Alpine F1 팀은 금속 적층 제조(AM)를 통해 최소화된 점유 공간 안에 전체 기능을 담은 티타늄 유압 어큐뮬레이터 (Hydraulic Accumulator) 를 생산하여 자사 자동차의 성능을 높였습니다. 

레이싱 Alpine F1 팀은 직접 금속 프린팅(DMP) 기술을 선택하여 복잡한 부품을 생산하였습니다.

“부품 자체에 필요한 정확도는 물론 이너터 코일의 유체 청결도 요건도 매우 엄격한데 이것은 3D Systems와 협력할 때만 충족할 수 있습니다. 그 독점 청정 공정은 고성능 용도에서 내부 채널이 복잡해도 구성품에 입자가 생기지 않는 우수한 실적을 기록한 바 있습니다.” 

- Pat Warner (Alpine F1 팀의 고급 디지털 제조 담당자)

고급 설계와 제조로 성능 개선 촉진

자사 자동차를 지속적으로 개선하는 Alpine F1 팀은 매우 짧은 반복 주기로 작업하며 성능을 최대한 높이고 조정합니다. 계속해서 제한된 공간 내에서 작업하고, 부품 무게를 최대한 줄이고, 계속 달라지는 규정을 준수해야 하는 어려움이 있습니다.  

3D Systems의 Application Innovation Group(AIG) 전문가들이 Alpine F1 팀에 기능 중심의 까다로운 내부 구조를 지닌 복잡한 코일 구성품을 티타늄으로 만들 수 있는 노하우를 알려주었습니다. 적층 제조를 사용하면 고도로 복잡한 부품을 짧은 리드 타임에 공급하여 단시간에 혁신을 구현해야 하는 어려움을 극복할 수 있습니다. Alpine F1 Team의 유압 어큐뮬레이터 같은 부품은 설계 복잡도가 높고 청결도 요건이 엄격하기 때문에 부품을 제대로 만들려면 추가 AM 전문성이 있어야 했습니다.  

01. 제한된 공간에 복잡한 기능 구현

어큐뮬레이터, 특히 유체가 뒤쪽에서 움직이는 이너터 코일을 위해 Alpine F1 팀은 하드 라인 댐퍼를 설계했습니다. 이것은 기어박스 메인 케이스 안쪽의 리어 서스펜션 시스템에 있는 리어 히브 댐퍼의 부품입니다. 길고 단단한 튜브에 속하는 어큐뮬레이터는 압력 변동이 평균이 되도록 에너지를 저장하고 방출하는 일을 합니다. 따라서 라인 댐퍼의 성능은 내부 체적과 관련성이 있기 때문에 구성품 길이와 관련성이 있습니다. 

Alpine F1 팀은 적층 제조를 통해 감쇠 코일 길이를 최대화하면서도 제한된 공간 안에 전체 기능을 담을 수 있었습니다. Alpine F1 팀에서 고급 디지털 제조를 담당하고 있는 Pat Warner에 따르면, 다른 방법을 사용하면 최종 설계를 생산하기가 불가능할 것입니다. “우리는 체적 효율을 최대한 높이고, 인접 튜브 사이에서 벽 두께를 공유하도록 이 부품을 설계했습니다. 이 체적을 구현하는 것은 AM으로만 가능합니다.” 

최종 티타늄 감쇠 코일은 3D Systems의 DMP Flex 350을 사용하여 생산했는데, 이것은 동급 최고의 산소 수치(<25 ppm)와 불활성 프린팅 대기를 자랑하는 고성능 금속 AM 시스템입니다. 3D Systems DMP 기기에만 있는 시스템 아키텍처 덕분에 화학 순도가 높아 매우 정확하고 단단하면서 생산 부품에 필요한 반복성을 지닌 부품을 만들 수 있습니다. 

02. 결함없이 성능개선을 위한 해결방안

작동 시 감쇠 코일에 유체가 채워지며, 에너지 흡수와 방출을 통해 시스템 내부의 압력 변동이 평균화됩니다. 유체가 제대로 작동할 수 있도록 오염을 방지하는 청결도 사양을 지녔습니다. 금속 AM을 사용하여 이 구성품을 설계하고 생산하면서 이 팀은 기능성, 더 큰 시스템으로의 통합, 무게 절감의 측면에서 상당한 이점을 얻었지만 내부 채널에서 분말을 완전히 제거하는 데 어려움이 있었습니다.   

이러한 복잡한 금속 프린트물에서 입자를 완벽하게 제거하기 위해 3D Systems AIG에서 그 방대한 공정 지식을 제공하여 독점 세정 프로토콜을 적용했습니다. 그 동안 이 프로토콜은 수만 개 부품에서 성공적으로 사용되었으며, 입자 없는 티타늄 구성품을 보장합니다. 3D Systems에는 내부 채널 부품에 최고 수준의 청결도가 필요해 금속 AM 채택을 계획 중인 고객들을 위한 프로토콜이 정립되어 있어 새로운 시설에 이 노하우를 전수할 수 있습니다. 

03. 고품질 금속 워크플로우

3D Systems의 완전한 금속 AM 솔루션은 그 앞선 전문성과 금속 프린팅 플랫폼 외에 면밀하게 개발하여 최적화한 소재와 3DXpert 소프트웨어까지 함께 제공됩니다. 3DXpert는 금속 프린팅 워크플로우를 준비하고, 최적화하고, 관리하는 올인원 소프트웨어입니다. 

Alpine F1 팀은 자사 어큐뮬레이터에 LaserForm Ti Gr23 (A) 소재를 선택했는데 그 이유는 얇은 벽면을 정확하게 생산할 수 있고 강도가 뛰어나기 때문이라고 말했습니다. 모든 LaserForm 소재는 3DXper에 들어 있는 프린트 매개변수가 사용되었는데, 이러한 매개변수는 3D Systems 엔지니어들의 전문성을 담아 최고 품질의 결과를 낼 수 있도록 포괄적으로 개발된 것입니다. 

04 전문가 상담

Alpine F1 팀은 3D Systems의 후처리 전문성뿐만 아니라 적층 제조 설계 전문성도 활용하여 최적의 빌드 방향, 구현 가능한 벽 두께, 인접 벽 단면 사이에서 벽을 공유하는 방법에 관한 안내를 받아 계획을 더 빠르게 추진하고 성공을 앞당기고 있습니다. 혁신적인 산업 최초의 솔루션을 계속해서 공동으로 개발하고 있는 3D Systems의 Application Innovation Group은 개념에서 대규모 제조로 용도를 전환하는 데 있어 심도 깊은 전문 지식과 기술을 보유하고 있습니다.  

3D Systems는 품질과 성능이 중요한 산업 전반에서 수백 개 필수 응용 부문과 협력 관계를 맺고 있습니다. 3D Systems는 원형 제작에서 생산까지 체계적으로 확장하는 방식을 통해 간소화된 경로를 거쳐 적격한 AM 부품을 구현할 수 있으며, AM 선두업체로서 고객들이 자체 시설에서 적층 제조를 성공적으로 채택할 수 있도록 기술을 전수합니다. 

Warner는 Alpine F1팀에서 어큐뮬레이터를 티타늄으로 프린트하는 데 성공한 후 이듬해에는 더 복잡한 서스펜션 구성품을 시도해볼 용기를 얻었다고 말합니다.