감광성 적층 제조(AM)은 수십년 동안 혁신적인 자동차 구성품 및 시스템 개발을 앞당기는데 활용되어 왔습니다. 하지만 이런 부품들은 주로 비기능성 형태 및 적합성을 평가하는 데 사용되었거나, 혹은 기존 금형 또는 주조 방식으로 부품을 제작하기 위한 패턴으로 사용되었습니다.
이렇게 AM 기술의 용도가 제한적인 이유는 기본적으로 이전에는 생산성 또는 소재 속성과 두가지 제조 방식으로 탈바꿈시켜 자동차에 필요한 성능 요건을 충족하는 것은 물론이고 엄청나게 길어진 수명에도 불구하고 성능을 그대로 유지함으로써 적층 제조 기술의 가치 제안을 크게 확장하고 있습니다.
오늘 글에서는 복잡하고 유연한 고정 시스템을 개발하거나 생산할 때 이러한 소재와 기술들이 어떻게 사용되는지 알아보겠습니다.
오늘날 자동차는 냉각, 온도 조절, 인포테인먼트, 운전자 정보, 보안 시스템 등과 함께 작동하는 추진 시스템을 다양하게 제공합니다.
이러한 시스템들은 모두 차체 및 실내에서 다양한 형태의 전기, 에너지 및 유체 이송이 필요합니다. 또한 이송 과정에서 제한된 패키징 공간과 까다로운 작동 환경을 지나게 됩니다. 고정 또는 이송 구성품의 설계는 차량 맞춤 제작으로 인해 소량 생산되는 형상에 따라 영향을 받는 경우가 많습니다.
이렇게 로트 크기가 작으면 기존 툴링 비용이 상승합니다. 이러한 제약은 제품 출시에 맞춰 안정적인 설계 솔루션을 구현하려는 엔지니어들에게 해결할 수 없는 과제처럼 보였고, 지금까지도 해결되지 않고 있습니다.
AM 고정 솔루션의 응용 사례
자동차에는 수많은 고정 장치가 있으며, 전기/EDS에너지, 냉각수, 워셔액, 공압 에너지, 진공 에너지 등의 이송을 책임 집니다. 또한 에너지 및 유체의 시스템 이송 외에 분전 소자(릴레이, 퓨즈, 반도체, 소자 등) 같은 구성품을 내장하는 데도 많이 사용됩니다. 이러한 구성품의 응용 사례들을 다양하게 설명드리겠습니다.
유연한 유체 고정 시스템에서 AM 사용을 촉진하는 주요 요인
- 부품 일체화 및 패키지 할당 개선
적층 제조는 설계 자유도를 높여 다수의 구성품과 요소를 단일 부품으로 통합하는 것이 가능합니다. 이러한 유형의 구성품은 패키징 공간이 중요한 경우가 많기 때문에 복합적인 환경을 활용해서 맞춰나가야 합니다. 그래야만 조립 효율과 부품 품질을 개선할 뿐만 아니라 패키징 효율까지 높일 수 있습니다.
- 기능적 수명주기에 적합한 소재
수 년에 이르는 자동차 수명이 다할 때까지 기능성 응용 분야에 적합한 감광성 소재가 필요합니다. 한구기술의 3D프린터는 기계적 속성, 표면 품질, 환경적 안정성과 관련하여 특정 응용 분야에 적합한 소재를 광범위하게 제공합니다.
- 빠른 반복을 위한 생산 유연성
감광성 적층 제조 솔루션은 자동차 요건에 필요한 생산성, 품질 및 정확도를 제공합니다.
여기에는 기능적 성능을 비롯해 설계 의도에 따른 미적 품질도 포함됩니다.
소량 - 가치를 높이는 부품 경제학
적층 제조는 복합적인 패키징과 기능적 과제에 따라 맞춤식 설계 생산이 가능합니다. 기존 툴링 비용과 리드 타임이 사라지기 때문에 반복 횟수를 늘리고, 출시 시간을 단축하고, 소량 생산에 맞춰 설계 비용을 최적화 할 수 있습니다.
AM 사용시 이점
여러 요소를 단일 구성품으로 통합할 수 있는 설계 자유도
패키지 효율을 극대화 할 수 있는 설계 자유도
복잡한 설계도 정확하고 반복 가능한 생산을 통한 성능 최적화
효율적인 생산과 후처리를 통한 생산 품질 개선
공구가 필요없는 생산으로 수량을 줄이고 가치를 높이는 자동차 구성품 제작
워크플로우 솔루션 및 모범사례
부품 예시 : 하네스 고정 구성품
기술 : Figure 4 Modular
소재 : Figure 4 Rigid 140C Blace
기능 : 하네스 고정 구성품은 자동차에서 복잡한 경로를 통과하는 하네스 묶음의 방향을 유도하고 고정하는 역할을 합니다. 고정 부품이 필요한 이유는 패키징 공간이 매우 제한적이거나, 환경이 까다롭거나, 다수의 테이크 아웃으로 복잡할 때가 많기 때문입니다. 고정 장치에는 푸시 핀, 집 타이, 테이프 채널 등 복잡한 설계 요소가 포함됩니다. 일부 구성품에는 마개, 캡 또는 커버까지 포함되어 연결된 아네스를 완전히 보호합니다.
적층제조를 위한 설계 팁
적층 제조 설계(DfAM)시 고려해야 할 사항은 특정 응용 분야와 통합 요소에 따라 바뀌기도 합니다. 하지만 대부분 지침은 고정 장치의 특정 용도와 상관없이 폭넓게 적용됩니다. 앞에서도 애기했지만 처음부터 DfAM 원칙에 따라 의사결정을 내릴 경우 효율 및 품질 측면에서 프로세스를 크게 개선할 수 있습니다.
부품 및 요소 통합
유체 적합 : 적층 제조를 사용하면서 유체 채널과 고정 구성품을 고정 시스템에 직접 추가할 수 있기 때문에 T구성품이나 추가 고정 구성품이 따로 필요 없습니다. 따라서 기존 90도/30도/45도/60도를 넘어서 여기에 필요한 테이크 아웃을 최적화하는 것이 가능합니다.
스탠드오프 통합 : 일부 구성품은 시스템 위치를 효과적으로 결정하여 제자리에 조립하려면 스탠드오프 또는 다리가 필요합니다. 적층 제조에서는 일반적으로 성형 설계에서 볼 수 있는 인발 방향과 구배 각도의 제약 조건을 제거하고, 구조적 성능에 적합한 벽면 두께를 활용하여 이러한 스탠드 오프를 패키지에 맞게 최적화 할 수 있습니다.
EDS 구성품 추가 : 반도체 구성품이나 기존 EDS 구성품은 패키지 및 방향을 최적화하여 설계할 수 있기 때문에 기존 성형 시 인발 방향 및 구배 각도로 인해 받았던 제약에서 자유롭습니다.
QR코드 : 맞춤형 QR 코드를 부품 설계에 추가하여 부품 및 생산 로트 정보를 추적합니다.
추가적인 고정 요소 통합
표준 푸시 핀/J-클립 요소 : 표준 고정 구성품은 현장에서 사용했을 때 유용성을 높이는 경우가 많습니다. 적층 제조 설계는 이러한 구성품을 조립해서 사용할 때 제자리에 고정시켜주는 표준 홀(hole)과 요소를 쉽게 추가할 수 있는 이점이 있습니다. 초기 조립 단계에서 일부 표준 요소들을 추가하여 분해 및 조립이 가능한 구성품을 일체화하는 동시에 구성품을 탈거하여 재고 구성품으로 교체하는 것도 가능합니다. 예를 들어 푸시 핀을 설걔에 따라 제자리에 프린트하는 동시에 현장에서도 희생 요소를 통해 손쉽게 탈거하여 교체할 수 있습니다.
집 타이 채널 : 집 타이는 구성품을 함께 고정하기 위한 보조 요소 또는 서비스 지향 요소로 추가되기도 합니다. 특히 고정 구성품에 민감한 요소가 있어서 보호해야 할 경우에는 특정 채널을 손쉽게 추가하여 위치를 결정할 때 성능을 비롯한 가이드 조립 또는 사용을 보장할 수 있습니다.
테이프 채널 : 테이프는 구성품을 함께 고정하기 위한 보조 요소 또는 서비스 지향 요소로 간혹 사용됩니다. 또한 특정 채널을 손쉽게 추가하여 성능을 향상 시킵니다.
트러프 설계 : 적층 제조와 설계 자유도를 이용하여 판금 트러프에서 사용 가능한 공간을 더욱 효율적으로 활용합니다. 판금 트러프는 단면이 제한적인 경우가 많기 대문에 공간 활용이 매우 중요합니다.
조립 보조 도구 : 엔지니어는 적층 제조의 설계 자유도를 통해 기존 제조 기법의 제약 없이도 조립 요소와 포카 요케를 추가할 수 있습니다. 이렇게 하면 더욱 안정적인 연결, 조립 및 서비스를 통해 품질을 높일 수 있습니다.
통합 커버 : 하네스나 유연한 구성품을 고정하는 시스템은 하네스, 튜브 또는 케이블을 제자리에 완전히 고정하기 위해 커버를 추가해야 하는 경우가 많습니다. 이때 "리빙 힌지"설계와 전통적인 힌지 핀 설계가 모두 포함된 통합 커버를 이용할 수 있습니다. 전통적인 힌지 핀 설계에서 조차 AM 생산 방식은 조립 작업을 줄이거나 완전히 배제할 수 있습니다. "리빙 힌지"는 스냅핏을 통해 손쉽게 닫고 고정할 수 있어야 하기 때문에 유연하게 설계 될 가능성이 높습니다. 일단 조립이 끝나면 스냅핏이 커버를 제자리에 고정하는 기본 메커니즘으로 사용됩니다.
적층제조 솔루션 (주) 한국기술
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