▲ 파트너스랩이 현대차 남양연구소의 기술용역을 통해 순수구리 소재로 금속 3D프린팅으로 제작한 전기차 구동모터 헤어핀 코일 부품.

3D프린팅 토털 솔루션기업 파트너스랩㈜(대표 이상한)이 적층하기 까다로운 순수구리(CuCp)로 전기차 구동모터 헤어핀 코일을 3D프린팅하는데 성공해 구동모터 개발시간과 비용을 단축하는데 기여할 전망이다.

파트너스랩㈜은 지난 3월11일부터 14일까지 일산 킨텍스에서 개최된 금형 전문전시회인 ‘인터몰드 코리아 2025’에 부스를 마련하고 금속 3D프린팅으로 제작한 구동모터 헤어핀 코일을 전시했다.

글로벌 탄소중립 요구로 자동차 산업에서 전동화가 가속화되면서 전기차 엔진 역할을 하는 핵심 부품인 구동모터를 다양하게 제작해 빠르게 검증하는 것이 중요해지고 있다. 구동모터는 스테이터(Stator)와 로터(Rotor)로 구성되는데 스테이터 내 코일에 전류가 흐르면 자기장이 생성되고 이 자기장이 로터를 회전시켜 자동차를 움직이게 된다.

특히 구동모터 토크를 생성하는 스테이터 내 헤어핀코일은 현재 대부분 252개에 달하는 구리선을 성형하고 코어에 삽입해 정렬하고 용접하는 방식으로 제작되고 있어 고가의 금형 및 지그비용이 발생하는 것은 물론, 제작기간도 오래 걸리면서 다양한 구동모터 시제품 제작과 검증에 걸림돌이 됐다.

이에 현대차는 금속 3D프린팅 기술을 적용, 코어에 직선코일을 삽입하고 양끝단만 구리 3D프린팅으로 적층해 조립함으로써 시간과 비용을 크게 절감시켰다. 순수구리의 경우 반사도가 높아 파이버레이저로 금속분말을 녹여 적층하는 PBF 방식 금속 3D프린팅 적용이 어렵기 때문에 금속 3D프린팅 서비스 경험이 많고 기술력이 높은 파트너스랩이 기술용역을 통해 협력업체로 참여해 순수 구리 적층 파라미터를 최적화 시켰다. 또 다른 협력업체인 재료연구원은 3D프린팅으로 제작된 헤어핀코일의 상대밀도와 전기전도도를 검증했다.

파트너스랩은 글로벌 금속 3D프린팅 솔루션을 선도하는 EOS社의 1kW 레이저가 장착된 PBF 금속 3D프린터 ‘M290’을 활용해 현대차의 전기차 EV9용 스테이터 헤어핀코일의 양끝단을 적층했다. 양끝단은 형상에 제약이 있어 서포트 제거가 불가능하기 때문에 서포터 없는(free) 방식으로 파라미터를 최적화 시켰다.

금속 3D프린팅으로 제작된 스테이터를 최종 구동모터에 조립해 물리적·전기적 특성평가를 실시한 결과 모든 스팩을 만족한 것으로 나타났다. 또한 구동모터 제작기간도 기존대비 2.5개월 단축할 수 있고 헤어핀 코일 제작에 필요한 금형 및 지그도 불필요해져 개발비용이 절감되는 효과를 거뒀다.

▲ 현대차의 금속 3D프린팅 기술을 적용한 구동모터 스테이터(Stator) 제작 방안(자료:현대차)

이러한 혁신성을 인정받아 현대차 남양연구소는 지난해 과학기술정보통신부가 주최한 ‘2024년 3D이노베이션 챌린지(3D프린팅 활용 우수사례)’ 시상식에서 과학기술정보통신부 장관상을 수상하기도 했다.

현대차는 고성능 전기차, 특수차 등 소량 양산이 필요한 분야에 금속 3D프린팅 기술이 적용된 구동모터를 적용하는 것을 목표로 기술개발을 지속 추진 중이다. 파트너스랩도 이러한 수요 확대에 발맞춰 구리 금속 3D프린팅 기술 고도화에 박차를 가하고 있다.

한편 파트너스랩은 이번 전시회에 금속 3D프린팅을 이용한 금형 냉각기술인 EPCM(Express 3D Metal Printed Cooling-Channel Mold)을 선보였다. 이는 최적의 열전달이 가능한 형상적응형 냉각채널 금형을 독자적인 프린팅 기술로 자유롭게 구현한 것으로 코어 교환도 모듈화를 통해 제작시간과 비용을 크게 절감시킨 것이 특징이다.

파트너스랩은 3D프린팅 외에도 후처리 공정과 함께 자사의 CNC 가공기술을 결합함으로써 정밀한 고품질 부품을 기존대비 약 20% 저렴하면서도 빠르게 공급하며 국내 3D프린팅 시장에서 기술력을 인정받고 있다.

▲ 파트너스랩이 금속 3D프린팅으로 제작한 EPCM 금형을 전시했다.