▲ 적층제조(3D프린팅) 및 적층제조특화설계(DfAM) 장점(자료:태성에스엔이)

세계적인 탄소중립 흐름에 발맞춰 전기차가 내연기관차를 빠르게 대체하고 있는 가운데, 전기차의 주행거리 증대, 출력 향상, 충전속도 개선에 필수적인 열관리를 위한 솔루션으로 적층제조특화설계(DfAM)가 주목받고 있다.

3D프린팅연구조합은 지난 31일 오후 1시부터 ‘마포 3D-FAB’에서 3D프린팅 관련 산학연의 협업과 소통을 위한 ‘3D프린팅 기업 네트워킹 데이’를 개최했다.

이날 유병주 태성에스엔이 DfAM 연구소 소장은 ‘전기차 열교환기(칠러) 제작 사례’를 주제발표하며 현재 자동차 전동화로 인한 배터리, 모터 등 고전압 핵심부품의 효율적인 열관리의 중요성과 3D프린팅의 역할에 대해 소개했다.

전기차 시대가 도래하면서 자동차 업계에서는 주행거리 증대, 출력 향상, 충전속도 개선을 위해서 구동 핵심부품인 모터, 배터리 등 고전압 핵심부품 개발에 한창이다. 이러한 추세에 따라 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 관리하는 부품도 함께 개발되고 있다.

일례로 전기차 배터리 모듈은 지나치게 높거나 낮은 온도에서는 성능이 저하돼 주행거리가 짧아지기 때문에 냉각시스템과 열교환을 통해 25~40℃의 적정온도를 유지해야하는데 이때 필요한 신규 부품이 열교환기(칠러)다. 국내 한 전기차의 경우 10개의 열교환기가 장착되고 있다.

또한 장거리 주행을 위해 배터리 에너지밀도가 크게 증가하면서 열교환기의 성능을 향상시키면서 소형화시키는 것이 필요하다. 현재 열교환기는 여러개의 알루미늄 플레이트를 브레이징해 제작되는데 현재 자동차 업계에서 요구하는 2배 높은 열 교환 성능 달성을 위해선 더 많은 플레이트가 필요하기 때문에 열교환기 부피가 4배가 늘어나야 한다. 이는 자동차 경량화에 맞지 않기 때문에 기존 브레이징 제작 방식이 한계에 부딪친 것이다.

이에 현재 자동차 업계에서는 새로운 열교환기 제작에 있어 3D프린팅을 주목하고 연구중이다. 3D프린팅은 설계 및 소재 사용이 자유롭고 빠른 제작이 가능한 이점이 있기 때문이다. 적층제조특화설계(DfAM)를 활용하면 열 흐름 최적 설계를 할 수 있고 복잡한 형상으로 소형화가 가능하다. 또한 알루미늄 보다 전기전도도와 열전도율이 높은 구리로 열교환기를 제작하는 시도도 진행 중이다.

유병주 소장은 “태성에스엔이는 서울과학기술대, 한국생산기술연구원 강원본부와의 협업으로 DfAM을 통해 삼중 주기적 최소곡면(TPMS)이라는 미세격자 구조체를 만들어 접촉 면적을 증가시키고 3D프린팅으로 수십개의 부품을 일체화 시켜 열교환기의 효율을 높였다”며 “현재 자동차의 전동화 때문에 새로운 고성능 제조기술이 요구되고 있는 상황에서 우리 3D프린팅 업계도 관심을 가지고 개발을 추진할 필요가 있다”고 밝혔다.

한편 태성에스엔이는 CAE(Computer Aided Engineering:컴퓨터 이용 공학) 전문기업 ㈜태성에스엔이는 지난 2019년 ㈜태성에스엔이 DfAM 연구소를 설립하고 경기도 동탄에서 금속 3D프린팅 서비스 사업을 시작했다.

올해 산업통상자원부의 ‘DfAM 기반 스마트제조기술개발’ 과제에 선정돼 고전압 미래 전기차용 열교환기 DfAM 설계 및 적층제조 기술개발을 추진 중이다. 회사는 EfAM(Engineering for Additive Manufacturing:적층제조 특화엔지니어링) 전문기업으로 도약하기 위해 동탄에 새로운 사업장을 확장·구축 중으로 금속 3D프린터를 3년내 10대 구축한다는 계획을 가지고 있다.