MAN, 대형 엔진 제작에 활용되는 적층 기술

MAN이 대형 엔진 제작에 적층 가공과 절삭 가공을 조합한 하이브리드 잠재력을 활용할 방법을 연구하고 있다.

페터 트레코프(Peter Trechow): 자유 기고가

핵심 내용

  • 관건은 적합한 기술, 올바른 적용 사례 그리고 조직이다.
  • 기본 몸체는 비용 절감을 위해 절삭 가공으로 제작한다.
  • 적층 가공은 필요한 곳에만 사용하는 것이 합리적이다.

대형 엔진은 생산 개수는 많지 않지만 열적 또는 화학적 부하를 받는 특수 부품 비율이 높고, 대체 부품은 수십 년 동안 사용할 수 있어야 한다. 이러한 특성으로 인해 대형 엔진은 적층 기술을 사용하기에 적합한 분야이다. 그런데 적층 가공이 과연 수익을 낼 수 있을까?

MAN Energy Solutions와 프라운호퍼 IGCV의 협력

독일 아우크스부르크의 MAN Energy Solutions는 프라운호퍼 주조, 복합 재료 및 가공 기술(IGCV) 연구소의 지원을 받아 적층 가공의 사용 가능성을 타진하고 있다. “우리는 대형 엔진 제작을 위한 적층 기술 로드맵을 개발하고 있으며, 적합한 기술과 유망한 적용 사례 외에 산업적 적층 기술과 관련한 조직적 문제에 초점을 맞추고 있습니다.”라고 마티아스 슈넥이 언급하였다. 마티아스 슈넥은 프라운호퍼 IGCV 연구 직원이며 동시에 MAN Energy Solutions에서는 적층 기술 생산 셋업 부문에 관여하고 있다.

프라운호퍼 연구소는 적층 가공 그룹 리더인 마티아스 슈미트가 이끌고 있다. “관건은 잠재력과 도전을 전체적으로 보는 것입니다. 많은 사용자들이 적층 가공을 시작할 때에 기술적 문제만 염두에 두고 있기 때문에 줄곧 막다른 골목에 다다르곤 합니다.”(마티아스 슈미트) 대형 엔진 엔지니어링은 이런 오류를 되풀이하지 않아야 한다. 연구원들은 경제성 문제에 포커스를 맞춰, 기능 상 장점과 신뢰성, 수명 증대, 재료비 축소 등 적층 가공이 부가 가치를 약속하는 모터 구성 요소를 찾아냈다. 이 제품들은 비용 효율적으로 제작하는 것이 중요하다. “적층 가공은 주조와 절삭 가공에 비해 비용이 많이 들어갑니다. 따라서 기존의 절삭 가공으로 제조되는 기본 몸체에 기능 영역을 적용하기 위해, 적층 가공법을 활용한 하이브리드 제조에 관심을 두고 있습니다.”(마티아스 슈넥) 하이브리드 제조법은 적층 가공으로 제조 부피를 줄이고 생산 단가를 낮출 수 있다.

다양한 금속 적층 가공

연구원들은 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)과 레이저 용접 그리고 분말 베드의 레이저 용융(SLM) 등 다양한 금속 적층 가공법을 고려하고 있다. 하이브리드 방식으로 제조하기 위해서는 냉각 채널과 다른 구조물이 정확하게 연결하여야 한다. 따라서 기존 방식으로 제조되는 기본 몸체를 조형 공간에 정밀하게 배치하는 것이 중요하다. 예를 들어 기본 몸체의 구멍이 적층 가공되는 기능 영역으로 매끄럽게 연결하고, 엔진 작동 중 높은 열적 부하가 발생하는 그곳에서 윤곽선을 따라 분기하게 된다. 이 프로젝트에서 이런 문제를 해결하기 위한 접근법은 기본 몸체에 잘 맞는 유연한 클램핑 시스템이다.

적층 가공은 특수한 곳에만

로드맵의 목적은 생산성과 비용 측면을 놓치지 않고 적층 가공의 기술적 잠재력을 완전하게 활용하는 것이다. 다양한 재료를 사용해야 하는 경우가 이에 해당한다. 이런 경우 관건은 경계 면을 최대한 적합하게 연결해야 하고, 값비싼 재료로 구성되어 내마모성이 높은 기능 층에 적층 가공을 목적에 맞게 적용해야 한다. 마티아스 슈넥과 마티아스 슈미트는 복잡한 구성 요소와 대체 부품 그리고 엔진 마모의 수리에 적층 가공법을 적용할 수 있다고 강조하였다. “형상이 복잡하고 재료가 값비싼 기능 영역을 적층 기술로 가공하여 전체 비용을 낮출 수 있습니다. 디자인 자유와 다양한 변형 그리고 개별화 능력을 적극 활용해야 합니다.”(마티아스 슈미트) 일반적으로 엔진 수명은 30 ~ 40년, 7일 24시간 작동한다고 볼 때 신뢰성과 대체 부품의 신속한 공급이 매우 중요하다.

대체 부품을 적층 가공으로 대체하는 것도 이상적이다. 또한 에너지 영역에서 강화되는 규제와 점점 빨라지는 혁신 사이클에 유연하게 대처하기 위해 적층 가공을 활용하는 것도 바람직하다. “이에 대한 분명한 의지가 있고 조직적으로 통합된 경우에 적층 가공을 활용할 수 있습니다.”(마티아스 슈넥)

전체적인 구성

조직적 차원의 스펙트럼은 내부 노하우의 구성과 전달에서 적층 가공의 생산-또는-구매(make-or-buy) 그리고 설계, 재료 개발 및 제조 부문의 긴밀한 협력, 해당 분야 업체들의 적층 가공된 부품 수락 문제까지 이른다. “처음에는 한두 곳의 적층 가공 전문업체면 충분합니다. 하지만 사용자는 장기적으로 적층 가공과 하이브리드 제조법의 잠재력 그리고 비용에 관해 널리 확산되도록 관심을 가져야 합니다”라고 마티아스 슈넥은 강조하였다.

VDMA AG Additive Manufacturing

MAN Energy Solutions와 프라운호퍼 IGCV는 VDMA의 연구 그룹 “Additive Manufacturing” 회원이다. 이 연구 그룹 내에서 약 150개 기업과 연구 기관이 독일 기계 시스템 제조 협회(VDMA)에서 함께 연구하고 있다.