스트라타시스에서는 다양한 사례를 연구/개발하고 있는데 그중 엔진제조의 새로운 방법에 대한 Case Study를 소개합니다.
엔진 제조의 새로운 방법
볼보 건설 장비(Volvo Construction Equipment, VCE)는 세계 최대 건설 장비 제조 회사 중 하나입니다. 덤프 트럭, 적재기, 굴착기, 소형 장비와 도로
장비 등 다양한 장비를 생산합니다.
볼보 엔지니어들은 최근 A25G와 A30G 험지용 굴절식 덤프 트럭에 사용되는 새로운 워터펌프 하우징을 디자인했습니다. 엔지니어들은 하우징의 내부 유로
형상(internal flow passages) 디자인 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용했지만, 이 새로운 디자인을 검증하기 위해 기능성 테스트를 거쳐야 했으며, 이를
위한 프로토타입 제작이 필요했습니다. 최근까지 회사에서는 툴 제작을 위해 많은 돈을 지불했을 것입니다. 이 프로젝트에서는 툴 제작 비용 9,090여 불과
부품 비용 909불 정도가 필요했을 것이며, 리드타임은 최소 20주는 소요되었을 것입니다.
대형 엔진의 개선
VCE 경영진은 엔지니어링 팀에게 개발 비용을 절감하고 대형 엔진 프로젝트의 리드타임을 36개월에서 24개월로 단축할 것을 요청했습니다. 엔지니어들은 프린트된 부품들이 기능성테스트를 견디어낼 수 있다면 3D 프린팅이 좋은 벤치마크가 되리라 생각했습니다. 워터 펌프하우징 프로토타입들은 엔진 부의 열기와 고압을 견딜 수 있어야 합니다. 이를 검증하기 위해 VCE는 펜실베니아 주 시펀스버그(Shippensburg)에 위치한 사업장에서 Stratasys® Objet
Eden260VS™ 3D 프린터를 이용했습니다.
VCE 엔지니어들은 하우징을 반투명 FullCure® 720 재료로 3D 프린트했습니다. 부품에 9개의 나사 인서트(threaded insert)를 장착하고, 누출을 막기 위해 에폭시 수지와 경화제로 하우징을 밀봉했습니다. 워터 펌프에 덮개를 씌워서, A30G 트럭에 장착했습니다.
엔지니어들은 기존의 워터 펌프와 새로운 하우징이 장착된 워터 펌프의 유수와 수압을 비교측정해 보았습니다. 그 결과 새롭게 디자인된 하우징이 테스트를 통과했습니다. 3D 프린터로 프로토타입을 제작하였을 때 디자인과 개발 과정 모두 합쳐서 불과 2주 만에 770불의 비용으로,기존의 방법보다 훨씬 빨리 테스트를 받을 수 있었습니다. 이제 VCE는 새로운 부품 생산을늘리고 있습니다.
앞으로의 기대
이번 프로젝트로 VCE의 엔진 개발 프로세스에 3D 프린팅을 통합하는 것에 대한 실현 가능성이 입증되었습니다. 새로운 엔진 제작을 위해서는 각 엔진 별로 보통 15-20개의 새로운 주물 금속부품과 12-15개의 프로파일 성형 호스가 필요합니다. 프로토타입을 3D 프린터로 제작하면,기존 방식으로 제작 시 소요되는 시간의 10분의 1 정도 밖에 안 걸리므로, 이를 모두 합하면시간이 대폭 감소되게 됩니다.
VCE의 제품 디자이너인 제프 하트먼(Jeff Hartman) 씨는 “3D 프린팅으로 엔진 컴포넌트모형을 만들면 플랫폼 및 제조 팀에서 개발 초기 단계부터 피드백을 제공할 수 있습니다”.라며,“따라서 개발 프로세스의 모든 단계에서 오류 위험을 감소시키고, 수정 횟수를 줄일 수 있을것입니다.”라고 말합니다.
또한 3D 프린팅은 비용을 크게 줄여 줍니다. 금속 프로토타입을 위한 툴 제작에는4 ,500-18,000불의 비용이 소요됩니다. 반면 3D 프린팅 된 프로토타입 부품을 사용하면 600-1,000불 정도 밖에 소요되지 않습니다. 프로토타입을 위한 성형 호스 툴 제작에만 약6 00불의 비용이 들고, 그 툴로 프로토타입을 제작하는 비용이 60-90불 정도 추가 발생하는 반면 금속프로토타입과 성형 호스 프로토타입을 3D 프린팅 프로토타입으로 교체한다면 비용은 100-800불 정도 듭니다. 프로토타입 이터레이션이 여러 번 반복되면, 비용 절감도 반복됩니다.
하트먼 씨에 의하면 “또한 VCE에서는 제조 과정의 효율성을 높이고 소량의 부품 생산에 적합한디지털 방식으로 제조된 부품들을 늘리기 위해, 지그와 고정구 제작에도 3D 프린팅 적용을 고려중”이라고 합니다
