<WAAM 기술, BMW 적층 제조 책임자 Jens Ertel, BMW 그룹 차량 연구 책임자 Karol Virsik.>

BMW 그룹은 오버슐라이스하임(Oberschleißheim)의 적층 제조 캠퍼스에서 금속 자동차 부품 및 도구를 위한 혁신적인 적층 생산 공정에 대한 "활선"을 보유하고 있습니다. 와이어 아크 적층 제조(WAAM)에서는 알루미늄 등으로 만들어진 와이어를 아크를 사용하여 녹입니다. 그런 다음 소프트웨어로 제어되는 로봇은 전체 구성 요소가 완성될 때까지 수많은 용접 이음새를 정밀하게 서로 위에 배치합니다. 압력은 층별로 탈형성에 주의를 기울일 필요가 없음을 의미하므로 강성과 무게 사이의 최적 비율을 갖춘 중공 구조가 가능합니다. 이는 부품이 현재 대량 생산으로 제조되는 동급의 다이캐스트 부품보다 더 가볍고 더 견고할 수 있음을 의미합니다. 또한 에너지 요구 사항이 낮고 재료 낭비가 적어 더욱 지속 가능하게 생산할 수 있습니다. 앞으로는 BMW 그룹 생산 차량에 WAAM 공정을 사용하여 제조된 부품을 사용할 계획입니다.

WAAM 프로세스는 특히 대형 부품에 적합

단일 용접 심의 폭과 높이가 크다는 것은 WAAM을 사용하여 부품을 매우 빠르게 생산할 수 있음을 의미합니다. BMW 그룹의 프로토타입 및 소형 시리즈 생산에 이미 사용되는 레이저 빔 용융과 달리 WAAM은 특히 대형 부품에 적합합니다. 일반적인 벽 두께는 차체, 드라이브 및 섀시 영역의 구성 요소에 매우 적합합니다. 그러나 항공 산업에서도 사용되는 이 첨단 공정을 사용하여 도구와 장치를 제조할 수도 있습니다.

적층 제조 캠퍼스에서의 개발

BMW 그룹은 오버슐라이스하임(Oberschleißheim)의 적층 제조 캠퍼스에서 이 프로세스를 시험하고 있으며, 이곳에서 한 지붕 아래 이 분야의 생산, 연구 및 교육을 통합하고 있습니다. 30년 이상의 경험을 보유한 이 회사는 일반적으로 3D 프린팅으로 알려진 적층 가공 분야의 선구자입니다. BMW 그룹 직원들은 2015년부터 빌드업 용접이라고도 알려진 WAAM 프로세스에 집중해 왔습니다. 테스트 부품 생산을 위한 WAAM 셀은 2021년부터 그곳에서 사용되었습니다. 이러한 예시 애플리케이션 중 하나는 서스펜션 스트럿 지지대입니다. 테스트 벤치에서의 광범위한 테스트를 통해 이 부품은 알루미늄 압력 다이캐스팅으로 제작된 시리즈 생산 부품과 비교되고 있습니다. “이 초기 단계에서 WAAM 프로세스가 생산 프로세스에서 배출량을 줄일 수 있다는 것이 이미 분명해졌습니다. BMW 적층 제조 부문 책임자인 Jens Ertel은 “부품의 무게가 가볍고, 유리한 재료 사용 비율과 재생 에너지 사용 옵션이 있어 부품을 더욱 효율적으로 생산할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 대량 생산을 향한 다음 개발 단계는 가까운 미래에 시작될 차량의 구성 요소를 테스트하는 것입니다.

WAAM 공정에서 용접 이음새가 더 넓다는 것은 구성 요소의 표면이 매끄럽지 않고 약간의 잔물결이 있음을 의미하며 중요한 부분을 마무리해야 합니다. 그러나 BMW 그룹 엔지니어들은 WAAM 구성 요소가 표면 후처리 없이도 순환 하중을 포함한 높은 하중에 사용될 수 있음을 입증할 수 있었습니다. 최적화된 프로세스 매개변수는 생산에서 직접 내구성을 보장하는 데 중요하므로 용접 프로세스와 로봇 경로 계획의 조합을 최적으로 조정해야 합니다.

제너레이티브 디자인 및 알고리즘을 사용한 구성

WAAM 공정에서 생산된 부품을 최적으로 사용하려면 제조 공정과 일반적인 새로운 부품 설계를 결합하는 것이 무엇보다 중요합니다. 이를 위해 BMW 그룹은 계속해서 제너레이티브 디자인의 사용을 가속화하고 있습니다. 여기에서 컴퓨터는 알고리즘을 사용하여 특정 요구 사항에 따라 최적화된 구성 요소를 설계합니다. 이러한 알고리즘은 학제간 팀과의 긴밀한 협력을 통해 개발되었으며 부분적으로는 자연의 진화 과정에서 영감을 받았습니다. 생체공학 구조와 마찬가지로 첫 번째 단계는 부품의 토폴로지에 실제로 필요한 재료만 사용하는 것이며, 두 번째 단계의 미세 조정 과정에서는 필요한 부분만 부품을 강화합니다. 이를 통해 궁극적으로 더 가볍고 견고한 부품이 탄생할 뿐만 아니라 효율성이 향상되고 차량 역학이 향상됩니다.

“WAAM 기술이 연구를 통해 어떻게 테스트 구성 요소뿐만 아니라 대량 생산 구성 요소를 위한 유연한 도구로 발전했는지 보는 것은 인상적입니다. 생성적 설계 방법(generative design methods)을 사용하면 설계의 자유와 기술의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다. 불과 몇 년 전만 해도 이런 일은 상상조차 할 수 없었습니다.”라고 BMW 그룹 차량 연구 책임자인 Karol Virsik은 말했습니다.

다른 적층 생산 프로세스는 서로 보완 가능

서로 다른 적층 생산 공정이 반드시 서로 경쟁할 필요는 없으며 오히려 보완적인 것으로 보아야 합니다. 예를 들어, 레이저 빔 용융(L-PBF)은 최고 수준의 세부 해상도 측면에서 WAAM 공정보다 계속해서 더 유리할 것입니다. 그러나 가능한 부품 크기와 증착 속도 측면에서는 와이어 아크 적층 가공이 우수합니다. BMW 그룹은 처음에는 오버슐라이스하임(Oberschleißheim)에서 부품의 중앙 집중식 WAAM 생산을 계획하고 있으며, 앞으로는 다른 위치에서도 생산하고 공급업체가 이 기술을 사용할 수도 있습니다. 또한, 이 프로세스를 사용하여 조립 라인에서 직접 개별 구성 요소를 생산하고, 단순히 소프트웨어를 변경하여 새로운 도구 없이 다양한 부품을 제조하는 것도 가능합니다. 재활용 금속의 사용을 늘려 지속가능성을 더욱 향상시킬 수도 있습니다.

<3DGURU Opinion>

MX3D 사는 이미 저희 3D그루 사이트에서 여러번 소개해드린적이 있습니다. 3D프린터로 철제 다리를 제작하여 네덜란드 암스테르담에 설치해서 주목을 많이 받았습니다. 작년 Formnext 전시회에서는 위의 사진과 같은 3D프린터와 셀을 직접 전시하기도 하였습니다. 

2015년 부터 WAAM 방식의 3D프린터로 자동차 금속 부품 제작하기 위해 노력했다는 내용이 있습니다. BMW사는 10년 가까이 WAAM방식으로 부품 제작을 위해 노력해왔다는 것인데, 당장 적용할 수 있는 기술이 아님에도 불구하고, 계속 이러한 R&D 노력들이 BMW 사를 세계최고의 자동차 회사로 만드는게 아닌가 싶습니다.

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