적층 가공으로 전기 자전거 완성하기까지

Urwahn는 오랫동안 전기 자전거 구상에 따른 적층 가공법을 찾아왔다. 많은 시행착오를 통해 현재는 설계 노하우와 짧은 납품 경로로 전기 자전거를 제작하고 있다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

  • Urwahn는 8년 전부터 전기 자전거에 적합한 제조 방법을 찾고 있었다.
  • 전기 자전거는 가능한 한 실용적인 부품으로 구성하여야 했다.
  • 노하우는 적층 설계와 코팅에 있다.

전기 모터가 매우 작게 ‘윙’ 하는 소리를 낸다. 벨트 체인에서는 아무 소리도 나지 않는다. 아스팔트에 밀접하는 타이어에서도 거의 소리가 나지 않는다. 덕분에 바람 소리와 지저귀는 새소리를 온전히 즐길 수 있다.

2013년, Urwahn은 적층 가공으로 자전거를 만들 아이디어를 냈다. 당시에는 전통적인 정밀 주조법이 우세하던 때였다. Urwahn은 Voxeljet 프린터로 모래를 이용하여 몰드를 3D 프린팅하였다. 하지만 계획하던 자전거 프레임의 두께가 만만치가 않았고, 불량률이 매우 높았다. ”적층 가공은 매우 복잡한 프로세스입니다. 정말 많은 시행착오를 겪어야 했고, 이를 통해 많이 배울 수 있었습니다. 이는 완전히 미지의 세계로 들어가는 것이었습니다. 개발 단계에서만 8년이 걸렸습니다.”(세바스티안 마이네케, Urwahn 설립자) 지난 몇 년간 크게 발전하였고, 세바스티안 마이네케와 라몬 토마스가 마음에 품었던 자전거 제조에 적합한 방법을 찾아냈다.

자전거의 장점은 3D 프린팅 부품에 있다.

입지를 강화시키는 린 생산

이 두 설립자의 구상에는 두 가지 측면이 포함되어 있다. 첫 번째, 프레임 버전은 전기 자전거용과 일반 자전거용(바이오 바이크) 등 두 가지이지만, 이 두 가지 프레임을 다섯 가지 사이즈로 제작하였다. 포트폴리오에 전기 자전거가 포함되어 있어, 프레임 버전이 두 가지뿐이라는 것은 매우 이례적이었다. Urwahn의 일반 자전거 Stadtfuchs와 전기 자전거 Platzhirsch 간의 유일한 차이점은 모터 제조사 Mahle의 3.5kg 모터 장착 여부였다. 그 외에 외견 상의 차이는 거의 없었다. 이는 Urwahn이 따르는 린 생산 원리의 결과이며, 가능한 한 효율적으로 자전거를 생산하기 위해 실용적인 부품을 많이 사용하기 때문이다.

두 번째는 지역뿐만 아니라 독일 전역에서의 입지 강화였다. 이 프레임은 하나도 빠짐없이 막데부르크 지역과 그 인근에서 생산하였다. 엔진은 Mahle, 타이어와 벨트는 Continental 제품이다. 이를 통해 짧은 납품 경로와 높은 품질을 적용할 수 있었다. 또한 최종 소비자가 자전거를 주문하여 받기까지 60 ~ 90일이 소요되어 납기도 매우 준수한 편이었다.

지지 구조물에서 마지막 잔재물을 연삭으로 제거한다.

분말 베드가 해법이다

Urwahn은 오랜 테스트 과정을 거쳐 SLM(선택적 레이저 용융) 제조 방법으로 자전거 프레임을 프린팅하기로 결정하였다. “SLM은 매우 우수한 표면 품질을 얻을 수 있습니다. 또한 복잡한 부품인 경우 매우 유용합니다.”(세바스티안 마이네케) 그리고 이를 통해 부피가 큰 제품도 제작할 수 있었다. 분말의 재활용과 최적의 재료 활용도 많은 도움이 되었다.

이 업체의 자전거 프레임은 언뜻 보면 하나로 보이지만 사실은 그렇지 않다. 연결 요소들을 3D 프린팅으로 제조한 후 파이프와 용접하여 조립한다. Urwahn에 따르면 연간 2,000 ~ 3,000개의 부품이 근처에 있는 제조업체인 Oerlikon AM에서 적층 가공된다고 한다.

회전 목마 원리로 자전거를 최종 조립한다. 가장 중요한 것은 공구가 바로 준비되고, 모든 것이 정확하게 의도된 위치에 배치된다.

프레임에 다 포함되어 있다

대부분의 노하우가 설계에 잘 녹아들었다. 자전거 프레임 안에 배선, 시트, 클램프, 배터리가 모두 포함되어 있다. 이를 위해 알맞은 조건이 형성되어야 하며, 동시에 충격을 최소화하기 위해 프레임에 탄성이 있어야 했다. 적층 가공 시 무게를 줄이는 것도 관건이었다. Urwahn은 적층 가공을 통해 무게를 최소화하였다. 공구강 1.2709와 딮드로잉 CrMo(크롬 몰리브덴) 스틸 튜브 소재의 3D 프린팅 요소로 제작되는 자전거의 무게는 약 12kg 정도이다. 무게를 줄이기 위해 내부 구조는 천공 처리하였으며, 0.9mm의 프레임 역시 경량화에 기여한다.

Urwahn 역시 다른 많은 업체들과 마찬가지로 수많은 소프트웨어 프로그램들을 사용한다. 디자인은 Creo로 작업하고, PTC 또는 Ansys의 CAE에서 ISO 표준에 따라 하중 케이스를 분석한다. 응력을 줄이기 위해서는 Altair Inspire로 토폴로지 최적화를 실시하며, 디자인을 STEP 파일로 파트너사인 Oerlikon에 전송한다. 이곳에서 Materialise Magics로 조형 작업을 준비하고, 즉, 부품을 조형 챔버에 정렬하고 네스팅을 위해 배치하고, 기계가 균일하게 프린팅하는 레이어로 부품을 나누는 슬라이싱이 이루어진다.

Platzhirsch 모델의 시트 포스트에는 예를 들어 후미등과 같은 몇 가지 요소가 숨어 있다.

금속 분말에서 프레임 완성까지

Oerlikon AM의 분말 베드 메탈 가공실에는 다양한 제조사의 프린터 19대가 배치되어 있다. 이곳에서 Urwahn 부품 제작에 주로 사용하는데, 그 가운데에는 Trumpf의 레이저 4개를 사용하는 금속 3D 프린터 Truprint 500도 있다. 자전거 부품이 프린팅되어 최종 소비자에게 빠르게 납품할 수 있다. 남은 분말은 물로 제거하고, 부품을 조형판에서 산업용 띠 톱을 통해 분리한다. 이후 열처리가 진행되고, 작업자는 연삭 공구를 이용하여 지지 구조물을 제거한다.

다시 Urwahn으로 돌아가서 적층 가공된 연결 요소와 인근에서 딮드로잉 제작된 스틸 튜브를 수동으로 용접 조립한다. 각 접합 부위를 점검하고 매끈하게 연마하면, 프레임이 마치 하나의 부품으로 이루어진 것처럼 보인다. 코팅에도 특별한 노하우가 들어갔다. 자전거 프레임이 녹이 슬 수 있기 때문에, Urwahn은 캐비티 방청 처리와 세 가지 분말 코팅을 사용한다.

모터와 체인도 독일 회사 제품이다.

최종 조립은 수작업이다

마무리 손질을 위한 소규모 생산 라인은 린 제조 시스템으로 진행된다. 이 과정에서 Urwahn은 Kaizen과 협력하였다. 생산 동에 들어서면, 회전목마 원리로 자전거를 최종 조립하는 두 개의 생산 라인이 보인다. 모든 것이 의도한 위치에 배치되어 있어, 공구도 즉시 사용할 수 있다. 각 자전거에는 해당 수행해야 할 작업 내용이 기록된 카드가 부착되어 있다. 예를 들면 프레임에 코일 연결하기 등이다. 작업자는 순서대로 스테이션을 통과하고, 각 작업 단계에서 필요한 작업이 수행된다.

Urwahn은 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 필요한 품질 보장을 위한 시스템을 직접 프로그래밍한다. “우리 파트너들 대부분은 이 소프트웨어를 사용합니다.”(세바스티안 마이네케) 따라서 연속적인 문서화와 품질 보장 그리고 동시적인 오류 제거가 가능하다.

물론, 적층 방식으로 자전거를 제조하는 데에는 단점도 있다. 기존의 프레임에 비해 비용도 약 10배 정도 높다. 그로 인해 최종 소비자가 지불해야 하는 가격이 올라간다. “하지만 이는 품질과 지속 가능성 그리고 생산 파트너에 대한 공정성이 포함된 가격입니다.”(세바스티안 마이네케)

전기 모터의 배터리는 프레임 내부에 장착된다. 표준 소켓으로 충전할 수 있다.

Urwahn이 주장하는 적층 가공의 장점

• 3D 프린팅의 장점은 매우 복잡한 구성 요소의 디자인과 치수 지정 그리고 무엇보다도 유기적 프레임 디자인이라는 새로운 가능성에 있다. 이처럼 얇고 매우 복잡한 부품을 제조하는 것은 3D 프린팅이기 때문에 가능했다. 이러한 제조 공정이 없었다면 댐핑 주행 특성을 지닌 Softride 지오메트리와 매끄럽고 유기적인 디자인이 불가능했을 것이다. 또한 자전거 프레임에 배선과 시트 클램프를 조심스럽게 숨길 수 없었을 것이다.

• 비싼 공구를 구매해야 할 필요가 없어 즉시 생산을 시작할 수 있다.

• 구성 요소 지오메트리에 대한 변경 사항을 배치 별로 신속하게 구현할 수 있다. 이를 통해 향후 개별 또는 맞춤형 제품을 만들 수 있다.

• 3D 프린팅 프로세스 덕분에 첫 번째 ‘Stadtfuchs Urban Bike’ 모델을 ‘Top dog e-bike’에 훨씬 쉽고 빠르게 적용할 수 있었다. 향후 개발에서 Urwahn의 제조 사이클이 더욱 빨라져 이익으로 돌아올 것이다.