일본의 연구자(코다마 히데오 씨)가 그 기간 기술이 되는 광조형 장치를 발명하고, 1980년에 ‘입체 도형 생성 장치’로 특허 출원한 사실은 잘 알려져 있지 않다. 이 글에서는 일본에서 발생한 기술인 AM을 활용한 금형 없는 부품 제조의 시도에 대해 설명한다.

 

금속 재료용 AM의 종류와 공정

 

초기에는 수지 재료의 조형만 했던 AM은 금속 재료와 세라믹 재료로 응용이 추진되고 있다. 금속 재료에서는 주로 아래 4종류의 대표적인 조형 방식이 있다.

 

1. 분말 소결 방식

베이스 플레이트 위에 금속 분말을 깔고, 조형 부분에 열원인 레이저 빔이나 전자빔을 조사해 금속 분말을 용융·응고시키는 조형 방식으로, 복잡한 형상을 고정도로 조형할 수 있는 장점이 있다. 한편, 금속 분말을 한 층 깔고 레이저빔이나 전자빔을 조사해 용융·응고하는 동작을 반복하기 때문에 조형에는 시간이 걸린다. 부품에 오버행부나 떠 있는 부분이 있는 경우에는 서포트재를 설정하고, 조형 후 이를 제거할 필요가 있다. 또한 조형 후의 조형물에는 용융되지 않은 금속 분말이 부착되어 있기 때문에 이를 제거할 필요가 있으며, 이것은 단점이 된다.

 

2. 메탈 디포지션 방식

금속 분말의 분사나 금속 와이어의 공급과 레이저빔의 조사를 동시에 수행해 빌드 플레이트 위에 용융 금속을 적층·응고시키는 조형 방식으로, 앞에서 언급한 분말 소결 방식과 같은 금속 분말의 제거 작업이 필요 없어 조형 속도가 빠른 특징이 있다. X, Y, Z축의 길이를 변경하기만 하면 쉽게 조형물의 대형화가 가능하다. 또한 처음부터 조형하는 것 외에 기존 부품의 보수나 마모 부분을 덧붙여 복구하는 가공(클래딩)도 가능하다. 한편, 파우더 베드 방식에 비해 조형할 수 있는 형상에 제한이 있으며, 조형 정도가 떨어지는 단점이 있다.

 

3. 바인더 젯 방식

금속 분말을 깔아 놓은 곳에 바인더(액체 결합제)를 분사해 금속 분말을 굳히는 조형 방식으로, 조형 속도가 빠른 장점이 있지만 MIM(금속 분말 사출성형)처럼 탈지·소결의 후공정이 필요하게 되는 단점이 있으며, 탈지·소결 시의 수축 변형이나 도달 밀도가 낮은 등의 과제가 있다.

 

4. 열 용융 적층 방식

열가소성 수지와 금속 분말을 혼합한 소재를 압출해 쌓아 올리는 방식으로, 앞에서 언급한 바인더 젯 방식과 마찬가지로 조형 후의 탈지·소결 공정이 필요하다.

 

어느 방식이나 부품 형상의 디지털 데이터에서 적층마다 슬라이스 데이터를 생성하고, 그 데이터에 의해 부품을 적층 조형하는 점은 공통적이다. 이 글에서는 미세 복잡 형상의 조형에 적합한 ‘분말 소결 방식’을 선택해 금속 부품의 조형을 시도하기로 했다. 그림 1에 AM 프로세스와 기존법의 공정을 대비해 기록했다. 앞에서 언급한 ‘분말 소결 방식’에서는 부품 형상이나 조형 중인 부품의 각도에 따라 조형 중인 부품을 지지하기 위한 서포트가 필요할 수 있으며 폐기되는 서포트재는 낭비가 되지만, 이를 감안하더라도 기존법에서는 필수적이었던 금형에 관련된 부하(제작, 메인티넌스, 보관 등)가 필요 없다는 장점은 크다. AM 프로세스의 조형 후 공정(숏 블라스트나 배럴 연마)은 필수 공정이 아니며, 부품의 표면 성상의 요구에 따라 추가되는 것이다.

 

 

부품 선정

 

보급 부품의 한 예로, 자동차 주요 부품 중 하나인 엔진과 트랜스미션을 연결하는 토크 컨버터를 선택했다. 토크 컨버터에는 주로 토크 전달, 토크 증폭, 진동 흡수의 세 가지 기능이 있으며, 이들 기능도 자동차의 승차감에 직결된다. 부품의 개요를 그림2에 나타냈다.

 

 

그림과 같이 5개의 주요 부품으로 구성된 토크 컨버터의 내부는 오일로 채워진다. 이들 구성 부품 중에서 철제 터빈 러너(이하, 터빈)와 알루미늄제 스테이터를 선택하고, AM으로 제작을 시도하기로 했다. 현재의 터빈 양산 부품은 얇은 철판에서 블랭킹한 날개를 하나씩 터빈 케이스에 배열하고 납 재료와 함께 전기로에서 가열하여 납땜하는 여러 제조 공정을 거치지만, AM 부품에서는 날개부를 포함해 복잡한 형상을 한 번에 조형할 수 있는 장점이 있다.

 

또한 AM에서 이용할 수 있는 재료에는 제조법상의 제한이 있어 양산 부품과 동일한 재료를 이용할 수 없기 때문에 비교적 유사한 특성을 가지고 상위 호환이 가능한 재료를 선택했다. 구체적으로는 강판으로 제작된 터빈에는 SUS316L을, ADC12로 제작된 스테이터에는 AlSi10Mg를 각각 잠정적으로 이용했다.

 

조형 결과

 

AM으로 조형한 터빈의 외관을 그림 3에 나타냈다. 부품 전체의 치수 정도는 ±0.2mm, 날개 부의 정도는 더 높은 ±0.1mm 정도를 보였다. 치수 계측에는 시판의 3D 스캐너형 3차원 측정기를 이용했으며, 설계 데이터와 위치 맞춤해서 최적 피트를 구하고 어긋남량을 콘투어도로 표기했다.

 

 

그림 4에는 설계 데이터에 대한 AM제 터빈 부품과 양산 터빈 부품의 완성도 비교를 나타냈다. 그림과 같이 AM 부품은 특히 날개부의 치수 정도가 양산 부품에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다. AM 부품에서는 날개부를 일체형으로 조형하고 있는 반면, 양산 부품에서는 날개를 하나씩 납땜하는 공정상의 차이가 있어 치수 정도에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

 

 

그림 5에는 AM으로 조형한 스테이터의 외관을, 그림 6에는 설계 데이터에 대한 AM제 스테이터 부품과 양산 스테이터 부품의 완성도 비교를 나타냈다. 그림과 같이 AM 부품은 전체적인 치수 정도가 양산 부품에 비해 동등 이상이며, 높은 치수 정도로 AM 조형이 가능했다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

부품 성능

 

1. 토크 컨버터 단품 성능 시험

토크 컨버터 단품 성능 시험기를 이용해 양산 부품의 터빈 또는 스테이터만을 AM 부품과 교체해 성능 시험을 실시했다. 시험기의 외관 및 개요를 그림 7에 나타냈다. 시험 결과를 그림 8에 정리했다. 그림과 같이 AM 부품은 양산 부품과 동등한 성능을 보였다.

 

 

 

2. 토크 컨버터 회전 강도 확인 시험

다음으로 회전 강도 확인 시험기를 이용해 양산 부품의 터빈만을 AM 부품과 교체해 스핀 테스트를 실시했다. 시험기의 외관 및 개요를 그림 9에 나타냈다.

 

 

측정 조건은 이하와 같이 했다.

 

① 변형 확인: 규정 회전수에서 규정 시간 유지 후 치수 변화를 확인한다

② 파손 확인: 규정 회전수에서 규정 시간 유지 후 파손되지 않은 것을 확인한다

 

시험 결과를 그림10에 나타냈다. 그림과 같이 AM 부품은 양산 부품과 동등한 결과를 보였다.

 

 

맺음말

 

이 글의 범위 내에서 AM제 토크 컨버터 부품은 복잡한 조립 제조 프로세스를 거치지 않고 일체형으로 조형할 수 있어 치수 정도의 향상이 확인됐으며, 그 성능은 양산 부품과 비교해 뒤지지 않는다는 것을 확인했다. 부품으로서 필요한 모든 항목의 성능 평가가 이루어진 것은 아니며, 내구성에 대해서도 확인되지 않았지만 AM을 활용한 금형 없는 부품 제조의 가능성을 엿볼 수 있었다고 생각한다.

 

Honda가 제조 판매한 상품을 애용해 주시는 분들께, 앞으로도 안심하고 애용할 수 있도록 제품을 구성하는 모든 부품의 보급을 이룰 수 있는 방법을 모색해 나갈 계획이다.

 

미야케 카즈미, 주식회사 혼다기술연구소 재료연구센터

미타케 쥰, SOLZE 주식회사 개발총괄부 기술개발부 Global Engineering Center-Yamato/야마토 영업소/야마토 공장

히라카와 코우키, 주식회사 유타카기연 도치기 개발센터 PU 개발실