BMW그룹은 적층제조 기술을 적극적으로 자동차산업에 도입하는 대표적인 회사중에 하나이죠. 또한 독일이 자동차 강국이라서 독일 정부차원에서도 다른나라보다 관심이 크기도 한것 같습니다. 2018년도에는 3D프린팅으로 지난 10년동안 100만개 부품을 생산했다고 발표하였고, 2020년에는 200억원을 투자하여 적층제조 캠퍼스(AM Campus)를 오픈하였죠. ExOne 바인더 제트 3D 프린터를 BMW 시리즈 3 및 시리즈 4 엔진 코어 생산에 사용한다고 공개하였고, WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)방식으로 대형 자동차 부품 제작 계획도 발표하였죠. 또한 BMW는 독일 소재의 연구소, EOS같은 3D프린터, 후가공 장비 회사들과 함께  3년간에 걸쳐 플라스틱 3D프린팅 자동차 부품생산을 효율적으로 확장하기 위한 POLYLINE 프로젝트를 작년 2023년도에 종료하였죠. 

지난주 5/23에 BMW 그룹이 적층 가공을 통한 빠르고 경제적이며 다양한 활용성을 말하며, BMW 그룹 공장 란트슈트의 새로운 바이오닉 그리퍼로 무게 추가 절감한 사례, 뮌헨 공장의 전체 바닥 조립을 위한 혁신적인 바이오닉 그리퍼 사례, 그리고 2023년에 3D 프린팅으로 전 세계 40만 개 이상의 부품 생산하였다고 발표하였습니다.

BMW의 발표자료가 나름대로 잘 정리가 되어 있어서 요약하는것 보다는 원문을 직접 보는게 좋을것 같아서 번역해서 올립니다. 원문링크는 글 하단에 있으니 참고하세요.

30년 이상의 경험을 보유한 BMW 그룹은 3D 프린팅으로 더 잘 알려진 적층 제조 분야의 선구자입니다. 3D 프린터는 1991년부터 개별 차량 부품 및 구성 요소를 생산하는 데 사용되어 왔으며, 처음에는 컨셉트카, 프로토타입, 경주용 자동차에 사용되었고 나중에는 생산 모델에도 사용되었습니다. 현재 BMW 그룹은 다양한 3D 프린팅 공정에서 자체 생산 시스템을 위한 많은 작업 보조 도구와 툴도 제조하고 있습니다. 직원을 위한 맞춤형 보조기, 교육 및 생산 보조기부터 CFRP 지붕 및 전체 바닥 어셈블리 등에 사용되는 무게에 최적화된 대형 로봇 그리퍼까지 다양합니다. BMW 그룹의 3D 프린팅 생산, 연구 및 교육을 위한 중심 허브인 오베르슐라이스하임의 '적층 제조 캠퍼스'에서는 2023년에 30만 개 이상의 부품이 '프린팅'되었습니다. 또한 스파르탄부르크와 독일 공장부터 아시아 지역 공장에 이르기까지 글로벌 생산 네트워크를 구성하는 모든 공장에서 연간 10만 개 이상의 3D 프린팅 부품이 생산되었습니다.

"BMW 그룹 생산 시스템에서 적층 가공의 사용이 증가함에 따라 많은 이점이 있습니다. 예를 들어, 우리는 언제든지 특정 요구 사항에 맞게 개별적으로 조정할 수 있는 자체 생산 보조 장치와 핸들링 로봇을 빠르고 경제적이고 유연하게 생산할 수 있을 뿐만 아니라 무게를 최적화할 수 있습니다. 무게가 가벼우면 생산 라인의 속도가 빨라지고 사이클 시간이 단축되며 비용이 절감됩니다. 또한 중기적으로는 더 작은 로봇을 사용할 수 있어 CO2 배출량과 비용도 절감할 수 있습니다."라고 BMW 적층 제조 책임자인 Jens Ertel은 말합니다.

"BMW 그룹은 직접 적층 제조 공정뿐만 아니라 란트슈트 공장에서 수년 동안 모래 기반 3D 프린팅을 사용하여 금형을 제작해 왔습니다. 이 기술은 일반적으로 프로토타입 주형을 제작하거나 고성능 모터용 부품을 대규모로 생산하는 데 사용됩니다. 경금속 주조 제품 및 공정 계획 책임자인 클라우스 새머는 "이제 3D 프린팅의 또 다른 매력적인 적용 분야는 대형 생산 보조 장치 분야입니다."라고 말합니다.

대규모 생산용 알루미늄 실린더 헤드 생산을 위한 프린트 금형

BMW 그룹 플랜트 란트슈트에서는 오랫동안 적층 제조 공정이 일상적으로 사용되어 왔습니다. 여기에는 수년 동안 모래 주조 공정을 사용하여 3차원으로 인쇄되는 알루미늄 실린더 헤드 제조용 금형이 포함되었습니다. 여기서 모래를 얇은 층으로 반복적으로 도포하고 바인더를 사용하여 서로 접착합니다. 이를 통해 매우 복잡한 구조물의 제조를 위한 금형을 만든 다음 액화 알루미늄으로 채우는 것이 가능합니다.

3D 프린팅을 활용한 CFRP 지붕용 대형 로봇 그리퍼 제조

란트슈트에 위치한 BMW 그룹의 경량 건설 및 기술 센터에서는 수년 동안 3D 프린팅 공정을 통해 제작한 대형 그리퍼 부품을 사용해 왔습니다. 무게가 약 120kg에 달하는 로봇용 그리퍼는 단 22시간 만에 제작할 수 있으며, 프레스를 통해 BMW M GmbH 모델의 모든 CFRP 지붕을 생산하는 데 사용됩니다. 먼저 프레스에 CFRP 원재료가 적재됩니다. 그리퍼를 180도 회전시키기만 하면 완성된 루프가 제거됩니다. 기존 그리퍼에 비해 3D 프린팅으로 제조된 버전은 약 20% 가벼워 로봇의 작동 수명을 연장하고 시스템의 마모를 줄이며 유지보수 주기를 단축할 수 있었습니다. 두 단계를 결합하여 사용함으로써 사이클 시간도 단축되었습니다. 로봇 그리퍼의 독특한 특징은 두 가지 다른 3D 프린팅 프로세스의 이상적인 조합입니다. 진공 그리퍼와 니들 그리퍼가 CFRP 원료를 들어 올리는 클램프는 SLS 방식 3D프린터를 사용하여 제작하고, 대형 루프 쉘과 베어링 구조는 대규모 프린팅(LSP, Large Scale Printing)을 사용하여 제조합니다. LSP는 대형 부품을 경제적이고 지속 가능하게 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 이 공정은 사출 성형 과립과 재활용 플라스틱을 사용하며, CFRP 잔여 재료도 사용 및 재활용할 수 있습니다. 1차 원료를 사용할 때와 비교했을 때 그리퍼 제조 시 CO2 배출량은 약 60% 감소합니다.

차세대 바이오닉 그리퍼를 통한 추가적인 무게 감소

2023년 여름, 더욱 가벼워진 새로운 세대의 그리퍼가 출시되었습니다. 이를 위해 기존 그리퍼 개념을 위상학적으로 분석하고 최적화하여 생체공학적인 로봇 그리퍼를 탄생시켰습니다. 이 그리퍼는 LSP 프린터의 루프 쉘과 SLS 진공 및 생체 공학적으로 최적화된 베어링 구조를 결합합니다. 이를 위해 프린트된 코어가 있는 금형이 모래 주조(sand casting)에 사용됩니다. 그런 다음 이 금형을 복잡한 알루미늄 구조로 주조합니다. 새로운 그리퍼는 이전 모델보다 25% 더 가벼워져 이전처럼 3대의 로봇이 아닌 단 한 대의 로봇으로 BMW M3의 CFRP 지붕 제조 전 공정을 수행할 수 있습니다. 현재 BMW 그룹 내에서는 3D 프린팅을 통해 개별적으로 제작된 더블 그리퍼가 BMW 그룹 공장인 란트슈트의 모든 CFRP 루프에 사용되고 있습니다.

섀시 제작에도 3D 프린팅으로 제작된 새로운 그리퍼가 사용 중

BMW 그룹은 섀시 제작에도 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 제작한 그리퍼를 사용하고 있으며, 예를 들어 BMW 그룹 레겐스부르크 공장의 도어 처리용 그리퍼는 LSP 프로세스로 프린팅되었습니다. "3D 프린팅으로 제작한 최적화된 베어링 구조 덕분에 레겐스부르크 공장에서 도어 요소를 취급할 때 그리퍼의 강성을 높이는 동시에 무게를 줄일 수 있었습니다. 이후 프로젝트에서는 베어링 용량이 적은 로봇을 사용할 수 있게 되어 비용 절감에 도움이 되었습니다."라고 레겐스부르크의 도어 및 플랩 생산 책임자인 플로리안 리벨(Florian Riebel)은 말합니다.

하지만 이제 BMW 그룹 뮌헨 공장에서는 한 걸음 더 나아가고 있습니다. 최근 모 공장(parent plant)에서 생체공학적인 로봇 그리퍼가 처음으로 사용되었습니다. 이 그리퍼는 BMW i4의 바닥 어셈블리 전체를 잡고 움직일 수 있습니다. 바닥 어셈블리 그리퍼의 경우 3D 프린팅을 사용하여 액체 알루미늄으로 채워진 모래 주조 금형을 제작합니다. 무게와 최대 하중 용량 측면에서 최적화된 이 그리퍼는 모든 추가 부품을 포함해도 무게가 110kg에 불과합니다. 따라서 기존 모델보다 약 30% 더 가벼워졌습니다. 모래 주조와 알루미늄을 사용하여 제조함으로써 하중에 최적화된 복잡한 구조를 표현할 수 있습니다. 그 결과 무게를 최대한 줄일 수 있어 중기적으로는 더 작고 가벼운 중장비 리프팅 로봇을 사용할 수 있어 에너지 소비를 줄이고 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다. BMW 그룹 뮌헨 공장의 플랜트 엔지니어링 및 로보틱스 책임자 마르쿠스 레만: "뮌헨 공장에서는 적층 가공을 통해 제작된 생산 보조 장치의 사용을 지속적으로 확대하고 있습니다. 그리퍼 및 핸들링 시스템 분야에서는 3D 프린팅을 사용하여 기존 그리퍼에 개별적으로 인쇄된 부속들을 장착하고, 이미 전체 그리퍼 시스템을 고도로 통합되고 무게에 최적화된 베어링 구조로 대체하고 있습니다. 전체 BMW i4 바닥 어셈블리를 취급할 때 전체 그리퍼의 무게를 30%(50kg) 줄일 수 있었으며, 이를 통해 시설의 수명을 연장할 수 있었습니다."라고 말하였습니다.

적층 제조에 혁신적인 소프트웨어 솔루션 사용

복잡한 생체 공학 구조는 Synera와 같은 특수한 generic 소프트웨어 도구를 사용하여 설계하고 계산합니다. BMW iVentures는 이전에 Elise로 알려진 이 소프트웨어에 전략적으로 투자했습니다. Synera는 빠르고 효율적인 최적화를 가능하게 하며 현재 BMW 그룹 내 여러 개발 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 3D 프린팅에서 이 소프트웨어를 사용하면 3D 프린팅 프로세스의 높은 유연성 덕분에 위상학적으로 최적화된 생체 공학 구조물을 사실상 일대일로 프린팅할 수 있기 때문에 그 가치가 매우 높습니다. 이를 통해 경량 구조의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다. BMW 그룹의 적층 제조 캠퍼스에는 다양한 소프트웨어 솔루션을 비교하여 부품 설계에 사용하는 설계 및 시공 전문가 팀이 상주하고 있습니다. 그런 다음 이 지식은 적층 제조 캠퍼스를 통해 회사 전체에 전달됩니다. 그리퍼 설계의 경우 베어링 구조의 계산과 제작을 대부분 자동화하여 빠르고 효율적으로 수행할 수 있는 특별한 워크플로우가 개발 및 구현되었습니다.

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