포뮬러 원 경주는 끈질긴 혁신에 힘입은 인내의 엔지니어링 스포츠입니다. 팀은 끊임없이 변화하는 최고 성능에 도달 및 능가하기 위해 지칠 줄 모르고 일하며 그 정신 또한 알핀 F1 팀 (구 르노 F1 팀)과 다를 바 없습니다. 이곳의 연구 및 개발 장비는 결코 멈추지 않으며 기술 파트너의 공헌은 조직이 목표를 달성할 수 있도록 돕는데 중요한 역할을 합니다.
알핀 F1 팀의 기술 이사 Nick Chester는 “경주 때마다 복잡한 복합물로 만든 새로운 구성 요소와 항공우주 합금이 R&D 및 시뮬레이션 실험실의 혹독한 선정 과정에서 살아 남아 빛을 보게 됩니다”라고 설명합니다. 경주 시즌이 끝날 무렵 우리는 경주 차량이 시작 때보다 랩당 1초 이상 빨라지길 기대하며, 우리의 기술 파트너 역시 동일한 가차없는 선정 과정에서 살아남아야 합니다. 우리는 성능 추구 가치를 제공하지 않는 관계에는 관심을 두지 않습니다”라고 설명합니다.
지속적인 혁신과 활발한 협업에 대한 이러한 요구 때문에 알핀 F1 팀이 3D Systems와 그 3D 프린팅 기술 및 전문성을 선택하게 된 것입니다.
R&D 파트너십
영국 엔스톤에 있는 알핀 F1 팀은 1998년부터 3D Systems의 기술을 그 핵심 작업에 사용하고 있습니다. 원형 제작용 3D 프린팅을 일찍 채택한 이 레이싱 팀은 3D 프린팅 기술 궤적을 따라 3D 프린팅을 사용해왔습니다. 초기에는 기능 및 설계 정합도 확인과 정확한 조립을 위한 지그와 고정장치용도에 사용했습니다. 3D Systems의 응용 엔지니어들은 알핀 F1 팀이 활용할 수 있는 기회, 재료 및 방법을 이해하고 포착할 수 있도록 도왔습니다. 이 팀이 풍동 설비에 필요한 것을 얼마나 충족할 수 있는지에 따라 3D Systems와의 파트너십은 물론 매몰 주조용 3D 프린팅과 DMP(direct metal printing) 연구를 통한 신이 결정되는 상황이었습니다.
Chester는 “그 과정에서 포물러 원 팀이 3D Systems로부터 받은 지원은 계속 진화했습니다. 되돌아보면 재료 특성이 개선될 때마다 팀은 해결이 필요한 엔지니어링 문제에까지 재료를 사용해보고 싶어 했습니다. 적층 제조로 생산되는 차량 구성품 수가 매해 증가하며 설계 활용성과 생산 시간 및 비용 절감의 측면에서 팀은 상당한 이점을 얻었습니다”라고 말합니다.
현재 알핀 F1 팀에서 사용하는 3D Systems 프린터에는 광조형(SLA) 프린터 여섯 대와 선택적 레이저 소결(SLS) 프린터 세 대가 있습니다. 사용되는 소재에는 지그와 고정장치, 유체 흐름 지그, 매몰 주조 패턴 및 풍동 부품을 제작하는 Accura® 범위와 전기함과 냉각 덕트 같이 차량에서 사용되는 부품용 DuraForm® PA 및 DuraForm GF이 있습니다. 맞는 재료를 찾아 설계 전체 과정의 작업 효율을 높이기까지, 알핀 F1 팀과 3D Systems는 파트너십을 통해 트랙 안팎에서 성능을 개선하고 있습니다.
매일 진화하는 경주 차
알핀 F1 팀은 규정 변화와 차량 성능 개선에 목표를 둔 R&D 주기에 따라 매해 신차를 설계하고 제작합니다. 포뮬러 원 규정 변화에 따라 수반될 수 있는 문제의 예를 들자면, 2017년 시즌 업데이트로 더 크고 무거운 타이어, 더 넓은 프론트 윙, 더 낮고 넓은 리어 윙, 더 높은 디퓨저가 포함되면서 2017년 부품을 2016년에 사용하지 못하게 되었습니다. 경주 시즌이 시작되면 그 부담이 계속 가중됩니다. 다음 경주까지 단 일주일 만에 엔지니어링 변경을 완료해야 하는 경우도 있습니다. 특정 용도의 서킷에서 울퉁불퉁하고 구불구불한 도로 트랙까지 각 경주마다 엔지니어들은 구조, 온도, 아스팔트 유형과 관련된 문제를 해결해야 합니다.
이 팀은 각 서킷별 문제에 끊임없이 대비하며 경주 사이에도 거의 쉬지 않고 연구 결과물을 차량과 장비에 배치합니다. 3D 프린팅의 속도와 정확성이 이 개발 경주에 가치를 더해줄 수 있다는 사실은 말할 것도 없습니다. 알핀 F1 팀의 고급 디지털 제조 책임자인 Patrick Warner는 "경주 시즌 중에도 차량은 매일 진화합니다. 트랙마다 새 부품이 필요하기 때문에 적층 제조가 주는 이점은 더욱 중요해지고 있습니다"라고 말합니다.
신속한 설계 검증
고속 원형 제작용 3D 프린팅은 처음부터 경주차의 내부 부품을 조밀하게 채워 넣고 공기역학 서피싱 패널링의 제한을 받는 스포츠에서 유용하다는 것이 입증되었습니다. 알핀 F1 팀의 공기역학 전문가들은 정합도와 기능 테스트에서 3D 프린팅 기술의 가능성을 바로 알았습니다. 3D Systems 프린터로 복잡한 구성품을 생산할 수 있는 것을 확인했기 때문이었습니다. 그 결과 3D 기술 사용이 증가하면서 고속 원형 제작에서 풍동 모델 제조까지 점차 확대되었습니다.
Warner는 “풍동 시험에서 공기역학은 경험 과학입니다. 우리는 새로운 아이디어를 설계하고 비교하며, 따라야 할 지침을 선택합니다. 더 많은 아이디어를 비교하고 평가할수록 경주에서 성공할 가능성이 커집니다”라고 말합니다. 부품 품질, 프린터 가동 시간 및 처리량의 측면에서 3D Systems의 SLA는 경주 팀의 생산성을 높여줍니다.
풍동 확장에 따른 공기역학 개선
알핀 F1 팀의 공기역학 부서는 최근에 크게 성장하며 현재는 공기역학 전문가, 풍동 기술자, 모형 제작자를 포함해 직원 수가 120 명입니다. Warner는 이러한 성장이 3D Systems 적층 제조 기술 사용이 늘면서 가속화되었다고 말합니다. Warner는 3D Systems 기술을 사용한 주된 이유로 복잡한 내부 채널을 풍동 시험 모형 설계에 통합할 수 있다는 점과 더 많은 압력 값을 판독할 수 있다는 점을 듭니다.
Warner는 "풍동 내 차량 모형에는 복잡한 압력 센서망이 있습니다. SLA 기술을 사용하기 전에는 드릴로 금속과 탄소 섬유 구성품에 압력 탭을 만들어 배치했습니다. 이제는 내부 채널이 복잡하게 얽혀 있는 복잡한 고형물을 생산할 수 있는 능력으로 이러한 센서를 배치하고 그 수를 늘릴 수 있게 되었습니다. 공기역학 전문가들의 꿈이 실현된 것입니다”라고 말합니다.
Warner는 풍동 시험에서만 매주 600개의 적층 제조 부품을 생산해야 하는데 이 모두를 고급 디지털 제조(ADM) 부서의 엔지니어 다섯 명이 해낸다고 말합니다.
Warner는 "기존 방식으로는 어림 없는 일입니다. 소도시 규모의 기계 공장이 있어야 가능한 일입니다. 3D Systems 덕분에 한 번에 해결할 수 있습니다. 필요한 장비와 재료, 바로 서비스를 제공해주는 애플리케이션 엔지니어들의 전문성을 모두 갖추게 되었습니다"라고 말합니다.
차량 부품의 제조 속도와 정밀도
생산성과 효율성 측면에서 3D 프린팅 덕분에 알핀 F1 팀은 계속 새롭게 바뀌는 경주 환경에서 접하게 되는 어려움에 대응할 수 있는 능력을 획기적으로 강화할 수 있었습니다. SLA 와 SLS, 복잡한 지그와 고정장치, 유체 흐름 리그, 차량 구성품을 생산하는 시간을 몇 주에서 몇 시간으로 단축할 수 있어 3D 기술은 포뮬러 원의 물류 문제를 해결하는 데 적합합니다.
풍동에서 매월 실시되는 대량의 구성품 시험 외에도 알핀 F1 팀은 많은 경주 차 부품을 직접 제작합니다. 알핀 F1 팀의 최고 운영 책임자인 Rob White는 "3D Systems의 기술로 새로운 제조 공정이 효과적으로 가동됨에 따라 사이클 시간과 비용이 절감되면서 팀에게 큰 이점이 되었습니다. 풍동에서 동일 부품을 여러 번 반복 시험할 수 있으며, 매해 실제 차량의 소결 부품 수가 증가하고 있습니다”라고 말합니다.
3D 프린팅으로 포뮬러 원 팀은 부품 무게를 줄이면서 속도를 높이고 연비를 개선하는 것은 물론 정확하고 효과적인 유동 시험으로 엔진 성능은 개선하고 마모는 줄일 수 있게 되었습니다. 설계가 완료되면 선택한 재료와 함께 포뮬러 원 팀의 ADM 부서로 보내 생산하게 됩니다. SLA와 SLS를 사용하여 복잡한 자동차 구성품을 더 빨리 생산할 수 있으며, 시스템을 통해 설계도가 전달되기 전에도 부품 검사 준비가 완료되는 경우도 있습니다.
SLA를 사용하여 3D로 프린팅한 매몰 주조 패턴도 엔스톤에서 변속기와 서스펜션 구성품 같은 용도에서 점차 많이 사용됨에 따라 포뮬러 원 팀의 엔지니어들은 복잡도의 제한이 없어지면서 보다 창의적으로 부품을 설계할 수 있습니다. SLA 공정이 매우 정확해 프론트엔드 패턴 생산은 물론 최종 주조물의 백엔드 검증 가공에 걸리는 시간이 절감됩니다.
새로운 개발 방식
3D Systems 기술, 전문성 및 서비스의 이점은 혁신, 생산성, 정확성과 정밀성 개선 등 알핀 F1 팀의 핵심 우선순위와 밀접하게 관련됩니다. 알핀 F1 팀의 최고 기술 책임자인 Bob Bell에게 3D Systems는 단순한 기술 공급업체가 아닙니다. 두 회사의 관계는 성과와 미래의 방대한 잠재력을 구현하는 진정한 파트너십으로 맺어져 있습니다.
Bell은 "3D Systems와의 파트너십으로 우리는 지난 20여 년보다 생산성과 효율성이 향상되었습니다. 이를 통해 새로운 개발 및 사용 방식이 앞으로 더 확대될 것으로 기대합니다"라고 말합니다.