3D 프린팅 기술력 집대성한 자동차 ‘어비’의 무한 가능성 3D 프린터가 그동안 일부 부품이나 기어와 그릴 등을 제작한다는 사실은 널리 알려져 왔지만 완성차량을 만들 것이라고 상상하진 못했다. 최근 스트라타시스(Stratasys)가 3D로 만든 자동차를 발표하면서 그 효율성과 향후 가능성을 둘러싸고 초미의 관심사로 떠오르고 있다.갤런당 200마일을 달리는 3D 프린팅으로 제작된 자동차 어비(Urbee)가 미래형 자동차 시장에 어떤 돌풍을 몰고 올지 기대를 모으고 있는 가운데 향후 모델은 초기버전보다 가볍고, 3D로 제작된 부품이 더 많아지면서도 파워풀 해질 것이라는 전망이 설득력을 얻고 있다.사실 플라스틱을 재료로 만들어진 어비의 경우 높은 연비는 물론 하이테크 디자인이라는 점에서 자동차 업계의 비상한 관심을 모아왔다.연비 역시 리터당 29.63km에 친환경, 고효율 자동차를 3D 프리팅을 통해 제작할 수 있다는 점에서 자동차 산업 역시 더욱 확대될 것으로 보인다.세계 최초의 3D 프린팅 시제품 자동차 어비는 3D 프린터로 차체를 적층 공정에 의거해 제작한 사례로 관련 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.이와 관련 스트라타시스 관계자는 “활용성이 높은 3D 프린팅 정밀 시제품이나 툴링에 있어서도 기존의 방식만 고수하면 세상을 바꿀 수 없다. 혁신은 이미 잘 다져진 길을 과감히 버릴 수 있을 때 가능하다”는 말로 대신했다.남다른 친환경 열정이 빚어낸 작품3D 프린팅으로 제작한 새로운 친환경 자동차 Winnipeg에 소재한 엔지니어링 기업 KOR EcoLogic의 대표 겸 선임 디자이너인 Jim Kor는 “깨끗하고 에너지 효율적인 자동차를 소유하고 운전하는게 필요하다”고 말했다.Kor의 환경에 대한 열정은 보다 친환경적인 원칙을 적용한 새로운 자동차를 설계하도록 한 원동력이 됐으며, 코드명 ‘Urbee’라고 불리는 이 차는 Stratasys의 3D 프린팅 기술을 통해 제작됐다.2인승 자동차인 Urbee(Urban Electric vehicle with Ethanol as backup, 에탄올 예비 연료를 사용하는 도시형 전기 자동차)는 최소한의 에너지만 사용하도록 설계된 것.Urbee의 연비는 고속도로에서는 200mpg(약85Km/L) 이상, 시내에서는 100mpg(43Km/L)까지 도달할 수 있다. 이는 현재까지 차체 전체를 적층 제조 공법을 사용해 프린팅한 최초의 시제품 차량이라는 게 그의 설명이다.KOR의 경영진은 세계에서 가장 연비가 좋고 친환경적인 자동차를 제작키로 하고 “실용적이고 안전하게 주행할 수 있는 차이면서도 재생 가능한 에너지만으로 구동될 수 있어 친환경적이고 누구에게나 매력적인 차를 만들자는 목표를 세웠다. Kor 는 Urbee가 언젠가 세계 시장에 진출하기를 바라고 있다”는 말을 전했다.Urbee를 인체공학적으로 만들고 설계 및 제조 공정 전체에서 가급적 ‘친환경’을 유지하고자 했다는 말로 풀이된다.처음에 Kor와 그의 팀원들은 점토를 사용해 실물의 60% 크기로 차량 반쪽 모델을 제작했다. 이렇게 만든 반쪽에 거울을 대면 자동차 전체를 제작하지 않고도 완성된 모델이 어떤 형태일지 알 수 있기 때문이다.Kor는 “점토 모델이 실제 같은 느낌을 준다는 사실은 부정할 수 없다. 재료를 추가하거나 뺄 수도 있고, 매일같이 다루고 작업할 수도 있는데 단점이 있다면 제작 시간이 3개월이나 걸린다는 것”이라고 설명했다.팀원들은 모델을 스캔해 컴퓨터 파일로 만들어서 공기 역학적 특성을 테스트하기로 하고 정해진 목표를 달성하기 위해 달렸다.컴퓨터 시뮬레이션 결과가 좋지 않으면 자동차 프로젝트 전체가 ‘무너질 상황’이었다고 Kor는 당시를 회고했다.아주 중요한 통계 수치 중에서도 항력 계수(Cd)라는 것이 있는데, 팀에서는 이 수치가 0.15 이하로 나오기를 간절히 바랐다.실제로 Prius(프리어스, Toyota 의 하이브리드 소형차)의 계수는 0.26다. 컴퓨터 모델에서는 Urbee의 항력계수가 0.149라는 수치를 얻어냈다.Kor는 “덕분에 자신감을 얻어서 계속 작업할 수 있었지만 작은 문제가 하나 있었다. 컴퓨터 파일로는 만반의 준비가 끝났지만 실제로 만들어낼 방도가 없었다”는 것.그와 팀원들은 기존의 제조 방법으로는 자신들이 원하는 결과를 얻을 수 없을 것이라는 사실을 알고 있었기에 다른 대책을 강구했다.그 가운데 하나가 FRP(Fiber-Reinforced Polymer, 섬유 강화 중합체) 또는 유리 섬유를 이용해 차체 패널 시제품을 제작하는 것이었다.이 방법을 쓰기 위해선 각 차체 패널에 실물 크기의 플러그를 제작해야 했다. 우선 목재 또는 MDF로 튼튼한 뼈대를 만들고 그 위에 손으로 모양을 만들 수 있는 고밀도 폼으로 덮어주는데 더 정밀한 표면을 만들기 위해 CNC 밀링 기계를 이용해 플러그를 새길 수도 있다. 그런 다음 금형을 만들어야 하고, 유리 섬유와 수지를 표면에 붙여 형태를 유지할 때까지 굳히는 과정이 필요하다.부품이 잘 경화되면, 금형에서 떼어내는 작업을 추가로 해야한다.KOR의 엔지니어인 Blaine McFarlane는 “시간도 오래 걸리고, 손이 많이 가는 공정”이라고 표현했다.McFarlane은 차체 패널을 전부 FRP 공법으로 제작할 경우 두 사람이 꾸준히 작업해도 8~10개월 정도 소요되고 CNC 기계를 사용하면 제작 시간을 단축할 수는 있지만, 그래도 석 달은 족히 걸릴 것으로 예측했다.“유리 섬유로 차체를 제작했다면 시간이 너무 오래 걸렸을 것”이라는 McFarlane의 말에 Kor도 머리를 끄덕이며 수긍했다.Kor는 Stratasys 경영진과 대화를 나누고 나서, 외부 부품 전체를 Dimension 3D 프린터와 Fortus 3D 제조 시스템을 사용해 RedEye on Demand 서비스로 제작할 수 있을 것이라 확신했다.Kor와 그의 동료는 우선 6분의 1 축척 모델을 만들어 각 부품이 모두 정확하게 맞아 들어가는지 확인하고 차체의 스캔한 컴퓨터 모델을 10개의 논리적 차체 패널로 변환했다. 이를 통해 팀원들은 큰 패널에도 문제가 없다는 확신을 더했다. 그들은 Stratasys와 함께 ABS를 재료로 선택하고 자동차를 제작하기 시작했다.시작 허가가 나자마자 몇 주 이내로 여러 개의 주요 차체 패널이 제작됐다. 실물 크기의 문과 측면 패널이 가장 먼저 완성됐다.현재 나머지 차체 패널도 Stratasys에서 제작하고 있다.Kor는 “첫 번째 자동차를 만든 것만으로도 대단한 성과다. 두 번째 시제품은 Stratasys 프린터 성능에 맞게 설계할 예정이다. 프린터 성능을 최대로 활용하고 싶다”는 바람을 피력했다.차 내부와 외부 모두를 설계하고 필요한 곳에만 플라스틱을 쓰겠다는 의미로 보인다.앞으로 만들 Urbee의 펜더를 새의 골격과 비교하기를 좋아하는 Kor는 “새 골격의 단면도를 보면, 힘이 필요한 곳에만 뼈가 있는 것을 알 수 있고 뼈대 모양이 마치 복잡한 망 같은 형태를 띠고 있다. FDM 이야말로 새 골격을 흉내 낼 수 있는 유일한 공정”이라고 부언설명했다.이런 특성은 극히 가벼우면서도 튼튼한 제품을 만들 때 중요한 요소로 등장한다. Urbee의 펜더가 좋은 예다.Kor는 현재 펜더가 일정한 두께로 제작되고 있지만 여기에는 불필요한 재료가 많다. 자동차를 비효율적으로 만들고, 환경 폐기물을 더하기만 할 뿐이라고 지적했다.그는 “Stratasys는 펜더를 제작할 때 필요한 곳에만 플라스틱을 쓸 수 있다. 환경도 지킬 수 있고 비용도 절감할 수 있는 데다가 안전성을 저해하지도 않는다. 필요하지 않은 곳에는 재료를 쓰지 않으면 된다”고 강조했다.FDM 기술 덕분에 개발 과정 중에도 Urbee의 설계를 쉽고 효과적으로 변경할 수 있게 됐고 툴링과 가공 작업, 수작업을 제거해서 친환경이라는 목표도 충족할 수 있게 된 셈이다.툴링 없이 시험 실행을 할 수 있다는 것이 스트라타시스의 강점인 드러나는 대목이다.현재 Urbee 프로젝트의 진행 비용은 대부분 자체적으로 자금을 조달하고 있지만, KOR 팀은 두 번째 시제품을 제작할 자금을 마련 중인 것으로 알려졌다.자금이 마련되면 다음 Urbee를 제작하는 데 1년이 걸릴 것으로 예상된다.Kor는 3D 프린팅의 속도에 경탄하면서 “며칠이나 몇 주 만에 차체 부품을 만들어 내는 건 상당히 빠른 속도다. 다른 방법을 사용하면 몇 달은 더 걸릴 것”이라며 “자동차 모델을 컴퓨터 파일로 가지고 있기만 하면, 사실 디자이너 입장에서 차체를 3D 프린팅하는 것은 거의 힘이 들지 않는 작업이다. 파일만 보내고 잠깐 기다리면 '짠!'하고 차체 패널이 완성돼 나올 정도여서 어떤 공정도 따라올 수 없는 속도”라고 덧붙였다.

3D 프린팅 기술력 집대성한 자동차 ‘어비’의 무한 가능성

기사입력 2015-02-02 02:12:36

사진=Stratasys

[산업일보]
3D 프린터가 그동안 일부 부품이나 기어와 그릴 등을 제작한다는 사실은 널리 알려져 왔지만 완성차량을 만들 것이라고 상상하진 못했다. 최근 스트라타시스(Stratasys)가 3D로 만든 자동차를 발표하면서 그 효율성과 향후 가능성을 둘러싸고 초미의 관심사로 떠오르고 있다.

갤런당 200마일을 달리는 3D 프린팅으로 제작된 자동차 어비(Urbee)가 미래형 자동차 시장에 어떤 돌풍을 몰고 올지 기대를 모으고 있는 가운데 향후 모델은 초기버전보다 가볍고, 3D로 제작된 부품이 더 많아지면서도 파워풀 해질 것이라는 전망이 설득력을 얻고 있다.

사실 플라스틱을 재료로 만들어진 어비의 경우 높은 연비는 물론 하이테크 디자인이라는 점에서 자동차 업계의 비상한 관심을 모아왔다.

연비 역시 리터당 29.63km에 친환경, 고효율 자동차를 3D 프리팅을 통해 제작할 수 있다는 점에서 자동차 산업 역시 더욱 확대될 것으로 보인다.

세계 최초의 3D 프린팅 시제품 자동차 어비는 3D 프린터로 차체를 적층 공정에 의거해 제작한 사례로 관련 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.

이와 관련 스트라타시스 관계자는 “활용성이 높은 3D 프린팅 정밀 시제품이나 툴링에 있어서도 기존의 방식만 고수하면 세상을 바꿀 수 없다. 혁신은 이미 잘 다져진 길을 과감히 버릴 수 있을 때 가능하다”는 말로 대신했다.

남다른 친환경 열정이 빚어낸 작품

3D 프린팅으로 제작한 새로운 친환경 자동차 Winnipeg에 소재한 엔지니어링 기업 KOR EcoLogic의 대표 겸 선임 디자이너인 Jim Kor는 “깨끗하고 에너지 효율적인 자동차를 소유하고 운전하는게 필요하다”고 말했다.
Kor의 환경에 대한 열정은 보다 친환경적인 원칙을 적용한 새로운 자동차를 설계하도록 한 원동력이 됐으며, 코드명 ‘Urbee’라고 불리는 이 차는 Stratasys의 3D 프린팅 기술을 통해 제작됐다.

2인승 자동차인 Urbee(Urban Electric vehicle with Ethanol as backup, 에탄올 예비 연료를 사용하는 도시형 전기 자동차)는 최소한의 에너지만 사용하도록 설계된 것.

Urbee의 연비는 고속도로에서는 200mpg(약85Km/L) 이상, 시내에서는 100mpg(43Km/L)까지 도달할 수 있다. 이는 현재까지 차체 전체를 적층 제조 공법을 사용해 프린팅한 최초의 시제품 차량이라는 게 그의 설명이다.

KOR의 경영진은 세계에서 가장 연비가 좋고 친환경적인 자동차를 제작키로 하고 “실용적이고 안전하게 주행할 수 있는 차이면서도 재생 가능한 에너지만으로 구동될 수 있어 친환경적이고 누구에게나 매력적인 차를 만들자는 목표를 세웠다. Kor 는 Urbee가 언젠가 세계 시장에 진출하기를 바라고 있다”는 말을 전했다.
Urbee를 인체공학적으로 만들고 설계 및 제조 공정 전체에서 가급적 ‘친환경’을 유지하고자 했다는 말로 풀이된다.

처음에 Kor와 그의 팀원들은 점토를 사용해 실물의 60% 크기로 차량 반쪽 모델을 제작했다. 이렇게 만든 반쪽에 거울을 대면 자동차 전체를 제작하지 않고도 완성된 모델이 어떤 형태일지 알 수 있기 때문이다.
Kor는 “점토 모델이 실제 같은 느낌을 준다는 사실은 부정할 수 없다. 재료를 추가하거나 뺄 수도 있고, 매일같이 다루고 작업할 수도 있는데 단점이 있다면 제작 시간이 3개월이나 걸린다는 것”이라고 설명했다.
팀원들은 모델을 스캔해 컴퓨터 파일로 만들어서 공기 역학적 특성을 테스트하기로 하고 정해진 목표를 달성하기 위해 달렸다.

컴퓨터 시뮬레이션 결과가 좋지 않으면 자동차 프로젝트 전체가 ‘무너질 상황’이었다고 Kor는 당시를 회고했다.
아주 중요한 통계 수치 중에서도 항력 계수(Cd)라는 것이 있는데, 팀에서는 이 수치가 0.15 이하로 나오기를 간절히 바랐다.

실제로 Prius(프리어스, Toyota 의 하이브리드 소형차)의 계수는 0.26다. 컴퓨터 모델에서는 Urbee의 항력계수가 0.149라는 수치를 얻어냈다.

Kor는 “덕분에 자신감을 얻어서 계속 작업할 수 있었지만 작은 문제가 하나 있었다. 컴퓨터 파일로는 만반의 준비가 끝났지만 실제로 만들어낼 방도가 없었다”는 것.

그와 팀원들은 기존의 제조 방법으로는 자신들이 원하는 결과를 얻을 수 없을 것이라는 사실을 알고 있었기에 다른 대책을 강구했다.

그 가운데 하나가 FRP(Fiber-Reinforced Polymer, 섬유 강화 중합체) 또는 유리 섬유를 이용해 차체 패널 시제품을 제작하는 것이었다.

이 방법을 쓰기 위해선 각 차체 패널에 실물 크기의 플러그를 제작해야 했다. 우선 목재 또는 MDF로 튼튼한 뼈대를 만들고 그 위에 손으로 모양을 만들 수 있는 고밀도 폼으로 덮어주는데 더 정밀한 표면을 만들기 위해 CNC 밀링 기계를 이용해 플러그를 새길 수도 있다. 그런 다음 금형을 만들어야 하고, 유리 섬유와 수지를 표면에 붙여 형태를 유지할 때까지 굳히는 과정이 필요하다.

부품이 잘 경화되면, 금형에서 떼어내는 작업을 추가로 해야한다.

KOR의 엔지니어인 Blaine McFarlane는 “시간도 오래 걸리고, 손이 많이 가는 공정”이라고 표현했다.

McFarlane은 차체 패널을 전부 FRP 공법으로 제작할 경우 두 사람이 꾸준히 작업해도 8~10개월 정도 소요되고 CNC 기계를 사용하면 제작 시간을 단축할 수는 있지만, 그래도 석 달은 족히 걸릴 것으로 예측했다.

“유리 섬유로 차체를 제작했다면 시간이 너무 오래 걸렸을 것”이라는 McFarlane의 말에 Kor도 머리를 끄덕이며 수긍했다.

Kor는 Stratasys 경영진과 대화를 나누고 나서, 외부 부품 전체를 Dimension 3D 프린터와 Fortus 3D 제조 시스템을 사용해 RedEye on Demand 서비스로 제작할 수 있을 것이라 확신했다.

Kor와 그의 동료는 우선 6분의 1 축척 모델을 만들어 각 부품이 모두 정확하게 맞아 들어가는지 확인하고 차체의 스캔한 컴퓨터 모델을 10개의 논리적 차체 패널로 변환했다. 이를 통해 팀원들은 큰 패널에도 문제가 없다는 확신을 더했다. 그들은 Stratasys와 함께 ABS를 재료로 선택하고 자동차를 제작하기 시작했다.

시작 허가가 나자마자 몇 주 이내로 여러 개의 주요 차체 패널이 제작됐다. 실물 크기의 문과 측면 패널이 가장 먼저 완성됐다.

사진=Stratasys

현재 나머지 차체 패널도 Stratasys에서 제작하고 있다.

Kor는 “첫 번째 자동차를 만든 것만으로도 대단한 성과다. 두 번째 시제품은 Stratasys 프린터 성능에 맞게 설계할 예정이다. 프린터 성능을 최대로 활용하고 싶다”는 바람을 피력했다.

차 내부와 외부 모두를 설계하고 필요한 곳에만 플라스틱을 쓰겠다는 의미로 보인다.

앞으로 만들 Urbee의 펜더를 새의 골격과 비교하기를 좋아하는 Kor는 “새 골격의 단면도를 보면, 힘이 필요한 곳에만 뼈가 있는 것을 알 수 있고 뼈대 모양이 마치 복잡한 망 같은 형태를 띠고 있다. FDM 이야말로 새 골격을 흉내 낼 수 있는 유일한 공정”이라고 부언설명했다.

이런 특성은 극히 가벼우면서도 튼튼한 제품을 만들 때 중요한 요소로 등장한다. Urbee의 펜더가 좋은 예다.
Kor는 현재 펜더가 일정한 두께로 제작되고 있지만 여기에는 불필요한 재료가 많다. 자동차를 비효율적으로 만들고, 환경 폐기물을 더하기만 할 뿐이라고 지적했다.

그는 “Stratasys는 펜더를 제작할 때 필요한 곳에만 플라스틱을 쓸 수 있다. 환경도 지킬 수 있고 비용도 절감할 수 있는 데다가 안전성을 저해하지도 않는다. 필요하지 않은 곳에는 재료를 쓰지 않으면 된다”고 강조했다.
FDM 기술 덕분에 개발 과정 중에도 Urbee의 설계를 쉽고 효과적으로 변경할 수 있게 됐고 툴링과 가공 작업, 수작업을 제거해서 친환경이라는 목표도 충족할 수 있게 된 셈이다.

툴링 없이 시험 실행을 할 수 있다는 것이 스트라타시스의 강점인 드러나는 대목이다.

현재 Urbee 프로젝트의 진행 비용은 대부분 자체적으로 자금을 조달하고 있지만, KOR 팀은 두 번째 시제품을 제작할 자금을 마련 중인 것으로 알려졌다.

자금이 마련되면 다음 Urbee를 제작하는 데 1년이 걸릴 것으로 예상된다.

Kor는 3D 프린팅의 속도에 경탄하면서 “며칠이나 몇 주 만에 차체 부품을 만들어 내는 건 상당히 빠른 속도다. 다른 방법을 사용하면 몇 달은 더 걸릴 것”이라며 “자동차 모델을 컴퓨터 파일로 가지고 있기만 하면, 사실 디자이너 입장에서 차체를 3D 프린팅하는 것은 거의 힘이 들지 않는 작업이다. 파일만 보내고 잠깐 기다리면 '짠!'하고 차체 패널이 완성돼 나올 정도여서 어떤 공정도 따라올 수 없는 속도”라고 덧붙였다.