영국 그레이터 맨체스터 대학교(University of Greater Manchester)는 Meltio M600을 활용해 기존 4개의 개별 부품으로 구성된 차량 섀시(Chassis) 구조물을 새로운 방식으로 제작했습니다.
섀시의 메인 바디와 두 개의 보강판(Gusset)을 제작하는 데 소요된 시간은 10시간 미만이었으며, 전체 공정에서 유일한 수작업은 첫 번째 빌드 플레이트에서 메인 바디를 분리하는 작업이었습니다.
이번 사례는 대학의 모터스포츠 엔지니어링 분야에서 금속 적층제조 기술이 실제 부품 제작과 상용화 가능성 검토에 어떻게 활용될 수 있는지 보여줍니다.
해당 부품은 대학의 첨단제조센터(CfAM, Centre for Advanced Manufacturing)가 국립 모터스포츠 엔지니어링 센터(National Centre for Motorsport Engineering)와 공동 개발 중인 **전기 구동 트라이얼 차량(Electric Trials Car)**에 적용되는 섀시 구조물입니다.
연구팀은 이 차량을 사용자가 직접 조립할 수 있는 키트(Kit) 형태로 판매할 수 있는지 검토하고 있습니다. 이러한 사업 모델에서는 섀시 제작에 필요한 용접 작업과 지그의 수가 중요한 고려 요소가 됩니다.
이번 프로젝트는 기존에 운영하던 두 가지 금속 제조 공정 중 하나가 장비 제조사의 폐업으로 중단되면서 시작되었습니다.
1. 기존 금속 적층제조 시스템의 운영 한계
CfAM은 국립 모터스포츠 엔지니어링 센터를 기반으로 발전한 연구기관입니다.
그레이터 맨체스터 대학교는 약 7~8년 전부터 모터스포츠 교육을 지원하기 위해 3D 프린팅 기술에 투자하기 시작했으며, 관련 교육과정이 확대되면서 적층제조, 소재 시험 및 설계 분야에 대한 수요도 증가했습니다.
현재 CfAM은 다음과 같은 다양한 제조 및 연구 분야를 지원하고 있습니다.
– 적층제조(Additive Manufacturing)
– 역설계(Reverse Engineering)
– 제품 설계 및 제조
– 소재 시험(Materials Testing)
– 정밀 계측(Metrology)
CfAM은 대학의 공학 및 건축환경 학부(School of Engineering and Built Environment)에 소속되어 있지만, 기초과정부터 박사과정까지 대학 전반의 학생과 연구진에게 기술을 지원하고 있습니다.
또한 모터스포츠, 자동차, 석유·가스, 발전 및 의료 분야의 기업을 대상으로 상용 프로젝트와 연구개발 과제도 수행하고 있습니다.
기존 장비의 운영 중단 문제
CfAM은 다양한 폴리머 적층제조 기술과 함께 금속 제조용 선택적 레이저 용융(SLM, Selective Laser Melting) 장비를 운영하고 있습니다.
과거에는 두 번째 금속 제조 시스템도 함께 사용했으나, 해당 장비는 제조 속도가 느리고 장비 제조사에서만 공급하는 고가의 전용 소재와 소모품에 의존한다는 한계가 있었습니다.
이후 장비 제조사가 폐업하면서 소재와 소모품 공급 및 기술 지원이 중단되었고, 해당 시스템은 더 이상 운영하기 어려운 상황이 되었습니다.
교육, 연구 및 기업 프로젝트를 동일한 장비로 지원해야 하는 CfAM 입장에서는 이러한 공급망 의존성이 큰 운영 위험으로 작용했습니다.
특정 제조사의 전용 소재와 소모품에 의존하는 금속 적층제조 시스템은 장비 제조사의 사업 지속 여부에 따라 운영 안정성이 영향을 받을 수 있다는 점이 확인되었습니다.
2. SLM을 보완할 새로운 금속 제조 공정 도입
CfAM은 기존 SLM 기술의 장점을 유지하면서 이를 보완할 수 있는 새로운 금속 제조 공정을 검토했습니다.
SLM은 정밀하고 복잡한 형상의 소형 부품 제작에 적합하기 때문에 해당 용도로 계속 활용하기로 했습니다.
반면 새로운 장비는 SLM이 상대적으로 대응하기 어려운 제조 요구사항을 충족해야 했습니다.
CfAM이 설정한 주요 도입 조건은 다음과 같습니다.
① 높은 증착 속도를 통한 제조 시간 단축
기존 공정보다 높은 재료 증착 속도를 확보해 부품을 신속하게 제작할 수 있어야 했습니다.
② 소재 공급의 유연성 확보
특정 장비 제조사에 종속되지 않고 시장에서 쉽게 구할 수 있는 소재를 사용해야 했습니다.
③ 다양한 제조 및 보수 작업 지원
신규 부품 제작뿐만 아니라 기존 부품에 소재를 증착하는 클래딩(Cladding), 형상 변경 및 수리 작업에도 활용할 수 있어야 했습니다.
전기 트라이얼 차량 섀시 제작 과제
새로운 제조 공정의 적용 가능성을 검증하기 위한 대상은 대학의 모터스포츠 개발 프로젝트에 이미 준비되어 있었습니다.
전기 트라이얼 차량의 섀시 일부는 기존에 4개의 부품을 조립하는 방식으로 제작되었습니다.
일반적인 제조 방식에서는 CNC 플라즈마 절단으로 제작한 부품을 여러 곳에서 용접하고, 용접 중 정렬 상태를 유지하기 위해 별도의 지그와 고정 장치를 사용해야 합니다.
이러한 방식은 전문 제조 현장에서는 일반적이지만, 사용자가 직접 차량을 조립하는 키트 형태로 판매할 경우 문제가 될 수 있습니다.
구매자는 자신의 작업 공간과 보유 공구를 이용해 직접 용접 및 조립해야 하며, 작업자의 숙련도에 따라 오차가 발생할 가능성이 있기 때문입니다.
이에 연구팀은 기존 섀시 구조물을 디지털 모델로 재구성하고, 금속 적층제조를 통해 부품 수와 수작업 공정을 줄일 수 있는지 검토했습니다.
3. Meltio M600을 활용한 섀시 제작 및 공정 검증
CfAM은 새로운 금속 제조 시스템으로 Meltio M600을 선정했습니다.
Meltio M600은 지향성 에너지 증착(DED, Directed Energy Deposition) 계열의 와이어 레이저 금속 증착(W-LMD, Wire-Laser Metal Deposition) 기술을 적용한 장비입니다.
레이저로 형성된 용융풀(Melt Pool)에 금속 와이어를 공급하여 부품을 한 층씩 제작하는 방식입니다.
SLM과 비교했을 때 CfAM이 주목한 장점은 높은 증착 속도, 소재 공급의 유연성, 기존 부품에 대한 추가 증착 및 수리 가능성이었습니다.
특히 장비 제조사에 종속되지 않고 일반적인 금속 용접 와이어를 사용할 수 있다는 점이 중요한 선정 요인이었습니다.
CfAM은 현재 **17-4 스테인리스강과 연강(Mild Steel)**을 사용하고 있으며, 향후 프로젝트 요구사항에 따라 적용 소재를 확대할 계획입니다.
차량 섀시 제작을 위한 5단계 공정
연구팀은 기존 전기 트라이얼 차량의 섀시 구조물을 금속 적층제조 방식으로 제작하기 위해 다음과 같은 공정을 수행했습니다.
- 1단계. 3D 스캐닝(3D Scanning)
Creaform HandySCAN 3D 스캐너를 활용해 기존 시제품 섀시 구조물의 형상을 측정했습니다.
- 2단계. 역설계(Reverse Engineering)
스캔 데이터를 파라메트릭 CAD 모델로 변환했습니다.
이를 통해 기존 형상을 단순히 복제하는 것이 아니라 설계 변경과 수정이 가능한 디지털 모델을 확보했습니다.
- 3단계. 출력 형상 분할
CAD 모델을 메인 바디(Main Body)와 두 개의 보강판(Gusset)으로 나누어 총 3개의 출력 형상으로 구성했습니다.
- 4단계. 메인 바디 출력
Meltio M600을 활용해 섀시의 메인 바디를 제작했습니다.
- 5단계. 보강판 추가 제작
연구팀은 보강판을 정확한 방향으로 배치하기 위해 **90도 위치 결정 지그(90-degree Indexing Jig)**를 Meltio M600으로 직접 제작했습니다.
이 지그는 플레이트 위에 바로 출력되었으며, 이를 활용해 두 개의 보강판을 정확한 방향으로 추가 제작했습니다.
10시간 미만의 제작 시간 달성
메인 바디와 두 개의 보강판을 제작하는 데 소요된 총시간은 10시간 미만이었습니다.
전체 제조 과정에서 유일한 수작업은 첫 번째 빌드 플레이트에서 메인 바디를 분리하는 작업이었습니다.
특히 이번 사례에서는 부품 제작에 필요한 지그까지 동일한 Meltio M600으로 제작했다는 점이 특징입니다.
일반적인 제조 공정에서는 별도의 지그를 설계하고 가공한 후 공급받아야 하지만, Meltio M600을 활용하면 부품 제작에 필요한 고정 지그를 장비에서 직접 제조할 수 있습니다.
이를 통해 별도의 지그 제작 및 공급을 기다릴 필요 없이 제조 공정을 진행할 수 있었습니다.
4. 섀시 제조 방식 전환에 따른 기대 효과
이번 프로젝트에서는 섀시 구조물의 형상 구현 가능성과 제작 시간을 검증했으며, 두 항목 모두 목표를 충족했습니다.
상용화에 따른 경제적 효과는 현재 평가 중이지만, 연구팀은 금속 적층제조 기술이 섀시의 제조, 판매 및 유지보수 방식에 가져올 수 있는 변화를 확인했습니다.
5. 교육 및 산업 분야로의 활용 확대
CfAM은 섀시 구조물의 제작 가능성과 제조 시간을 검증한 이후, 실제 생산 적용을 위한 경제성 분석을 진행하고 있습니다.
현재 연구팀은 적층제조 방식으로 제작한 섀시 구조물의 제조 원가를 산출하고, 기존 제조 방식과 비교해 손익분기점(Break-even Point)을 검토하고 있습니다.
이와 함께 새로운 소재를 시험하고 출력 파라미터 및 제조 전략을 최적화하면서 DED 기술에 대한 전문성을 확대하고 있습니다.
- 적용 소재 및 산업 분야 확대
CfAM은 향후 프로젝트에 대응하기 위해 티타늄(Titanium)과 인코넬(Inconel) 합금의 적용을 검토하고 있습니다.
이러한 소재는 석유·가스, 국방 및 식품 산업 관련 프로젝트를 지원하기 위한 후보 소재입니다.
또한 기존 모터스포츠 분야를 넘어 항공우주, 중공업 및 국방 분야에서도 기술 적용에 대한 문의가 이어지고 있습니다.
- 적층제조 전문 교육에 활용
Meltio M600은 CfAM의 교육 프로그램에서도 활용되고 있습니다.
학생들은 실제 프로젝트를 통해 장비를 사용하고 있으며, CfAM의 적층제조 관련 CPD(Continuing Professional Development, 지속적 전문성 개발) 교육과정에도 DED 기술이 포함되었습니다.
해당 교육에서는 DED 공정의 원리와 작업 흐름, 시스템 통합 방법 등을 다루며, Meltio M600을 비롯한 다양한 적층제조 장비를 활용해 실습을 진행합니다.
이를 통해 교육생들은 부품의 특성과 제조 요구사항에 따라 SLM과 DED 중 어떤 기술이 적합한지 판단하는 역량을 습득할 수 있습니다.
이는 실제 산업 현장에서 엔지니어에게 요구되는 중요한 기술적 판단 능력이기도 합니다.
- 실제 생산 적용을 위한 경제성 검토
이번 차량 섀시 제작 사례는 Meltio M600을 활용한 금속 적층제조 기술이 실제 구조 부품을 제작할 수 있음을 보여주었습니다.
특히 기존 4개 부품으로 구성된 조립 구조를 재설계하고, 메인 바디와 보강판을 10시간 미만에 제작함으로써 제조 공정의 단순화 가능성을 확인했습니다.
현재 진행 중인 제조 원가 및 손익분기점 분석은 이러한 방식이 기존 제조 공정을 대체해 실제 생산에 적용될 수 있는지 판단하는 기준이 될 것입니다.
