로이터는 테슬라 내부 깊숙이 유능한 정보원을 확보한 것으로 보입니다. 2023년 9월 14일자 보도에 따르면, 최소 5명의 관계자가 테슬라가 자동차 하부를 일체형으로 주조하는 목표에 근접하고 있다고 전했습니다. 다이캐스팅은 기본적으로 상당히 간단한 공정입니다. 주형을 만들고 용융 금속을 채운 후 식힌 후 주형을 제거하면 바로 자동차가 완성됩니다! 팅커토이(Tinkertoys)나 매치박스(Matchbox) 자동차를 만드는 데는 적합하지만, 실제 크기의 자동차를 만드는 데는 매우 어렵습니다.
코네스토가 왜건은 목재 프레임 위에 제작되었습니다. 초기 자동차들도 목재 프레임을 사용했습니다. 헨리 포드가 최초의 조립 라인을 만들었을 당시에는 사다리 프레임, 즉 두 개의 철제 레일을 가로대(cross piece)로 연결한 프레임 위에 차량을 제작하는 것이 일반적이었습니다. 최초의 일체형 양산차는 1934년 시트로엥 트락숑 아방이었고, 그 다음 해에는 크라이슬러 에어플로우가 출시되었습니다.
유니바디 자동차는 프레임이 없습니다. 대신 금속 차체가 구동계의 무게를 지탱하고 충돌 시 탑승자를 보호할 수 있도록 모양과 구조가 설계되었습니다. 1950년대부터 혼다와 도요타 같은 일본 기업들이 선도한 제조 혁신에 힘입어 자동차 제조업체들은 전륜구동 유니바디 자동차 생산으로 전환했습니다.
엔진, 변속기, 차동 장치, 구동축, 스트럿, 브레이크를 포함한 전체 파워트레인은 조립 라인에서 아래에서 들어 올려 설치되는 별도의 플랫폼에 설치되었습니다. 프레임 기반 차량처럼 엔진과 변속기를 위에서 내리는 방식이 아니었습니다. 이러한 변경의 이유는 무엇일까요? 조립 시간이 단축되어 생산 단위 비용이 절감되었기 때문입니다.
오랫동안 유니바디 기술은 소위 경제형 차량에 선호되었고, 대형 세단과 왜건에는 사다리꼴 프레임이 선택되었습니다. 일부 하이브리드 차량도 있었는데, 앞쪽 프레임 레일을 유니바디 승객실에 볼트로 고정한 차량이었습니다. 쉐보레 노바와 MGB가 이러한 추세의 대표적인 사례였지만, 오래가지 못했습니다.
테슬라, 고압 주조로 전환
자동차 제조 방식을 혁신해 온 테슬라는 몇 년 전부터 고압 주조 기술을 실험하기 시작했습니다. 처음에는 후면 구조 제작에 집중했고, 이후 전면 구조 제작으로 전환했습니다. 소식통에 따르면, 테슬라는 현재 전면, 중앙, 후면을 모두 한 번에 고압 주조하는 데 집중하고 있습니다.
왜 그럴까요? 기존 제조 기술은 최대 400개의 개별 스탬핑을 사용하여 용접, 볼트 체결, 나사 조임 또는 접착 과정을 거쳐 완전한 일체형 차체 구조를 만들기 때문입니다. 테슬라가 이를 제대로 구현한다면 제조 비용을 최대 50%까지 절감할 수 있습니다. 이는 결국 다른 모든 제조업체에게 대응해야 한다는 엄청난 압력을 가할 것이며, 그렇지 않으면 경쟁에서 밀려날 것입니다.
말할 것도 없이 제조업체들은 사방에서 공격을 받고 있으며, 노조원들이 문을 두드리고 아직 벌어들이고 있는 이익 중 더 큰 몫을 요구하고 있습니다.
제너럴 모터스에서 30년 동안 근무한 테리 보이초프스크는 자동차 제조에 대해 해박한 지식을 가지고 있습니다. 그는 현재 미국 엔지니어링 회사 케어소프트 글로벌의 사장입니다. 그는 로이터 통신과의 인터뷰에서 테슬라가 전기차 하부의 대부분을 기가캐스팅하는 데 성공한다면 자동차 설계 및 제조 방식에 더욱 큰 변화를 가져올 것이라고 말했습니다. "기가캐스팅은 스테로이드를 투여한 것과 같은 효과를 냅니다. 업계에 큰 영향을 미치지만, 매우 어려운 작업입니다. 주조는 특히 크고 복잡한 주조일수록 매우 어렵습니다."
두 소식통은 테슬라의 새로운 디자인과 제조 기술 덕분에 테슬라가 18개월에서 24개월 안에 자동차를 개발할 수 있다고 전했습니다. 반면 대부분의 경쟁사들은 현재 3년에서 4년이 걸립니다. 전면부와 후면부, 그리고 배터리가 장착된 중앙 하부를 결합한 단일 대형 프레임을 사용하여 약 2만 5천 달러에 판매되는 신형 소형 전기차를 제작할 수 있습니다. 세 소식통은 테슬라가 이르면 이달 중으로 일체형 플랫폼을 다이캐스팅할지 여부를 결정할 것으로 예상된다고 전했습니다.
앞으로의 중요한 과제
테슬라가 고압 주조를 사용하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 속이 비어 있지만 충돌 시 발생하는 힘을 분산시키는 데 필요한 내부 리브를 갖춘 서브프레임을 설계하는 것입니다. 소식통에 따르면 영국, 독일, 일본, 미국의 설계 및 주조 전문가들은 3D 프린팅과 산업용 모래를 활용하여 혁신적인 기술을 개발하고 있습니다.
대형 부품의 고압 주조에 필요한 금형 제작은 상당한 비용과 위험을 수반할 수 있습니다. 한 주조 전문가에 따르면, 대형 금속 시험 금형이 제작되면 설계 과정에서 기계 가공을 조정하는 데 한 번에 10만 달러가 소요될 수 있으며, 금형을 완전히 재설계하는 데는 150만 달러가 소요될 수 있습니다. 또 다른 전문가는 대형 금속 금형의 전체 설계 과정에 일반적으로 약 400만 달러가 소요된다고 말했습니다.
많은 자동차 제조업체들은 비용과 위험이 너무 높다고 생각했습니다. 특히 소음과 진동, 핏과 마감, 인체공학, 충돌 안전성 측면에서 완벽한 금형을 완성하려면 설계에 수십 번의 수정이 필요할 수 있기 때문입니다. 하지만 로켓을 역방향으로 비행시키는 데 최초로 성공한 일론 머스크에게는 위험은 거의 문제가 되지 않습니다.
산업용 모래 및 3D 프린팅
테슬라는 산업용 모래를 3D 프린터로 사용하여 테스트 금형을 제작하는 업체에 의뢰한 것으로 알려졌습니다. 바인더 제트라고 불리는 프린터는 디지털 설계 파일을 사용하여 얇은 모래층에 액상 결합제를 도포하고, 용융 합금을 다이캐스팅할 수 있는 금형을 층층이 쌓아 올립니다. 한 소식통에 따르면, 모래 주조를 이용한 설계 검증 비용은 금속 프로토타입을 사용하는 경우의 약 3% 수준이라고 합니다.
즉, 테슬라는 데스크톱 메탈(Desktop Metal)과 ExOne 사업부 등의 기계를 사용하여 몇 시간 만에 새로운 프로토타입을 다시 제작하여 필요한 만큼 프로토타입을 수정할 수 있습니다. 두 소식통에 따르면, 모래 주조를 이용한 설계 검증 주기는 2~3개월밖에 걸리지 않는 반면, 금속으로 만든 금형은 6개월에서 1년이 걸립니다.
그러나 이러한 유연성에도 불구하고, 대규모 주조를 성공적으로 제작하기 위해서는 극복해야 할 중요한 장애물이 하나 더 있었습니다. 주조물 제작에 사용되는 알루미늄 합금은 모래 주형과 금속 주형에서 다르게 거동했습니다. 초기 시제품은 테슬라의 사양을 충족하지 못하는 경우가 많았습니다.
주조 전문가들은 특수 합금을 개발하고, 용융 합금 냉각 공정을 미세 조정하고, 후속 열처리 방법을 개발함으로써 이 문제를 극복했다고 세 명의 소식통이 전했습니다. 테슬라는 시제품 모래 주형에 만족하면 최종 금형 제작에 투자하여 양산할 수 있습니다.
소식통에 따르면 테슬라의 곧 출시될 소형차/로보택시는 하부 구조가 단순하기 때문에 전기차 플랫폼을 일체형으로 제작할 수 있는 완벽한 기회를 제공했다고 합니다. 소형차는 앞뒤에 큰 "오버행"이 없습니다. 한 관계자는 "어떻게 보면 배와 같습니다. 양쪽 끝에 작은 날개가 달린 배터리 트레이죠. 일체형으로 만드는 것이 합리적입니다."라고 말했습니다.
소식통에 따르면 테슬라는 차체 하부를 일체형으로 주조하기로 결정할 경우 어떤 종류의 프레스를 사용할지 아직 결정하지 못했다고 합니다. 대형 차체 부품을 빠르게 생산하려면 16,000톤 이상의 클램핑력을 갖춘 대형 주조기가 필요합니다. 이러한 기계는 가격이 비싸고 더 큰 공장 건물이 필요할 수 있습니다.
클램핑력이 높은 프레스는 중공 서브프레임 제작에 필요한 3D 프린팅 샌드 코어를 수용할 수 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해 테슬라는 용융 합금을 천천히 주입할 수 있는 다른 유형의 프레스를 사용하고 있습니다. 이 방식은 더 높은 품질의 주물을 생산하고 샌드 코어를 수용할 수 있는 경향이 있습니다.
문제는 그 과정이 더 오래 걸린다는 것입니다. "테슬라는 생산성을 위해 고압을 선택할 수도 있고, 품질과 다재다능함을 위해 저속 합금 주입을 선택할 수도 있습니다."라고 한 관계자는 말했습니다. "지금은 동전 던지기와 같습니다."
테이크어웨이
테슬라가 어떤 결정을 내리든, 그 결정은 전 세계 자동차 산업 전반에 큰 파장을 일으킬 것입니다. 테슬라는 상당한 가격 인하에도 불구하고 여전히 전기차를 생산하며 수익을 내고 있는데, 이는 기존 자동차 제조업체들이 매우 어려움을 겪고 있는 부분입니다.
테슬라가 고압 주조를 사용하여 제조 비용을 크게 절감할 수 있다면, 해당 기업들은 경제적으로 더 큰 압박을 받게 될 것입니다. 코닥과 노키아에 어떤 일이 일어났는지 상상하는 것은 어렵지 않습니다. 그렇게 된다면 세계 경제와 현재 일반 자동차를 생산하는 모든 노동자들이 어떤 상황에 처하게 될지는 누구도 예측할 수 없습니다.
원천:https://cleantechnica.com/2023/09/17/테슬라가 완벽한 일체형 캐스팅 기술을 가질 수 있습니다/
저자: 스티브 핸리
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 6월 5일
