[테슬라] 기가 프레스(Giga Press)

기가프레스

붕어빵 틀에 밀가루 물을 부어서 굳히고 틀을 열면 붕어빵이 만들어지는 것처럼 차량의 차체를 통으로 찍어내는 기계가 기가프레스 입니다.

 

기존 자동차 조립공정은 여러 개의 작은 부품들을 붙이고 용접하고 조립하여 차체를 만듭니다.

기존 차량의 프레임은 얇은 강철 판재를 프레스를 이용하여 강한 힘으로 형상 틀을 눌러서 부품들을 찍어냅니다. 이후 여러 부품을 로봇팔을 이용하여 5,000번 정도 점 용접해서 이어 붙이는 방식이죠.

이런 방식은 차체가 무거워지고, 제조공정이 복잡하고, 제조시간이 많이 걸리고, 제조단가도 비쌉니다. 무겁기 때문에 연비도 줄어들게 됩니다.

 

 

하지만 테슬라의 기가프레스는 복잡한 부품들의 조립공정을 없애고 하나의 큰 부품(캐스팅)으로

찍어내는 것이죠.

기가프레스 머신은 빌딩 하나의 크기와 비슷할 정도로 거대합니다. 기계가 너무 커서 기계를 먼저 설치하고 건물을 올렸다고 합니다.

테슬라는 기존 자동차 조립공정에 많은 로봇이 자동화된 조립공정으로 자동차의 생산 속도를 늦추기 때문에 이것을 개선하기 위해 기가프레스를 도입하였습니다.

모델Y의 전면과 후면의 언더바디를 싱글피스 캐스팅으로 찍어냅니다.

두 개의 캐스팅 중간에 배터리팩을 연결하면 차체의 뼈대가 완성되는 것이죠.

좌- 기존 프레임 용접방식 조립, 우- 기가프레스로 주조한 프레임

[테슬라] 기가 팩토리(테슬라 공장)

 

기가프레스 장점, 단점

이렇게 싱글피스 캐스팅 공법을 사용하면 기존 70개의 부품(리어바디)을 조립하여 만들던 바디가 하나의 바디로 완성됩니다. 70개의 부품을 조립하던 로봇들과 CNC머신을 줄일 수 있고 조립 시간도 단축할 수 있습니다. 또한 40%의 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

기가프레스1개가 300개의 로봇을 대체하는 효과이며 기존 공장 면적의 30%가 줄어든 모습을 볼수 있습니다.

기가프레스 공법으로 제조된 캐스팅은 정밀한 제조가 가능하기 때문에 테슬라 자동차의 문제점이었던 단차 문제도 개선된다고 합니다.

테슬라의 다이캐스팅 부품은 “강도가 좋아서 언더바디 차체는 잘 부서지지 않을 것이며, 언더바디가 부서질 정도로 큰 사고라면 테슬라의 언더바디가 탑승객의 안전을 지켜줄 것”이라고 합니다.

 

싱슬피스 캐스팅으로 차체를 통째로 만들면 사고 났을 때 수리가 어려울 것이라는 우려에는

‘사고 난 부위만 잘라내서 수리하는 방법’이 있다고 일론머스크는 전했습니다.

하지만, 사고 났을 때 싱글피스 캐스팅이 찌그러지면 수리할 때마다 찌그러진 부위를 찾고 그 부분만 잘라내서 필요한 부분만 재료를 준비하고 수리가 필요한 부분만 용접하여 수리하는 방법은 그렇게 쉬운 방법 같지는 않습니다. 그럴 거면 차라리 바디전체를 교체하는 방법이 더 쉬워 보입니다. 그렇게 생각하면 프론트바디 또는 리어바디를 통째로 교체해야 하는 거죠.

좌- 기존 프레임, 우- 싱글피스 캐스팅

 

기가프레스 구조, 원리

 

다이캐스팅 (Die Casting, 다이(틀), 캐스팅(주조물))이란 주조형상 틀에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 만드는 정밀 주조법입니다.

기가프레스는 세계에서 가장 큰 고압 다이캐스팅 기계에 액체화된 알루미늄합금을 밀어 넣고 자동차 프레임을 찍어내는 기계입니다.

6천톤급 기가프레스(출처-IDRA)

 

테슬라 모델Y는 IDRA OL 6100 CS GIGA PRESS라는 6,000톤급 프레스를 사용합니다.

이탈리아의 IDRA(이드라)라는 프레스머신 제조회사 제품을 사용하는데요.

이드라의 모회사는 Lk테크놀로지라는 홍콩회사입니다.

이드라의 프레스머신은 테슬라가 최초로 주문하였다고 하네요.

 

기가프레스는 하나의 캐스팅을 찍어내는데 90초 정도 걸립니다. (시간당 약 40여개, 하루 1,000개 주조 가능)

프레스는 기계 무게만 420톤이며, 액체화된 알루미늄원료 80KG을 6천톤의 압력으로 10M/S의 속도로 캐스팅몰드에 밀어 넣어집니다. 냉각과정을 거친 후 로봇팔이 완성된 캐스팅을 뜯어냅니다.

 

기가프레스 머신 외에 멜트오븐, 홀딩오븐, 켄팅 오일탱크, 기계식 트림 프레스, X선장비, 레이저트림, 드릴 및 탭(기계가공), 레이저 스캐닝(좌표 측정기), 패스너 삽입, 파쇄기(잔여 알루미늄 재활용), 진공시스템등이 필요합니다.

기가 프레스 머신 조립

 

 

기가캐스팅 원료

기가프레스에 주입되는 원료는 열변형이 생기지 않는 특수 알루미늄 합금을 사용합니다.

기존 자동차에는 강철을 이용한 프레임을 사용합니다. 무겁지만 자동차의 프레임은 강도가 강해야 하기 때문에 강철 재료를 조립해서 뼈대를 만들죠.

 

알루미늄이라는 원료는 무게가 가볍지만 강도는 약합니다. 알루미늄은 비탄성이기 때문에 하중을 버티기 어렵습니다. 하지만 순수한 알루미늄에 비해 알루미늄합금의 강도는 큰 차이가 있습니다.

합금성분 비율이 중요 한거죠. 가볍고 높은 강도의 재료를 만들 수 있습니다.

 

테슬라의 기가프레스는 스패이스X의 우주선 제조에 들어가는 합금제조 기술을 적용하여 캐스팅이 쉽고 열처리를 하지 않는 고강도 알루미늄 특수합금이라고 합니다.

테슬라에는 재료엔지니어링팀이 존재하여 스페이스x와 테슬라에 사용되는 재료들을 연구한다고 하네요.

 

기가프레스에 주입되는 원료는 AA386이라는 알루미늄 합금입니다.

주성분은 알루미늄 89.5%, 실리콘(규소) 8.5%로 알루미늄-실리콘 합금이라고 볼 수 있습니다.

기가 캐스팅 원료성분

 

2021년 4월 사이버트럭에 새로운 소재 사용을 가속화하기 위해 새로운 팀을 구성하고, 스테인리스강 합금과 같은 신소재를 주력개발 중이며 별도의 재료응용팀을 구성했다고 합니다.

준비 중인 사이버트럭의 외골격은 테슬라의 주요 신소재로 스패이스X의 스타십과 매우 유사한 합금이라고 합니다. 이 합금은 권총의 총알도 안 뚫리고 제로백 3초의 속도를 가능하게 합니다.

사이버트럭의 외골격에 사용되는 스테인리스 합금도 강도 높고 가벼운 재료로 만들어질 것 같습니다.

출시가 기다려지네요.

 

기가프레스 설치 현황

테슬라는 2019년부터 다이캐스팅 공법으로 제조 시작하여 모델Y부터 6천톤급 기가프레스가 사용되었습니다.

 

기가프레스는 21년10월기준 테슬라공장 프리몬트(캘리포니아)에 2대, 상하이에 5대(1대 추가 예상), 베를린에 2대, 텍사스(오스틴) 2대(1대 추가 예상) 모두 11대 운용 중입니다.

기가텍사스에는 8천톤급 기가프레스가 설치될 예정이고 아마 사이버트럭을 제작하기 위한 프레스로 예상됩니다. 일론머스크는 “엄청난 트럭”이 될 거라고 합니다. 출시가 기대되네요.

 

테슬라는 더 큰 프레스머신을 특허로 내면서 관심을 끌었는데요. 그림을 보면 차량 한 대를 한방에 찍어내는 듯한 기계로 보이네요.

2019년 7월 23일에 테슬라에서 낸 특허출원을 보면 원피스 캐스팅을 찍어내는 공법임을 알 수 있습니다.

테슬라에서 특허 출원한 기가프레스

 

다른 자동차 회사들은 기가프레스 도입 안 하나?

테슬라는 항상 대량생산과 단가절감을 목표로 하기 때문에 제조공정을 단축하기 위한 연구를 많이 합니다.

테슬라는 “평범한 혁신으로 돈을 버는 시대는 끝났다”라고 말합니다.

장점이 많아 보이는 기가프레스 생산방식을 다른 자동차 회사들도 따라서 도입하려고 할 텐데요.

자동차 전문가 샌디먼로(SANDY MUNRO)는 테슬라에 대한 기술의 진화를 칭찬합니다.

샌디먼로에 의하면 “자동차에 적용되는 알루미늄 합금은 강하면서 연성이 있어야 하고 인열을 일으키지 않도록 주조 시 구조적 특징을 잘 유지해야 한다”라고 했습니다.

테슬라에서 처음 도입한 싱글피스 캐스팅 공법은 여러 시행착오를 거친 후 만들어낸 기술이고 남들이 시도하지 않은 제조공법을 먼저 연구하고 도입하였습니다.

 

이드라 에서는 프레스를 제작하는데 시간이 오래 걸리고 특수 합금원료를 사용하기 때문에 다른 자동차 제조회사는 싱글피스 캐스팅 공법을 쉽게 따라 할 수는 없을 것으로 보입니다.

이드라는 1년에 기가프레스를 3대만 생산 가능한데, 이미 테슬라에서 많은 양의 프레스를 선 주문한 상태입니다.

자동차 업체 폭스바겐은 2025년 기가프레스 생산방식을 도입 목표로 하고 있다고 합니다.

알루미늄만이 최고인 것은 아닙니다. 다른 자동차 기업들도 따라 하기 보다는 철강의 장점도 많기 때문에 철강소재개발의 신기술이나 친환경 소재 개발 등 자동차 제조 공법의 새로운 연구, 개발이 필요할 것입니다.

 

이미지출처-테슬라

 

테슬라 사이버트럭. 드디어 나왔네요 (출시, 가격, 제원)