Rodin Cars, 3D 프린팅을 사용해 최고 성능의 하이퍼카에 적합한 티타늄 기어박스 제작

뉴질랜드에 위치한 자동차 제조사인 Rodin Cars는 3D Systems의 대규모 DMP Factory 500 금속 3D 프린터를 사용해 새로운 맞춤형 레이싱 자동차인 Rodin FZERO의 티타늄 구성품을 제작하고 있습니다. 성능과 품질을 중심으로 엔지니어링 결정을 내린 끝에 주로 탄소 섬유와 티타늄을 사용해 제작됩니다. Rodin Cars는 업계 최초인 8단 시퀀셜 기어박스를 포함해 크기에 상관없이 모든 부품의 설계와 성능을 한층 개선하여 복잡한 티타늄 구성품까지 생산할 수 있는 방법으로 3D Systems의 금속 적층 제조(AM)를 선택했습니다. 

"우리는 모든 자동차 구성품을 어디에서도 손색이 없는 최상의 제품으로 제작하는 것이 목표였습니다. 그래서 Rodin FZERO는 오직 적층 제조로만 제조가 가능합니다.” 

- Adam Waterhouse, Rodin Cars의 책임 엔지니어 

1인승 Rodin FZERO("무한계"를 의미함)는 650kg에 불과한 최종 중량을 목표로 4,000kg의 다운포스를 형성하여 오늘날 그랑프리 포뮬러 1 경주용 자동차보다 더욱 빠르게 서킷 랩타임을 기록할 수 있도록 설계되었습니다. Rodin Cars는 업계의 판도를 바꿀 수 있는 엔지니어링을 모든 구성품에 적용하여 각 부품마다 최고의 구성품을 제작할 수 있는 최적화에 전념했습니다.  

자동차 전체에 티타늄 적층 제조 기술을 사용하려고 했지만 특히 대형 부품에서 크기가 증가하면서 문제가 발생했습니다. 예를 들어 기어박스 같은 구성품을 사양에 맞게 제작하려면 커다란 제작 용적이 필요했지만 대부분 금속 프린터의 기술로는 부족했습니다. 그렇다고 마그네슘을 사용해 기어박스를 주조하는 기존 제조 방식으로 돌아갈 수도 없었습니다. 이러한 제조 방식과 소재는 Rodin Cars의 목적에 부합하지 않기 때문입니다. Rodin Car는 궁극적인 하이퍼카를 제조할 목적으로 적층 제조 기술을 사용해 중량과 기능을 최적화하는 데 가장 높은 우선순위를 두었으며, 이러한 가치를 고려하여 시간이 지나도 최고의 성능과 형태를 유지하는 프리미엄 내부식성 소재로 티타늄을 사용했습니다. 

기어박스 최적화의 첫 단계는 유명한 기어박스 제조사인 Ricardo와 함께 맞춤형 설계를 제작하는 일이었습니다. Rodin Cars는 처음 적층 제조 도입 후 3D Systems와 폭넓게 협력하면서 습득한 지식을 Ricardo와 공유했을 뿐만 아니라 적층 제조 기술을 이용해 설계하고 제조했을 때 얻을 수 있는 고유 이점을 알렸습니다. 매우 구체적인 기어비와 케이스 치수가 필요했고, 이러한 설계를 제작하려면 반드시 적층 제조를 사용해야 한다는 사실을 알고 있었기 때문입니다. 과잉 질량을 제거하는 일도 매우 중요해서 일부 영역에서 측면 벽 두께를 2mm까지 줄였습니다. 두 회사는 Rodin Cars가 원하는 기하형상 최적화를 중심으로 부품을 설계하는 데 협력했고, 내부 유로와 유체 채널을 내장하여 최종 기어박스의 크기를 400 x 650 x 300mm로 줄이는 데 성공했습니다.  

Rodin Cars는 필요한 치수와 정밀 피처에 따라 티타늄 AM 부품을 제작하기 위해 독자적인 대형 포맷 기술과 검증된 품질 및 반복성으로 잘 알려진 3D Systems의 DMP(Direct Metal Printing)를 선택했습니다. 

고성능 차량에서 중량 대비 출력 비율의 최적화는 매우 중요합니다. 따라서 최고 성능이라는 Rodin Car의 사명을 실현하는 동시에 전체적으로 중량을 최대한 줄이려면 복잡한 금속 구성품도 티타늄 소재로 프린트할 수 있어야 합니다. 또한 티타늄은 부식을 방지하는 무결점 소재이기 때문에 시간이 지나면서 변형이나 성능 저하가 일어나지 않아 Rodin Car의 설립자인 David Dicker에게도 의미가 컸습니다. 

Rodin Cars에서 엔지니어 팀장을 맡고 있는 Adam Waterhouse에 따르면 볼트를 제외한 모든 금속 구성품을 3D 프린팅할 수 있다는 점이 효과적입니다. Waterhouse는 "기어박스에 연결되는 브래킷을 모두 프린팅했습니다. 프린트할 수 있는 부품의 범위가 엄청나게 넓습니다. 시스템 대부분이 3D 프린팅으로 제작되었으니까요."라고 밝혔습니다. 최종 티타늄 기어박스는 LaserForm Ti Gr23 (A)로 프린트되어 강재 내장품까지 포함해도 중량이 68kg에 불과합니다.  

3D Systems의 종합 금속 솔루션에는 금속 프린팅 워크플로를 준비하고, 최적화하고 관리할 수 있는 올인원 소프트웨어인 3DXpert가 포함되어 있습니다. 이 소프트웨어에는 포괄적으로 개발된 프린트 파라미터가 있어서 3D Systems의 LaserForm 소재에 적합할 뿐만 아니라 3D Systems 엔지니어의 전문성을 워크플로에 그대로 반영할 수 있습니다. 그 밖에도 3D Systems의 DMP 장비는 독자적인 시스템 구조를 바탕으로 소재를 성능 저하 없이 모두 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 

Rodin Cars는 처음에 기어박스를 더욱 작은 구성품들로 분할하여 사내에서 기존 ProX DMP 320 장비를 사용해 프린트할 계획이었습니다. 하지만 엔지니어링 팀은 3D Systems의 DMP Factory 500에 대해 학습하여 이러한 수고를 덜 수 있다는 생각에 매우 기뻐했습니다. 이 플랫폼은 유일하게 확장이 가능한 금속 적층 제조 솔루션으로서 대형 부품도 최대 500 x 500 x 500mm까지 원활한 고품질 생산이 가능합니다. 새로운 플랫폼을 사용한 덕분에 이제는 구성품 4개를 한 번에 프린트할 수 있는 어셈블리로 기어박스 제작이 가능합니다. 

DMP Factory 500은 동종 제품 중 가장 낮은 산소 농도(< 25ppm)와 불활성 프린팅 환경을 자랑하여 높은 화학적 순도로 강도와 정확도가 우수한 부품을 제작할 뿐만 아니라 양산에 필요한 반복성까지 보장합니다. Waterhouse에 따르면 측면 벽 두께가 2mm로 매우 얇은 기어박스 케이스를 사용해 이러한 품질 테스트를 마쳤습니다.  

Waterhouse는 "이 솔루션을 사용한 프린트의 정확도는 매우 우수한 것으로 확인되었습니다. 우리는 정말 가장 커다란 구성품을 제작하면서 뒤틀림이 0.2도에 불과하다는 사실에 놀랐습니다. 그 뿐만 아니라 내부 채널과 엄청나게 얇은 측면 벽으로 적층 제조의 이점을 모두 활용하고 있습니다. 다른 방법을 사용했다면 상상조차 못할 일이죠."라고 강조했습니다.  

Rodin Cars는 DMP Factory 500을 사내에 설치하기 전에 대규모 금속 프린팅에 더욱 빠르게 익숙해질 수 있도록 3D Systems의 AIG(Application Innovation Group)와 협력하여 첫 번째 티타늄 기어박스를 프린트했습니다. 3D Systems의 AIG는 풍부한 경험과 기술을 바탕으로 여러 산업에서 적층 제조 응용 분야를 지원할 수 있는 글로벌 리소스로서 응용 분야 개발과 프론트엔드 엔지니어링부터 장비 검증, 공정 검증 및 부품 인증에 이르기까지 어떤 단계에서든 프로젝트에 대한 자문과 지원을 제공합니다. 

3D Systems는 Rodin Cars의 적층 제조 기술 도입 이후로 전문 지식과 기술 이전을 지속적으로 제공하면서 Rodin Cars가 성공적인 적층 제조 설계 및 생산에 필요한 원리를 이해할 수 있도록 지원했습니다. 하지만 대규모 프린팅 체제로 전환하려면 새로운 모범 사례가 필요했습니다. 3D Systems의 AIG는 엔지니어링 및 응용 분야 개발 서비스를 제공하여 Rodin Cars가 4가지 기어박스 구성품을 최종적으로 프로그래밍하거나, 첫 번째 기어박스를 프린트하는 등 개념을 입증할 수 있도록 도왔습니다. 또한 프로그래밍된 제작 파일과 기술 이전을 제공하여 Rodin Cars의 생산 현장에 DMP Factory 500을 설치한 후 성공적인 대규모 금속 프린팅에 빠르게 접근할 수 있도록 길을 닦아주었습니다.