더욱 월등하게, 무게는 가볍게…3D프린팅이 車의 미래다 [현대모비스 공학교실]

부품 여러개로 구성된 복합모듈
한결 빠르고 편리하게 생산가능
소재 다양해지며 중량도 낮아져

【게티이미지뱅크】

3D 프린팅 기술이 등장한 시점은 지금으로부터 약 40년 전이다. 본래 이 기술은 건축가, 엔지니어가 제품의 실물 모형을 미리 확인하고 수정하기 위해 고안됐다. 1980년대에 나온 이 기술이 다시금 주목받고 있다. 두 가지 장점과 그 기술의 발전 때문이다. 3D 프린팅의 장점은 신속한 생산이 가능하며 기존 공법으로는 제작할 수 없는 복잡한 형상의 제품을 제작할 수 있다는 것이다. 또 기술 발전으로 사용 가능한 소재가 많아지고 제작 가능한 사이즈의 제약도 줄었다. 과거에는 플라스틱으로만 제작할 수 있었지만 이제는 금속 프린팅 기술이 보편화됐다. 1㎜ 크기의 초정밀 부품부터 1ｍ 크기의 항공 우주 로켓 제작에까지 3D 프린팅이 이용되고 있다.

자동차 분야에서는 1990년대부터 3D 프린팅을 RP(Rapid Prototype·쾌속조형)라고 불리는 디자인 검증 용도로 주로 활용했다. 최근 몇 년간 3D 프린팅 생산 기술 투자, 완제품 생산을 위한 연구개발의 증가와 함께 많은 자동차 회사들은 3D 프린팅으로 완제품(부품)을 개발하는 데 주력하고 있다. BMW, 폭스바겐, 포드, GM, 현대자동차 등이 3D 프린팅 특화 조직을 운영하며 3D 프린팅을 적용하기 위한 연구개발을 하고 관련 내용들을 시장에 선보였다. 이는 3D 프린팅의 장점을 극대화할 수 있는 DfAM(Design for Additive Manufacturing·적층 제조를 위한 특화 설계)의 등장에 따른 결과다.

DfAM은 공학 시뮬레이션을 기반으로 하는 3D 프린팅 특화 설계 방법이다. 이를 활용하면 기존 설계 또는 제조의 한계점을 극복할 수 있게 된다. 여러 개의 부품으로 구성된 모듈을 한 개의 부품으로 제작할 수 있고, 위상 최적화를 활용해 기존과 동일한 성능을 내면서 가벼운 제품을 만들 수도 있다. 특정한 성능과 중량을 목표로 하는 부품을 3D 프린팅을 이용해 제작하려고 할 때 시뮬레이션 소프트웨어(SW)에 목표값과 해당하는 3D 프린팅 기법의 제한 요소 등을 넣어주면 목표를 달성하면서 출력이 가능한 형태의 3D 모델링을 제시해준다.

과학기술정보통신부가 주최한 '2022년 3D 프린팅 활용 우수사례 경진대회'에서 1위를 차지하며 장관상을 수상한 현대모비스의 '3D 프린팅을 이용한 DfAM 적용 e-코너모듈 부품 개발' 사례를 살펴보자. 현대모비스는 해당 사례에서 제동, 조향, 섀시 등의 다양한 성능 조건과 여러 주행 환경을 동시에 고려한 설계를 진행했다. 위상 최적화를 포함한 DfAM을 이용해 여러 성능과 제약 조건을 동시에 만족하면서도 획기적으로 설계 기간을 단축시키고 부품 중량을 20% 이상 낮춘 제품을 선보였다.

모빌리티 시장은 내연기관 자동차에서 전기자동차 시장으로 그리고 PBV(Purpose Built Vehicle·목적 기반 모빌리티)와 AAM(Advanced Air Mobility·미래 항공 모빌리티)으로 확장되고 있다. 새로운 패러다임의 모빌리티 시장 패권을 주도하기 위해서 혁신적인 변화가 필요한 때다. 과거에는 보지 못했던 DfAM과 3D 프린팅을 통한 고성능, 경량화 부품 개발이 그 변화를 이끌어 가는 원동력이 될 것으로 기대한다.

이경민 현대모비스 디지털구조해석셀 책임연구원