3D Spark 소프트웨어의 도구를 사용하여 팀은 생산 비용에 영향을 미치는 다양한 요소를 분석했습니다. 이러한 요소 중 일부는 부품에 특정한 것이고, 다른 일부는 공정에 특정한 것입니다. 예를 들어, 서포트를 최소화하고 제작 가능한 표면을 최대화하도록 부품 방향을 조정하는 것이 있습니다.
이러한 도구는 경첩 부위의 힘을 시뮬레이션하여 영향이 거의 없는 재료를 제거할 수 있습니다. 그 결과 무게가 35% 감소합니다. 재료가 적게 사용되면 출력 시간이 단축되어 비용도 더욱 절감됩니다.
솔직히 말해서, 그들이 하는 일은 3D 프린팅에 종사하는 사람이라면 누구에게나 새로운 것이 아닐 겁니다. 부품을 합리적인 방식으로 배치하는 것은 당연한 이치입니다. 3D 프린팅과 기존 제조 방식 모두에서 폐기물을 제거하는 것을 우리는 이미 보아왔습니다. 가장 흥미로운 점은 이러한 최적화를 자동화하는 데 도움이 되는 도구를 사용하는 것입니다. 소프트웨어 가격이 얼마나 될지는 알 수 없고, 취미용 3D 프린팅 시장을 겨냥한 것은 아닐 거라고 짐작합니다. 하지만 무엇을 할 수 있을지 궁금하다면, 약간의 노력과 기존 소프트웨어를 이용한 모델링을 통해 비슷한 결과를 얻을 수 있을 거라고 생각합니다.
이론적으로 유한 요소 해석을 수행할 수 있는 모든 도구는 제거해야 할 재료를 판별할 수 있어야 합니다. 우리는 자동차 제조업체들이 3D 프린팅을 활용하고 있다는 사실을 알게 되었습니다.
"이러한 도구들은 힌지 부분의 힘을 시뮬레이션하여 큰 영향을 미치지 않는 재료를 제거할 수 있습니다. 저는 엔지니어는 아니지만, 이 글을 읽고 유한 요소 해석이 떠올랐습니다. 그리고 마지막에서 두 번째 문장에서 당신을 봤습니다. 제가 언급했었죠. 물론 자동차 제조업체들은 이미 그렇게 하고 있습니다. 어떻게 비교해야 할까요? 이 모델은 일반적인 사용 환경뿐만 아니라 비상 상황에서도 힘을 발휘할 수 있을까요?"
모든 모서리, 골짜기, 모서리 가공에는 가공 시간과 공구 마모가 발생합니다. 추가적인 공구 교체가 필요할 수 있으며, 다른 표면을 가공할 때는 여러 개의 포켓을 만들 수 있도록 부품을 가공하고 다시 부착해야 할 수도 있습니다. 단, 모든 면에 적절한 공구 마모가 발생할 수 있다는 전제 하에 말입니다.
부품을 최적의 각도로 돌리려면 더 많은 회전 각도를 가진 기계를 사용하면 될 것 같은데… 비용이 얼마나 들까요?
3D 프린팅은 일반적으로 형태에 대한 제약이 없으므로 복잡한 부품도 간단한 부품처럼 쉽게 제작할 수 있습니다.
반면에 전통적인 절삭 가공의 장점은 재료가 등방성을 띠는 경향이 있어 모든 방향으로 강도가 동일하고, 내부 평면이 없기 때문에 불량 소결로 인한 접합 불량 문제를 걱정할 필요가 없다는 것입니다. 또한 (저렴한 공정인) 압연 공정을 거쳐 우수한 결정 구조를 얻을 수도 있습니다.
모든 3D 프린팅 방식에는 형상 제한이 있습니다. SLM 방식도 마찬가지입니다. 하지만 예상하시다시피, SLM의 등방성 특성은 그다지 중요하지 않습니다. 매일 사용되는 장비와 공정은 매우 일관된 결과물을 제공하기 때문입니다.
하지만 가격 책정 자체는 또 다른 문제입니다. 항공우주 산업에서 3D 프린팅이 진정한 경쟁력을 갖추기는 어렵습니다.
제 생각에는 항공우주 산업은 금속 3D 프린팅 비용을 정당화할 수 있는 몇 안 되는 분야 중 하나입니다. 초기 제조 비용은 항공우주 제품 비용의 극히 일부에 불과하며, 무게가 매우 중요한 요소이기 때문에 3D 프린팅의 장점을 쉽게 활용할 수 있습니다. 복합재 부품의 품질 보증에 드는 엄청난 비용과 비교했을 때, 숙련된 프린팅 공정과 중요 치수 검사를 통해 실질적인 비용 절감을 실현하고 업계에 새로운 바람을 불어넣을 수 있습니다.
가장 확실한 예는 오늘날 로켓 엔진에 사용되는 모든 부품을 3D 프린팅하는 것입니다. 복잡한 파이프라인에서 품질 불량의 원인을 많이 제거할 수 있을 뿐 아니라, 리턴 라인 손실과 무게도 줄일 수 있습니다. 엔진 노즐 중 일부(슈퍼드라코 엔진일지도 모르겠습니다)도 3D 프린팅으로 제작되는 것으로 알고 있습니다. 보잉 항공기에 사용되는 금속 브래킷에 3D 프린팅 기술이 적용되었다는 소식도 어렴풋이 기억납니다.
해군의 새로운 재머와 같은 신제품에는 3D 프린팅으로 제작된 브래킷이 많이 사용될 수 있습니다. 위상 최적화 부품의 장점은 강도 분석이 설계 과정에 통합되고 피로 분석이 직접적으로 연결된다는 점입니다.
하지만 DMLS와 같은 기술이 자동차 및 제조업 분야에서 실제로 널리 보급되기까지는 시간이 걸릴 것입니다. 무게는 그 분야에서는 훨씬 덜 중요한 요소입니다.
유압/공압 매니폴드에서 특히 유용하게 사용됩니다. 수축 포장을 위한 곡선형 채널과 홈을 만들 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 또한, 인증을 위해서는 100% 응력 테스트를 거쳐야 하므로 큰 안전 계수가 필요하지 않습니다 (응력이 상당히 높기 때문입니다).
문제는 많은 기업들이 SLM 프린터를 보유하고 있다고 자랑하지만, 실제로 제대로 활용하는 기업은 드물다는 점입니다. 이러한 프린터는 주로 신속 프로토타이핑 용도로만 사용되고 대부분의 시간은 유휴 상태로 있습니다. SLM 기술은 아직 새로운 분야로 여겨지기 때문에, 프린터의 가치는 급격히 하락하여 5년 안에 폐기될 것으로 예상됩니다. 즉, 실제 구매 비용은 매우 저렴할 수 있지만, 대량 생산을 위한 적절한 가격을 받기는 매우 어렵다는 뜻입니다.
또한, 출력 품질은 재료의 열전도율에 따라 달라지는데, 알루미늄은 표면 거칠기를 유발하여 피로 성능 저하를 초래할 수 있습니다 (물론, 매니폴드를 설계할 때 피로 성능을 고려한다면 표면 거칠기는 필수적이지 않습니다). 또한, TiAlV6는 출력 품질이 우수하고 기본 등급 5보다 강도가 높지만, 시중에는 주로 AlSi10Mg 형태로 공급되는데, 이는 강도가 그리 높지 않은 합금입니다. T6는 동일 재질의 주조에는 적합하지만 SLM 부품에는 적합하지 않습니다. 스칼말로이(Scalmaloy)는 훌륭한 소재이지만 라이선스를 구하기 어렵고, 제공하는 업체가 적습니다. 얇은 벽 두께의 티타늄(Ti)을 사용하는 방법도 있습니다.
대부분의 회사들은 3D 프린팅 부품을 가공하는 데 엄청난 비용과 20개의 샘플, 심지어는 첫째 아이까지 요구합니다. 기능적으로는 수년간 엄청난 비용과 시간을 들여 만들어 온 기계 가공 주조 부품과 본질적으로 동일하지만, 그들은 3D 프린팅 부품이 마법과 같다고 생각하고 고객들은 그들이 돈이 많다고 여깁니다. 또한, AS9100 인증을 받은 회사들은 일반적으로 일감이 부족하지 않고 오랫동안 해 온 일을 즐기며, 그 일을 통해 돈을 벌 수 있고 비행기 추락 사고 같은 심각한 문제에 휘말리지 않을 것이라는 것을 알고 있습니다.
네, 맞습니다. 항공우주 산업은 SLM 부품의 이점을 누릴 수 있고, 실제로 일부 기업은 이를 활용하고 있습니다. 하지만 항공우주 산업의 특성과 서비스를 제공하는 기업들의 관행이 70년대에 머물러 있어 어려움이 있습니다. 그나마 눈에 띄는 발전은 엔진 분야에서만 나타나고 있는데, 3D 프린팅 연료 분사기가 보편화되었습니다. 저희 입장에서는 ASML과의 부품 공급 확보 경쟁이 매우 힘겨운 싸움입니다.
P-51D 스테인리스강으로 3D 프린팅 가능한 배기 파이프. https://www.3dmpmag.com/article/?/powder-bed-systems/laser/a-role-in-military-fleet-readiness
가공 비용과 관련된 다른 요인으로는 박리 및 증발로 인한 냉각수 손실 관리가 있습니다. 또한, 칩 처리도 필수적입니다. 대량 생산에서 칩 발생량을 줄이면 상당한 비용 절감을 가져올 수 있습니다.
이는 흔히 위상 설계라고 불리며, 짐작하시겠지만 유한 요소 해석(FEA) 위에 추가되는 또 다른 수준의 분석입니다. 이러한 기법은 관련 도구들이 더욱 쉽게 접근 가능해짐에 따라 최근 몇 년 동안에야 비로소 널리 사용되기 시작했습니다.
프라운호퍼라는 이름이 보이면, 그것은 특허를 받은 것이며 메이커 커뮤니티는 앞으로 오랫동안 그 이름을 사용할 수 없게 될 것입니다.
다시 말해, 저희는 보증 기간이 만료되는 즉시 차량을 교체받을 수 있도록 하는 새로운 방법을 개발했습니다.
가벼운 문 경첩과 차를 통째로 쓰레기통에 버리게 만드는 사악한 음모 사이에 무슨 연관성이 있는지 모르겠네요.
피로 수명 분석은 중요한 요소이지만, 재료 강도만 최적화하면 결국 제대로 작동하지 않는 부품이 만들어질 것입니다.
설령 일부러 약하게 설계했다고 해도, 보증 기간이 끝난 직후에 금방 고장 나지는 않을 겁니다. 그냥 경첩일 뿐이고, 게다가 새 부품이니까요. 차 전체를 버려야 할 가능성도 낮고요. 차 수명 동안 교체할 차가 있을 겁니다. 차 전체적으로는 아직 괜찮지만, 싸고 쉽게 교체할 수 있는 부품이 마모된 것뿐이니까요. 뭐, 새삼스러운 일도 아니죠.
실제로 안전 기준 등을 충족시키기 위해 대부분의 자동차 프레임/차체/시트처럼 일반적인 사용 환경에서 발생하는 스트레스를 고려하여 대대적인 재설계를 거치는 경우가 많습니다. 해당 지역 법률에 의해 요구되는 경우가 아니라면 판매 시점에 관련 정보를 제공할 필요가 없습니다.
"단순한 경첩일 뿐"이라고 생각할 수도 있지만, 이는 특정 수명에 맞춰 부품을 설계하는 좋은 예이기도 합니다. 자동차의 나머지 부분에 이러한 방식을 적용하면 시간이 지남에 따라 차는 고철 덩어리가 되어버릴 것입니다.
이 스캔들은 그들이 빈번하게 (MP3를 쓰시는군요!) 특허를 보호하려는 행위의 결과입니다.
미국 경제 전체가 그런 "칩" 위에 세워져 있습니다. 어떤 기준으로 보면 제대로 작동하는 것 같기도 하네요 :-/.
프라운호퍼 연구소는 응용 연구뿐만 아니라 기초 연구까지 포함하여 수많은 과학 연구를 수행했습니다. 이러한 연구에는 항상 비용이 따릅니다. 특허와 라이선스 없이 연구를 진행하려면 정부 지원금을 더 많이 제공해야 합니다. 하지만 라이선스와 특허가 있으면 다른 나라 사람들도 해당 기술의 혜택을 받기 때문에 비용의 일부를 부담하게 됩니다. 게다가 이러한 모든 연구는 산업의 경쟁력을 유지하는 데 매우 중요합니다.
웹사이트에 따르면, 세금의 일부는 약 30%(Grundfinanzierung, 기초자본조달세)이고, 나머지는 다른 회사들도 이용할 수 있는 여러 출처에서 발생합니다. 특허 소득도 아마 그 70%에 포함될 것이므로, 이를 고려하지 않으면 개발 규모가 줄어들거나 세금이 더 많이 부과될 것입니다.
알 수 없는 이유로 스테인리스강은 차체, 엔진, 변속기 및 서스펜션 부품에 사용이 금지되고 인기가 없습니다. 스테인리스강은 고가의 배기 파이프에서만 찾아볼 수 있는데, 그마저도 마르텐사이트계 AISI 410 같은 저급 재질입니다. 제대로 된 내구성 있는 배기 파이프를 원한다면 AISI 304/316 같은 스테인리스강을 직접 만들어야 합니다.
그래서 그런 부품들의 구멍들은 결국 젖은 흙으로 막히게 되고, 부품들은 아주 빠르게 녹슬기 시작할 겁니다. 이 부품들은 최대한 가볍게 설계되었기 때문에, 녹이 슬면 곧바로 제 기능을 못할 정도로 약해지게 됩니다. 문 경첩이나 덜 ​​중요한 내부 지지대 또는 레버 같은 부품이라면 그나마 괜찮겠지만, 서스펜션 부품이나 변속기 부품 같은 중요한 부품이라면 큰 문제가 될 겁니다.
추신: 혹시 습기, 제빙제, 먼지에 심하게 노출된 스테인리스 스틸 차량을 아시는 분 계신가요? 차체 대부분이 스테인리스 스틸로 되어 있다면 어떤 가격이든 구할 수 있을 겁니다. 드로리안에 대해서는 알고 있지만, 아쉽게도 외장 패널만 스테인리스 스틸이고 차체 구조 전체나 다른 중요한 부분은 그렇지 않더라고요.
스테인리스 스틸 차체/프레임/서스펜션/배기 시스템을 갖춘 차라면 더 비싼 값을 지불할 의향이 있지만, 그만큼 가격적인 불리함이 따르겠죠. 스테인리스 스틸은 재질이 더 비쌀 뿐만 아니라 성형과 용접도 더 어렵습니다. 엔진 블록이나 실린더 헤드를 스테인리스 스틸로 만드는 건 별 의미가 없을 것 같네요.
게다가 매우 어렵습니다. 오늘날의 연비 기준으로는 스테인리스강을 사용할 이유가 전혀 없습니다. 스테인리스강으로 대부분 제작된 자동차의 탄소 배출량을 상쇄하고 소재의 내구성이라는 이점을 되찾으려면 수십 년이 걸릴 것입니다.
왜 그렇게 생각하세요? 스테인리스강은 밀도는 같지만 강도가 약간 더 높습니다. (AISI 304 – 8000 kg/m³ 및 500 MPa, 945 – 7900-8100 kg/m³ 및 450 MPa). 동일한 판 두께라면 스테인리스강 차체는 일반 강철 차체와 무게가 같습니다. 그리고 도색이 필요 없으니 프라이머/페인트/바니시를 추가로 칠할 필요도 없죠.
네, 일부 자동차는 알루미늄이나 티타늄으로 만들어져 가볍지만, 주로 고급차 시장에 속하며 소비자들은 매년 새 차를 사는 데 아무런 문제가 없습니다. 게다가 알루미늄도 녹이 슬기 쉬운데, 어떤 경우에는 강철보다 더 빨리 녹기도 합니다.
스테인리스강은 성형이나 용접이 결코 어렵다고 할 수 없습니다. 오히려 용접하기 가장 쉬운 재료 중 하나이며, 일반 강철보다 연성이 뛰어나 더욱 복잡한 형태로 성형할 수 있습니다. 시중에서 흔히 볼 수 있는 냄비, 싱크대, 기타 스테인리스강 스탬핑 제품들을 살펴보세요. AISI 304 스테인리스강으로 만든 대형 싱크대는 일반 강철 포일로 만든 앞 펜더보다 훨씬 저렴하고 정교한 모양을 가지고 있습니다. 고품질 스테인리스강을 사용하면 일반 금형으로 차체 부품을 쉽게 성형할 수 있으며, 금형의 수명도 더 깁니다. 소련 시절에는 자동차 공장에서 일하는 사람들이 공장 설비를 이용해 스테인리스강 차체 부품을 만들어 자동차에 장착하기도 했습니다. 지금도 스테인리스강으로 만든 하부, 트렁크, 펜더가 있는 구형 볼가(GAZ-24)를 찾아볼 수 있습니다. 하지만 소련 붕괴 이후에는 이러한 작업이 불가능해졌습니다. 이유는 알 수 없지만, 이제는 아무도 스테인리스강으로 돈을 주고 부품을 만들어주려 하지 않습니다. 서구 또는 개발도상국 공장에서 스테인리스강 차체 부품을 생산한다는 이야기도 들어본 적이 없습니다. 제가 찾을 수 있었던 건 스테인리스 스틸 지프뿐이었는데, 제 기억으로는 스테인리스 스틸 패널은 공장에서 만든 게 아니라 수작업으로 제작된 거였어요. 또 다른 이야기로는 WV 골프 Mk2 팬들이 클로커홀름 같은 애프터마켓 업체에 스테인리스 스틸 펜더를 대량 주문하려고 했는데, 이 업체들은 보통 일반 강철로 펜더를 만든다고 합니다. 그런데 모든 업체들이 가격에 대한 얘기조차 꺼내지 않고 스테인리스 스틸 관련 이야기는 일절 하지 않았다고 해요. 그래서 이 분야에서는 아무리 돈을 써도, 심지어 대량으로라도 주문하는 건 불가능합니다.
맞아요, 그래서 목록에 엔진을 언급하지 않은 거예요. 녹은 엔진의 주요 문제가 아니거든요.
스테인리스 스틸이 더 비싼 것은 사실이지만, 스테인리스 스틸 케이스는 도색이 전혀 필요 없습니다. 도색된 차체 부품의 비용은 부품 자체보다 훨씬 높습니다. 따라서 스테인리스 스틸 케이스는 녹슨 부품보다 저렴할 수 있으며 거의 ​​영구적으로 사용할 수 있습니다. 차량의 마모된 고무 부싱과 조인트만 교체하면 새 차를 살 필요가 없습니다. 필요하다면 엔진을 더 효율적인 엔진이나 전기 모터로 교체할 수도 있습니다. 새 차를 만들거나 오래된 차를 운행할 때 폐기물이 발생하지 않고 불필요한 환경 파괴도 없습니다. 하지만 어째서인지 이러한 친환경적인 방법은 환경 운동가들과 제조업체들의 관심 목록에 전혀 포함되지 않고 있습니다.
1970년대 후반, 필리핀의 장인들은 지프니용 새 스테인리스 스틸 차체 부품을 수작업으로 제작했습니다. 원래 이 지프니들은 제2차 세계 대전과 한국 전쟁에서 남은 지프를 재활용하여 만들어졌지만, 1978년경에는 승객을 많이 태우기 위해 뒷부분을 늘릴 수 있다는 이유로 모두 폐기되었습니다. 그래서 처음부터 새 지프니를 제작해야 했고, 차체가 녹스는 것을 방지하기 위해 스테인리스 스틸을 사용해야 했습니다. 염수로 둘러싸인 섬나라 필리핀에서는 이러한 방식이 매우 유용했습니다.
스테인리스강판은 하이텐강과 동등한 소재가 없습니다. 이는 안전에 매우 중요한 요소이며, 이 특수강을 사용하지 않은 중국산 자동차에 대한 초기 유로NCAP 테스트 결과를 떠올려 보십시오. 복잡한 부품에는 GS 주철이 최고입니다. 저렴하면서도 주조성이 뛰어나고 녹에 강하기 때문입니다. 하지만 결정적인 문제는 가격입니다. 스테인리스강은 정말 비쌉니다. 스포츠카의 경우 비용이 문제가 되지 않는다는 점을 고려하면 좋은 예시이지만, 폭스바겐에는 전혀 해당되지 않습니다.
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