3D 프린터를 이용한 BMW MINI의 커스터마이징

고객 개별 제품 및 개별 생산은 적층 가공을 통해 실현하고자 하는 꿈이다. 이를 위해 BMW가 MINI 시리즈로 파일럿 프로젝트를 시작하였다. 그런데 고객들이 몰려오기도 전에 도전 과제에 직면하였다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

BMW 고객들은 2018년부터 자신의 MINI 자동차를 출고 시에 개별적으로 꾸밀 수 있게 되었다. 웹사이트 MINI Yours Customised를 통해 사이드 스커틀(side scuttles)과 조수석 측 트림을 개별 디자인하여 주문할 수 있으며, 추후 장착도 가능하다. 고객이 주문을 전송하면 데이터가 바로 생산 부서로 전달된다. 지금까지는 아직 이 모든 것이 독일에서 제작되지만, 납품망 최적화를 위해 분산 생산을 계획하고 있다. 지금도 이 커스터마이징 부품을 몇 주 만에 받을 수 있고, 자신이 직접 장착하거나 서비스 업체를 통해 장착할 수도 있다.

BMW에 따르면 고객이 직접 부품을 장착할 수 있다고 한다.

이는 간단해 보이고 매우 개별적이지만 고객의 모든 요건을 충족시키지는 못한다. 무엇보다 브랜드 네임과 로고와 같은 법적인 요구에는 유의해야 한다. 디자인을 위해 다양한 색상, 표면 스트럭처, 아이콘은 각 디자인 월드에서 직접 선택할 수 있습니다.(Dr. 도미니크 리첼) 도미니크 리첼은 BMW 그룹 적층 가공 센터에서 비금속 분야를 책임지고 있다. 사전에 정해진 디자인은 자유롭게 디자인할 수 있는 텍스트로 보완할 수 있다. 리첼은 불쾌감을 주거나 차별적인 문구는 허용되지 않습니다.라고 강조하였다. 브랜드 권리를 훼손하거나 법적으로 보호되는 개념을 포함하는 내용은 허용되지 않는다. 예를 들면 좋아하는 스포츠 클럽의 로고는 부착하고 다닐 수는 없다. 하지만 국적은 나타낼 수 있다. 현재 국가별 에디션을 제공하고 있습니다.(리첼)

최적의 구성품 생산을 위한 세 가지 방법

웹사이트에서 색상, 표면 조직 그리고 아이콘을 선택할 수 있으며, 고객이 직접 자신만의 문구를 입력할 수 있다.

디자인이 작성되면 데이터는 3D 프린터로 제공된다. BMW는 분말 베드법으로, 정확하게 말하자면, 레이저 소결 기계(SLS), 멀티젯 용융 프린터 그리고 수지 베이스법 CLIP(Continuous Liquid Interface Production, 아래 상자 참조)으로 작동한다. CLIP 가공은 2016년 BMI i 벤처가 투자한 Carbon사가 개발하였다. CLIP 가공은 뛰어난 디테일 충실도 때문에 사이드 스커틀에 사용하고 있습니다. 분말 베드를 기반으로 하는 SLS와 멀티젯 용융법은 인테리어 트림에 사용합니다. 따라서 각각의 방법은 서로 다른 장점을 지니고 각 구성품 생산의 요건에 맞추어져 있다. 당사는 부품 업체들과의 전략적 제휴를 통해 이러한 목적에 맞게 생산 시스템을 만들었습니다.”(리첼) BMW 또는 MINI의 표준 콤포넌트의 생산성 및 기능에 부응하는 생산성과 기능을 보장하기 위해 테스트를 실시하였다. 그에 따라 모든 방법 별로 테스트 방법과 승인 프로세스도 조정하고 부분적으로 자체적으로 개발했으며, 이를 내부 표준으로 만들었습니다.(리첼) 이렇게 코팅된 부품의 디자인에서 납품까지 전체 프로세스 체인이 BMW 품질 표준에 부응한다고 한다.

내부 고객 주문 시스템부터 외부 고객 주문 시스템까지

BMW에서도 적층 가공은 자동화와 수동 작업 중간에 위치한다.

이제 시스템과 방법이 회사가 요구하는 표준에 부응한다. 하지만 실질적인 도전은 이제부터 시작이다. 어떤 MES로 적층 공정 체인이 작동할 것이며, BMW는 어떻게 완성 구성품을 고객에게 맞게 배정할 것인가?

새로운 기술에 대한 기존 IT 인프라가 없었고 요건에 상응하는 MES가 BMW에 없었다. 따라서 임시변통으로 내부에서 사용하는 프로토타입용 고객 주문 시스템을 수정했다. 이러한 과정은 나름 의의가 있었다. 프로토타입 역시 개별 구성품이기 때문이다. 주문 절차를 위해 프로그램을 적절히 수정하여, 개별 부품, 품질 데이터, 그 뒤에 있는 프로세스에 대한 데이터 세트를 매핑하고 아카이브 저장할 수 있어야 했다.

아직 구성품 식별이 남아 있다. 마지막으로 하나의 기계에서 여러 주문을 한 번에 프린트하고 각 고객이 자신이 주문한 부품을 받아야 했다. 따라서 웹 기반 주문 프로그램에서 이미 부품 별 ID뿐만 아니라 기계가 판독 가능한 코드가 데이터 세트에 할당된다. 이를 분말 베드법으로 제작하는 부품에 적용하는 방법은 후처리로 하거나 조형 공정에서 바로 하거나 두 가지 방법이 있다. 후처리 공정으로 적용하는 경우 BMW 직원들에게 애로사항이 많을 것이다. 항상 어느 부품이 어떤 고객 주문에 속한 것인가 하는 질문에 직면할 것이기 때문이다. 추가적으로 많은 시간을 허비하게 하는 하나의 사전 프로그래밍된 오류 원인이다.

따라서 구성품 ID와 코드는 직접 함께 프린트한다. „우리는 쉽게 조합하고 수정할 수 있는 솔루션에 집중적으로 매달렸습니다. 오늘날 IT 환경에서 점차 3D 프린팅을 위함 기술이 열리는 것을 목격하고 있습니다. 그런 점에서 기쁘게 생각합니다. 적층 가공의 잠재력을 십분 활용할 수 있게 되기 때문입니다.“ (리첼)

적층 가공의 현재 수준과 달리 자동차 산업에서 자동화 수준은 매우 높다. 미니 개별 부품의 주문 프로세스와 구성품 식별은 이러한 수준을 충족한다. 그렇지만 조형 프로세스를 보면, BMW도 아직 3D 프린팅 영역에서 자동화 제작을 기다리고 있다. 이와 관련하여 모든´3D 프린팅 기술에서 자동화를 달성하는 것이 합리적인 것은 아닙니다라고 리첼은 인정한다. 자동화하는 것이 합리적인 곳을 자동화한다. 자동화 수준은 각 식별 표지의 생산 시간에 크게 좌우됩니다. 우리는 프로세스뿐만 아니라 기계 부하를 시뮬레이션 하고, 이후 잠재력을 자동화 측면에서 함께 살펴봅니다. 목적은 항상 수동 방식과 자동화된 방식에 대한 전략을 도출하는 것입니다. (리첼)

완전 자동화가 이루어진 경우라면 BMW는 구성품의 디지털 트윈도 제공하였다. 디지털 트윈은 이미 가치 흐름의 시뮬레이션과 몇몇 자동화 단계에 사용하고 있다. 자동 품질 점검에도 디지털 트윈이 장점을 갖는다. BMW는 MINI 커스터마이징 부품에 육안 검사와 구성품 측정과 같은 표준화된 검사 방법을 사용한다.

소재에도 역량을 이용하다

적층 가공을 위해 특수 재료를 제작한다. 기계에서 가공하려면 사출 성형 경우와는 다른 기술적 사양이 필요하고, 방법에 따라 프린팅 후 또 다른 특성이 나타나기 때문이다. 따라서 BMW는 개별 맞춤 부품에 대해 정확하게 동일한 소재를 사용할 수 없다. 우리에게는 소재 과학자와 설계자 그리고 공정 전문가들과 학제간 협업을 해야 하는 도전 과제가 있습니다.(리첼) 하지만 사용하는 재료 PA11은 폴리우레탄이며 따라서 종래 방식으로 제작하는 MINI의 요소를 구성하는 동일한 재료군에 속한다. 적층 가공의 플러스 요소는 BMW가 사용하는 재료 중 남는 재료의 일정량을 재사용할 수 있다는 점이다. 우리는 분말의 대부분을 다시 생산 사이클로 돌려보내고 이를 새로운 재료로 보완합니다.(리첼)

BMW는 새로운 재료와 부품의 사용 영역을 테스트하고 그리고 성공적으로 테스트 한 후 승인하기 위해 부서를 초월하여 협업해야 했다. 거기서 얻은 인식은 내부적으로 표준화하고, 앞으로 다른 프로젝트를 이행하기 위해 사용합니다.(리첼) 그는 어떤 프로젝트가 될지는 밝히려 하지 않았다.

MM 용어

클립은 Carbon 3D가 개발한 플라스틱에 대한 적층 가공법이다. Clip은 Continuous Liquid Interface Production(연속액체계면생산)을 뜻한다. 특별한 점은 개별 층이 프린트된 후 합쳐지는 것이 아니라, 대상이 전체 형태대로 만들어진다는 점이다. 이를 통해 기계 구성품을 100배 더 빠르고 뛰어난 고품질로 프린팅할 수 있다고 Carbon 3D는 설명한다. 움직이는 조형 플랫폼 아래에서 자외선으로 용융되고 동시에 경화되는 인공 수지가 프린팅 된다. 조형판과 수지 아래에는 산소가 방출되는 창이 있다. 이 창은 수지가 너무 빨리 경화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 산소 공급이 제어되면서 창과 대상 사이에서 경화되지 않은 얇은 수지층이 형성되는 „데드존“(dead zone)이 만들어진다. 이런 방식으로 정지하지 않고 수지 재질의 대상이 형성할 수 있다. 조형 플랫폼이 형성되는 구성품을 위로 끌어 올리는 동안, 추가의 수지가 측면에서 공급된다.