한국타이어(Hankook Tire&Technology)는 단순한 타이어 제조업체가 아닙니다. 서울에 본사를 둔 한국타이어는 "미래 주행 혁신 동력"이 되는 자동화와 기술에 초점을 맞추고 전기자동차를 그 중심으로 삼았습니다. 최근 한국타이어에서는 i-Flex 비공기압 타이어(NPT)를 위해 복잡한 형상의 여러 플라스틱 및 탄성중합체 디자인을 반복하여 빠르고 비용 효율적인 주행 혁신을 이끌어 낼 방법이 필요했으며, 이 제품은 결국 한국타이어의 수상 경력에 빛나는 HPS-셀 자율 주행 플랫폼의 핵심 부품이 되었습니다. 3D Systems의 플라스틱 및 탄성중합체 적층 제조 기술을 활용한 한국타이어의 디자인 스튜디오는 빠르게 디자인을 반복하고 생산 등급 부품을 디자인 및 테스트 팀에 공유하고 비용을 절감했습니다. 

"3D 프린팅을 활용한 가장 큰 목적은 타이어 생산을 위한 실제 몰드를 빌드하기 전 R&D와 더 나은 소통을 위해서였습니다. 기존 몰드는 기계 가공이 필요했으며 개발에 많은 비용과 시간이 필요했지만, 그럼에도 새로운 디자인과 형상, 수량을 파악하기 위한 전통적인 방법이기도 했습니다. 이제는 3D Systems의 적층 제조 기술을 활용하기 때문에 구조의 작은 부분을 활용해 R&D와 빠르게 협업해 형태나 구조를 정하고 안전, 소음, 기타 변수에 대한 프로토타입을 테스트할 수 있습니다. 

- 로사 연, 디자인 혁신 스튜디오 매니저, 한국타이어
 

복잡한 디테일을 드러내는 한국타이어의 전시

도전 과제

비용을 줄이며 다양한 소재를 활용한 복잡한 타이어 및 휠 디자인을 빠르게 개발하고 테스트

한국타이어는 미래에 요구되는 자율 주행 솔루션에서 최소한의 관리와 최대한의 안전 및 편안함이 결합된 차세대 타이어가 필요하다는 것을 알았습니다. 관리는 줄이며 안전성이 높아진 NPT는 이 분야에 꼭 필요했지만 이 모든 기준을 갖춘 NPT를 개발하는 것은 복잡하고 비용이 많이 드는 설계 문제를 드러냈습니다. 한국타이어의 디자이너들은 생물학적 조직을 흉내 낸 생체 모방형 디자인이 NPT의 내부 서포트를 제공할 것으로 생각했지만, 거의 무한대의 세포 구조 디자인 덕분에 한국타이어의 디자인 스튜디오에서는 빠르게 일부 부품을 평가하고 전체 모델로 확장할 방법이 필요했습니다. 

신규 타이어를 위한 기존 원형 제작 방식은 2D 스케치에서 시작해 이를 3D CAD 디자인으로 변환하고 전문 기술자를 통한 알루미늄 몰드로 제작되었습니다. 전체 과정은 비용도 많이 들고 너무 느렸을 뿐 아니라 반복에 걸리는 시간도 몇 주에서 몇 개월에 달했습니다. 

NPT의 생체 모방형 서포트인 "스포크" 매트릭스는 복잡한 천공과 서로 연결되는 구조 때문에 솜씨 좋은 기계 가공소에서조차 난색을 드러냈습니다. 빠른 원형 제작과 소량 생산을 위해 여러 적층 제조 시스템을 살펴본 한국타이어는 플라스틱 서포트 구조와 고무 스레드 개발에 3D Systems의 Figure 4 기술 플랫폼을 선택했습니다. 또한 한국타이어는 금속 타이어 구조 및 힌지 연결을 위한 선택적 레이저 소결(SLS)에 3D Systems의 파트너 CEP Tech의 도움을 받으며 i-Flex NPT 프로토타입 생산 속도를 더욱 높였습니다. 그 결과 한국타이어의 디자이너들은 말 그대로 모빌리티의 미래가 되었습니다. 

솔루션

1 – 비공압 타이어 i-Flex의 스포크 구조

한국타이어에서 3D 프린팅한 타이어 부품

3D Systems의 적층 제조 기술로 다양하게 반복 인쇄된 스포크 개념 (우측) 및 한국타이어 HPS Cell의의 최종 디자인(좌측)

한국타이어의 NPT 타이어는 내부 서포트에 복잡한 생체 모방형 플라스틱 매트릭스, 탄성중합체 외부 타이어 트레드, 타이어 림의 서포트 기능과 자율 주행 차량에 필요한 추가 기능을 일부 수행하는 금속 부품을 사용합니다. 플라스틱으로 이러한 천공 구조를 가공하는 것은 거의 불가능한 일입니다. 

"저희는 [3D Systems의] 적층 제조 기술 덕분에 원하거나 상상한 것은 뭐든 설계하고 만들 수 있습니다. 이 기술은 제조의 한계를 없앨 수 있어 정말 큰 힘이 됩니다. 이를 테면 기존의 제품 디자인이나 빌드 및 기계 가공은 제약이 많습니다. 기계 가공 툴도 한계가 존재합니다. 적층 제조는 이러한 한계가 없습니다."라고 한국타이어의 디자인 혁신 스튜디오 디자이너 장희성 씨는 말합니다.

Figure 4 플랫폼을 활용한 한국타이어의 디자이너들은 열가소성 플라스틱 같은 기계적 특성을 지닌 Figure 4 Pro_BLK 10 플라스틱으로 빠르게 다양한 서포트 매트릭스를 반복할 수 있습니다. 한국타이어 디자인 스튜디오 팀은 다양한 생체 모방형 매트릭스의 3D 디자인 일부 또는 동일한 세포 간격을 유지하는 확장형 프로토타입으로 빠르게 전환할 수 있습니다. — 이는 다운스트림 테스트에 매우 중요하며 — 그 과정에서 개발 비용도 크게 증가하지 않았습니다. 실물 크기의 세포 구조를 포함한 부분 부품을 통해 디자인 스튜디오의 디자이너들은 전체 타이어 어셈블리로 진행하기 전 물리적 테스트를 활용해 후보 디자인의 상대 강도를 빠르게 측정할 수 있었습니다. 
 

2 – 타이어 세그먼트의 소음 제어 테스트

NPT 타이어를 비롯해 모든 타이어는 안전하고 내구성이 뛰어나면서도 외관이나 음향 성능도 좋아야 합니다. 다시 말해 사람들은 못생긴 타이어는 사지 않고, 시끄러운 타이어도 사지 않을 것입니다. NPT 서포트 매트릭스를 개발한 한국타이어 디자인 스튜디오의 디자이너들은 Figure 4 RUBBER-65A BLK 탄성 중합체 소재로 부분 및 확장 트레드 디자인을 개발할 수 있었습니다. 

"이러한 소재와 부분 부품을 활용해 해당 부품의 소음 및 안전을 평가할 수 있습니다"라고 연 씨는 말했습니다. "테스트 시스템에서는 공기나 물이 채널 또는 그루브를 통해 흐르는데 저희는 구조가 올바른지 파악하기 위해 소음을 측정합니다." 또한 향후에는 반투명한 Figure 4 소재로 이러한 트레드를 개발해 엔지니어들이 트레드 그루브를 따라 유체가 어떻게 이동하는지 볼 수 있어 이 과정이 더욱 쉬워질 것이라고 덧붙였습니다. 이는 악천후의 타이어 안전에 매우 중요합니다.

또한 타이어 트레드를 인쇄함으로써 제조 엔지니어들이 새 NPT의 안정성과 잠재적 균열 및 낮아진 신뢰성을 평가하기 쉽습니다.  
 

한국타이어 제품 근접 사진

한국타이어의 NPT 디자인에는 내부 서포트를 위한 플라스틱 부품과 타이어 트레드의 고무 소재, 타이어 림 및 서포트를 위한 금속 부품이 포함됩니다. 이 모든 요소를 이곳에서 확인할 수 있습니다.

3 - 신규 콘셉트 타이어의 이동식 부품

복잡한 형상을 개발할 수 있는 적층 제조 기술의 능력은 한국타이어의 디자이너들이 내부 그루브와 타이어의 3가지 주요 요소인 트레드, NPT 서포트 매트릭스, 움직이는 열가소성 림 부품을 연결하는 구조를 개발하는 데 역할을 하기도 했습니다. 열가소성 부품은 3D Systems의 SLS  기술을 활용하는 CEP Tech가 제조했습니다. 이는 한국타이어에게도 새로운 작업이었는데, 기존 타이어에는 이동식 부품이 없었기 때문입니다. 

"많은 경쟁업체 중에서 3D Systems를 선택한 가장 큰 이유 중 하나는 소재 선택 범위가 넓다는 점이었습니다"라고 한국타이어의 디자인 혁신 스튜디오 매니저인 로사 연 씨가 말했습니다. "저희가 원하는 모든 소재 요구 사항을 제공했습니다. Figure 4의 속도가 빠른 것은 물론이고요. 시간을 절약할 수 있고, 믿을 수 있으며, 서비스나 문제 해결도 뛰어나고 시스템을 제공하면서 가격도 합리적이라는 점이 결정적인 요인이었습니다. 저희는 3D Systems의 Figure 4의 가치를 믿고 있습니다. 세계에서 가장 뛰어난 적층 제조 솔루션 중 하나라고 생각합니다."
 

4 - 타이어 프로 표준 비주얼 프로토타입

한국타이어 디자인 스튜디오는 이미 기존 타이어 트레드와 테스트용 프로파일 개발까지 Figure 4 플랫폼의 활용도를 넓혔습니다. 이를 통해 모든 신규 제품 디자인의 반복 속도를 혁명적일뿐 아니라 혁신적으로 높였습니다.

트레드 텍스처를 나타내는 한국타이어 제품 근접 사진

한국타이어의 디자인 센터가 NPT 타이어 디자인을 빠르게 개발하고 테스트할 수 있었을 뿐 아니라 신규 트레드 디자인의 도로 소음 및 다른 핵심 요소를 빠르게 평가하는 데 활용하면서 출시 기간을 앞당기고 한국타이어의 모든 신규 타이어 디자인 개발 비용을 낮췄습니다.

Figure 4 프린터가 늘어선 한국타이어 디자인 센터

한국타이어 디자인 센터의 적층 제조 랩은 Figure 4 독립형 프린터들을 갖추고 있어 몇 분에서 몇 시간 사이에 부품을 생산해 혁신 속도를 높일 수 있습니다.

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결과:

실제 환경 소음 및 서포트 테스트 진행이 가능한 완전히 새롭고 혁신적인 다부품 비공기압 타이어(NPT) 디자인을 빠르게 반복할 수 있습니다.

  • 빠른 반복

    몇 주에서 몇 개월이 걸리던 반복을 며칠 내 수행

  • 디자이너들이 기존 기계 가공의 제약으로부터 해방

    기존 기계 가공 시스템에서 사실상 불가능했던 서포트 매트릭스

  • 빠른 구조 확인

    기존 제조 방식으로 생산할 수 없었던 복잡한 비공기압 스포크 구조를 효과적으로 확인합니다. 

  • 더 다양한 소재 선택

    단단한 플라스틱 서포트, 부드러운 고무 트레드, 움직이는 열가소성 플라스틱  부품 개발에 적층 제조를 활용함으로써 디자이너들은 3D Systems의 솔루션이 폭넓은 응용 분야 문제를 해결하는 데 꼭 맞는 해결책임을 확신하였습니다.  

  • 비교할 수 없는 지원

    교육부터 실시간 디자인 안내까지 3D Systems와 파트너들은 수상 경력에 빛나는 HPS-Cell 자율 주행 모빌리티 플랫폼 개발을 dㅟ한 한국타이어 디자인 스튜디오의 가혹한 스케줄 일정을 지원하였습니다.