더 가볍고 효율적인 자동차 부품 설계의 미래를 주도하는GM

적층 제조 기술은 이미 드럼 세트, 전자 기타, 베이스, 키보드 등의 악기를 비롯, 우주 식량 및 군대식 등의 3D프린팅 식품, 의수와 의족, 이식용 인간 장기를 만드는 데 활용되었다. 심지어 3D프린팅으로 2층 콘크리트 주택도 지었다. 다음은 무엇일까? 3D프린팅 자동차일까?

사실 답변은 ‘그렇다‘이다. 미국의 자동차 회사 로컬 모터스 (Local Motors)는 벌써 2015년에 2인승 전기차인 스트라티(Strati) 로드스터를 선보였다. 이 자동차를 만드는 데 불과 44시간 밖에 걸리지 않았고, 75 퍼센트가 3D 프린팅 부품이었다. 그 뒤를 이어 2016년에는 다이버전트 3D(Divergent 3D) 사에서 본체와 섀시를 3D프린팅으로 만든 700마력짜리 슈퍼카 블레이드(Blade)를 내놓았다. 또 2019년 하반기에는 이탈리아의 신생 자동차 제조사 XEV(X Electrical Vehicle)는 세계 최초로 대량 생산이 가능한 3D 프린팅 차량인 소형 전기차 LSEV를 만들기 시작했다고 밝혔다.

그렇지만 3D 프린팅 자동차를 설계하는 것은 겁 없는 신생기업이나 실험주의자들 뿐만이 아니다. 기존 자동차 제조업체들도 언론의 주목을 끌기 위한 개념 증명을 쏟아내는 대신 지속적인 업그레이드와 실질적 개선에 투자하고 있다. 제너럴 모터스(GM)는 더 나은 성능과 맞춤화, 개인화를 제공하는 3D 프린팅 부품을 설계하며 이 접근방식을 구현한다.

GM 케빈 퀸(Kevin Quinn) 적층 설계 및 제조 담당 디렉터는 “차량 한 대에 필요한 부품이 평균 30,000개다. 물론 우리는 이 30,000개의 부품을 모두 프린팅할 생각은 아니다. 대신 아주 현실적으로 GM과 고객들에게 비즈니스 가치를 줄 수 있는 생산 기회에 집중하고 있다. 우리에게는 무엇을 할 수 있는가 보다는 무엇을 해야 하는가가 더 중요하다“고 설명한다.

파괴적 디자인

적층 제조가 자동차의 미래로 향하는 문이라면 제너레이티브 디자인은 그 문을 여는 열쇠다. 퀸 디렉터는 “제너레이티브 디자인은 클라우드와 인공지능(AI)을 이용해 엔지니어와 컴퓨터를 결합시켜 우리가 생산하는 차량 부품 및 부속품의 여러 다른 설계 솔루션을 탐색하는 방법이다. 엔지니어와 컴퓨터를 협력시켜 이 둘이 각자 따로 했더라면 불가능했을 부품 설계 결과들을 이끌어 낼 수 있다“고 말했다.

엔지니어들은 이 모델을 사용해서 부속품 설계의 목표와 소재, 제조 방법, 예산 등의 매개변수가 포함되는 설계 조건을 설정한다. 그 다음 이 자료들을 제너레이티브 디자인 소프트웨어에 입력한다. 소프트웨어는 알고리즘을 사용해 모든 가능한 설계 순열을 분석해서 평가한 후 그 연산 결과를 바탕으로 최적의 솔루션을 추천한다.

퀸 디렉터는 “제너레이티브 디자인과 적층 제조 기술이 합쳐지면 이 업계에 파괴적 혁신을 일으킬 수 있다”라고 말하며, 자동차 산업은 밀링과 사출 성형기 같은 전통적인 제조 툴의 한계로 오랜 시간 장애를 겪어 왔다고 덧붙였다. 이런 도구로는 지극히 간단한 형상만 제작할 수 있을 뿐이다.

또한 종래의 툴은 유연하지 않은 데다 비싸 실험삼아 비용을 투자할 수 없다. 반면 제너레이티브 디자인과 적층 제조 기술은 최소한의 자본 투자로 무한대의 설계 솔루션을 지원해준다. 3D 프린터 한 대가 연결된 소프트웨어 하나면 무수히 많은 부품, 유기체적 형상과 내부 격자 등 모든 형태의 부품을 수없이 만들어낼 수 있다. 이는 오직 적층 제조 기술로만 가능하다.

더 나은 브래킷?

제너레이티브 디자인의 비즈니스 사례를 이해하기 위해 전기차(EV)의 직면 과제를 살펴보자. 자동차 제조사들이 전기차에 대해 지극히 낙관적이다. GM만 해도 2023년까지 최소한 20종의 전기차 또는 수소 연료 자동차를 시장에 내놓을 계획을 하고 있다. 하지만 이러한 자동차는 생산비가 더 비싸다. GM의 경우, 제너레이티브 디자인으로 차량의 무게를 더 가볍게 하고 공급망을 단축할 수 있다는 점이 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 것이다.

퀸 디렉터는 “전기차와 자율 주행 자동차가 ‘게임 체인저(game-changer)’가 될것“으로 내다보면서, “이렇게 고도로 기술적인 분야에서 리더십을 확보하는 것이 앞으로 매우 중요하다. 우리는 적층 제조와 제너레이티브 디자인이 시장 선점 우위를 확보하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다”고 전망했다.

GM 엔지니어들은 최근 오토데스크와의 공동작업에서 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)의 제너레이티브 기술을 사용해 기능이 최적화된 안전벨트 브래킷을 새로 설계했다. 이 브래킷은 안전 벨트 잠금장치를 좌석에 고정하고 또 좌석을 바닥에 고정시키는 표준 자동차 부품이다. 기존 안전벨트 브래킷은 대개 부품 8개를 조립해서 상자형으로 만드는데, 이 소프트웨어는 외계에서 온 금속 물체처럼 보이는 디자인을 150 가지 이상 만들어냈다. GM이 선택한 디자인은 8개의 부품 대신 스테인리스강 부품 1개로 되어 있으며, 기존 브래킷보다 40% 더 가볍고 강도는 20%높다.

퀸 디렉터는 “8 개의 부품을 하나로 통합하게 된 동기는 두 가지다. 첫째, 대량 생산을 위해 최대한 활용할 수 있다. 또 한 가지 이점은 여러 공급업체로부터 많은 종류의 부품을 납품받아 그것들을 조립하는 데 드는 모든 공급망 비용이 줄어든다는 점이다“라고 설명한다.

이를 수백 가지, 심지어 수천 가지의 부품에 적용한다면 이러한 개선으로 얼마나 더 가볍고 생산비가 줄며 더 연비가 높은 차량을 만들 수 있을지 쉽게 짐작할 수 있다.

퀸 디렉터는 “이제 GM의 도전은 제너레이티브 디자인과 적층 제조가 적합한 다른 고유한 응용 분야를 찾는 것“이라고 밝힌다. GM은 이미 이 회사가 생산하는 차량의 여러 가지 다른 부품들에 대한 최적화 작업을 하고 있다.

그는 “제너레이티브 디자인과 적층 제조 기술을 활용해서 연비를 갤런 당 1마일(약 3.8 리터 당 1.6 킬로미터) 더 높이거나 전기차 1회 충전 주행 거리를 10마일(약 16 킬로미터) 더 늘릴 수 있다면 앞으로 자사에게 엄청난 경쟁력이 될 수 있다“고 한다.

소문만이 아닌 실질적 유익 제공

성능 향상은 시작에 불과하다. GM은 장차 대리점에서 적층 제조 기술을 사용해 서비스 부품을 제조하고 차량을 고객의 요구에 따라 맞춤화할 계획이다.

퀸 디렉터는 “지금으로서는 GM 차량에서 어떤 기능을 맞춤화하려면 맞춤화가 필요할 때마다 새로운 도구를 만들어야 하기 때문에 막대한 자본을 지출해야 한다. 투자 수익이 없기 때문에 우리 업계에서는 흔히 그 같은 일을 하지 않는 쪽으로 결정을 내리곤 한다“고 말했다.

퀸 디렉터는 적층 제조 기술을 활용하면 고객이 원하는 트림 패키지를 주문할 수 있고 자신의 이름이나 좋아하는 스포츠 팀의 로고를 넣어 차량을 개인화할 수도 있다고 덧붙인다. 그는 또 “경쟁업체가 제공하지 않는 것을 제공한다면 자사 제품이 다른 회사 차들과 차별화될 것”이라고 한다.

또 퀸 디렉터는 기술의 핵심은 요란한 소문을 만들어내는 것이 아니라 실질적인 유익을 제공하는 것이라고 한다. 그는 “제너레이티브 디자인과 적층 제조 기술에 참으로 기대가 크다. 우리 고객들이 어떤 다른 방식으로도 얻을 수 없는 성능을 그들에게 제공할 수 있도록 해줄 것이기 때문이다“라고 말했다.