전기자동차: 다이캐스팅의 새로운 프런티어

전기자동차의 부상과 다이캐스팅 기술의 변천

전기자동차 시장 성장이 제조 요구사항을 어떻게 변화시키고 있는가

전 세계적으로 전기차 판매가 급증함에 따라 다이캐스팅 설비들은 생산 방식을 완전히 개선해야 하는 압박을 받고 있다. 기존 내연기관 자동차 엔진은 블록만 해도 약 30~40개의 별도 부품을 사용했으나, 전기차는 훨씬 적은 수의 부품만 필요로 하며, 이 부품들이 훨씬 더 큰 크기를 갖는다. 제조사들은 6,000톤 이상의 압력을 가할 수 있는 초대형 고압 다이캐스팅 장비를 확보하려 안간힘을 쓰고 있다. 이러한 산업용 괴물 같은 기계들은 이전처럼 조각 조각이 아닌, 한 번에 거대한 배터리 트레이와 모터 하우징을 제작할 수 있다. 많은 공장들에게는 이제 경쟁력 있는 시장 환경에서 생존하기 위해 설비를 업그레이드하는 것은 선택이 아닌 필수가 되고 있다.

다이캐스팅 산업에서 고성장 분야인 전기차(EV) 부품

EV 부품 제조가 현재 다이캐스팅 성장을 선도하고 있으며, Automotive Parts Die Casting Report의 연구 결과에 따르면 세계 시장이 2030년까지 약 241억 달러에 이를 것으로 추정됩니다. 알루미늄 다이캐스팅으로 제작된 배터리 하우징의 동향을 살펴보면 현재 설계 중인 새로운 전기차 부품의 약 23%를 차지하고 있습니다. 그 이유는 열 관리 성능이 뛰어나고, 스트레스 하에서도 견고한 내구성을 유지할 수 있기 때문입니다. 이는 소비자가 성능과 신뢰성을 동시에 요구하는 보다 안전하고 내구성 있는 차량 제조에 있어 제조사가 간과할 수 없는 요소입니다.

내연기관에서 다이캐스트 전기 파워트레인으로의 전환

현대의 전기차는 내연기관 차량에 비해 구동계 부품이 60% 적게 사용되며, 일체형 설계를 가능하게 하는 다이캐스팅 기술을 통해 조립 시간을 45% 단축할 수 있습니다. 엔진 제작에는 모래주조를 이용한 철 블록이 필요했으나, 현재는 다음과 같은 핵심 시스템에서 전기차용 다이캐스팅 응용이 주도하고 있습니다.

• 내장형 냉각 채널이 있는 경량 모터 스테이터
• 70개 이상의 스틸 프레스 부품을 대체하는 충돌 최적화 배터리 컨테이너
• 비틀림 강성을 30% 향상시키는 통합 섀시 부품

거대 주조(Gigacasting): 전기차 구조 설계 및 생산 효율성 재정의

대형 다이캐스팅을 통한 전기차 부품 통합

거대 주조 기술은 전기차 제작 방식을 바꾸고 있으며, 기본적으로 수백 개의 개별 스탬핑 및 용접 부품을 하나의 큰 알루미늄 부품으로 통합하고 있습니다. 주요 자동차 제조사들은 이미 2.5미터 이상 길이의 대형 후면 하체 주조물을 제작하고 있습니다. 과거 내연기관 차량과 비교했을 때 이 방식은 부품 수를 약 85%까지 줄일 수 있습니다. 2023년 PwC가 실시한 최근 연구에 따르면 이러한 통합 구조는 차체 강성을 약 23% 증가시키고 조립 라인의 공간을 약 40% 절약할 수 있습니다. MeGiCast와 같은 산업 협업 그룹은 추가적인 이점도 입증하고 있습니다. 이들의 시험 결과에 따르면 기존 주조 기술과 특수 강화 소재를 결합하면 프론트 모듈의 무게를 약 18% 절감할 수 있습니다. 이러한 혁신은 현재 자동차 제조 분야를 크게 변화시키고 있습니다.

사례 연구: 대량 생산 전기차 도입

한 주요 전기자동차 제조사가 대형 9,000톤 금형 압력 주조기를 도입하여 단일 파츠로 구성된 차대 플랫폼 제작 공정을 혁신적으로 개선했습니다. 과거에는 수백 개의 부품이 필요했던 구조가 지금은 배터리 하우징을 위한 주조 부품 단 두 개로 줄어들었습니다. 조립 시간도 크게 단축되었는데, 과거에는 차량 1대당 약 1시간 반 정도가 소요되었던 것이 지금은 불과 1분 반으로 줄었습니다. 새로운 제조 방식은 높은 정밀도를 유지하고 있으며, 8미터에 달하는 긴 차대 레일에서도 치수 오차를 수분의 1밀리미터 이내로 억제하고 있습니다. 이는 리튬이온 배터리에서 발생하는 열 팽창 문제를 효과적으로 관리하는 데 기여합니다. 또한, 거대한 주조 설비와 직결된 재활용 시스템 덕분에 불량률도 크게 낮아져 약 0.9% 수준을 기록하고 있습니다. 요즘 전기자동차가 실제로 어떻게 제작되고 있는지를 살펴본다면 상당히 인상적인 기술입니다.

복잡한 부품 제작을 가능하게 하는 고압 다이캐스팅

현대의 고압 다이캐스팅(HPDC) 시스템은 진공 밀폐 몰드에 용융 알루미늄을 초당 약 120미터 속도로 사출할 수 있어, 배터리 하우징 벽 두께를 2.5밀리미터보다 더 얇게 제작하는 것이 가능합니다. 이처럼 높은 정밀도를 달성함으로써 제조사들은 단일 주조 공정으로 전체 모터 컴파트먼트를 생산할 수 있습니다. 이러한 부품들은 내장형 냉각 채널, 다양한 하드웨어를 위한 설치 지점, 충돌을 견디도록 설계된 구조 요소 등 다양한 기능들을 포함합니다. 과거에는 이러한 기능들을 구현하기 위해 최소한 14개 이상의 개별 부품들을 조립해야 했었습니다. 재료 측면에서는 AlSi10MnMg와 같은 고급 합금 소재들도 주목받고 있습니다. 이 소재들은 강철 제품의 절반에 불과한 무게임에도 불구하고 약 250MPa의 뛰어난 인장 강도를 제공합니다. 이러한 경량화는 전기차가 한 번의 충전으로 더 멀리 주행할 수 있도록 직접적인 영향을 미치고 있습니다. 제조사들은 또한 X선 단층 촬영 기술을 통한 실시간 결함 탐지 시스템을 도입하고 있습니다. 이를 통해 부품 고장률을 0.03% 수준으로 낮추고 있으며, 대형 주조 구조 부품의 생산량을 늘려가고 있는 기업들에게 매우 중요한 요소가 되고 있습니다.

다이캐스트 전기 자동차 부품의 경량화 및 소재 혁신

전기차의 경량 부품과 주행거리에 미치는 영향

요즘 전기차를 설계할 때 여전히 주요 목표 중 하나는 차량 무게를 줄이는 것입니다. 수치적으로도 이를 뒷받침하는 데이터가 있습니다. 연구에 따르면 전체 무게를 단지 10%만 줄여도 충전 사이의 주행 거리가 약 6~8%까지 늘어납니다(Ponemon이 2023년에 수행한 연구에서 밝혀졌습니다). 제조사들은 배터리 케이스나 다른 구조 부품과 같은 부품에서 기존의 철강 부품을 다이캐스트 알루미늄 버전으로 교체하고 있습니다. 이러한 교체를 통해 전체 무게를 약 40% 줄일 수 있으며, 충돌 안전성도 유지할 수 있습니다. 무게가 가벼운 차량은 동일한 주행 거리를 확보하기 위해 더 작은 배터리로도 충분하다는 의미입니다. 여기서 흥미로운 점은 더 작은 배터리는 초기 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 차량 전체의 효율성도 개선하여, 기술적으로 복잡함에도 불구하고 장기적으로 전기차의 경제적 가치를 높인다는 것입니다.

알루미늄 및 마그네슘 다이캐스트 합금을 사용한 소재 효율성 개선

알루미늄 및 마그네슘 합금으로의 전환은 전기차 제조에서 직면하는 두 가지 주요 과제를 해결합니다:

• 알루미늄 다이캐스팅은 강재 가공 대비 70%인 반면, 90%의 소재 활용률을 달성합니다.
• 마그네슘 합금은 알루미늄 대비 부품 무게를 추가로 35% 줄이면서도 구조적 강도를 유지합니다.

이러한 소재들은 또한 순환형 제조 방식을 지원합니다. 현대 전기차에 사용되는 알루미늄의 85% 이상이 재활용 소재입니다(국제알루미늄협회, 2023). 이러한 합금의 높은 열전도율은 알루미늄 기준 최대 160W/mK에 달하며, 배터리 시스템과 전력 전자장치의 방열 성능을 동시에 개선합니다.

전기차 배터리 하우징 및 모터 케이싱에서 강성 대비 무게 비율을 향상시키는 첨단 합금

최근 시장에 출시된 새로운 알루미늄-실리콘 합금은 인장 강도가 310MPa 이상에 달할 수 있는데, 이는 강철 부품에서 볼 수 있는 수준과 거의 동일하지만 무게는 약 40%에 불과합니다. 전기자동차(EV)의 경우, 제조사가 충돌 시 약 10GPa의 하중에 견딜 수 있는 일체형 배터리 케이싱을 제작할 수 있다는 의미입니다. 이는 초기 1세대 전기차 대비 약 3배 향상된 수준입니다. 모터 하우징 응용 분야에서는 실리콘 함량이 18~22%인 특수 고희석 알루미늄 합금 버전이 사용되는데, 이 소재는 주철만큼 마모 저항성이 우수하여 다이캐스팅 회전자 지지대 제작 시 냉각 채널을 별도로 추가하지 않고 바로 통합 설계해 제작할 수 있게 합니다.

정밀성, 지속 가능성, 스마트 제조 기술이 적용된 전기차 다이캐스팅

고정밀이 요구되는 전기차 모터 하우징 및 배터리 인클로저 다이캐스팅

오늘날 전기차는 특히 모터 케이싱 및 배터리 박스와 같은 부품에 있어 놀라운 정밀도로 제작된 부품을 필요로 합니다. 다이캐스팅 공정을 통해 약 0.1mm 수준의 엄격한 공차를 실현할 수 있는데, 이는 고전압 부품들을 조립할 때 간격이나 어긋남 없이 제작하기 위해 거의 필수적입니다. 이를 가능하게 하는 것은 바로 주조 과정에서 알루미늄 내부의 공기 주머니를 줄이기 위해 적용되는 특수한 진공 기술입니다. 이러한 공법을 도입하지 않으면 최종 제품의 강도가 약해질 수 있습니다. 주요 자동차 제조사들은 공장 전반에 실시간 모니터링 시스템을 도입하기 시작했습니다. 이러한 센서 네트워크는 수만 개의 부품을 동시에 생산하더라도 모든 부품이 일관된 품질을 유지하도록 관리해 줍니다. 반면 소규모 생산 업체들 중에서는 이러한 수준의 품질 관리를 일관되게 유지하지 못하는 경우도 있습니다.

다이캐스트 배터리 하우징의 열 관리 과제

전기차 배터리 하우징은 고속 충전 시 많은 열(가끔은 1kg당 150와트 이상)을 발생시키기 때문에 매우 복잡한 냉각 채널이 필요합니다. 최근 일부 재료 관련 연구에서는 특정 알루미늄-실리콘 합금을 개량함으로써 열전도율을 일반 다이캐스팅 재료 대비 약 18% 향상시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 개선은 배터리 온도를 시스템에 무리가 갈 정도로 어려운 상황에서도 섭씨 45도 이하로 유지하는 데 큰 차이를 만듭니다. 또한 이 새로운 소재는 강철 제품과 비교해 부품 무게를 약 22% 줄여주기 때문에 성능을 희생하지 않으면서 차량 경량화를 추구하는 제조사들에게 매우 인상적인 결과를 제공합니다.

전기자동차 친환경 목표를 위한 다이캐스팅의 지속 가능성 및 재활용 가능성

최적화된 러너 시스템 및 디지털 트윈 시뮬레이션을 통해 자동차 다이캐스팅 산업은 92%의 소재 활용률을 달성했습니다. 알루미늄 합금은 무한 재활용이 가능하기 때문에 전기차 부품 생산에서 주로 사용됩니다. 재활용 알루미늄 다이캐스팅 스크랩은 1차 알루미늄 생산 대비 제조 과정에서 에너지 소비를 95%까지 줄일 수 있습니다.

전기차 생산에서 알루미늄 다이캐스팅 합금의 순환 재활용

주요 주조업체들은 이제 공장 내 재활용 센터를 운영하여 72시간 이내에 생산 스크랩의 98%를 재가공합니다. 이러한 순환형 접근 방식은 자재 비용을 40% 절감하면서 주요 자동차 제조사의 지속 가능성 목표를 충족시킵니다. 2023년 연구에 따르면 합금 분리 기술을 도입하면 전기차의 핵심 구조 부품에서 기계적 특성을 저하시키지 않고 알루미늄을 반복적으로 재사용할 수 있습니다.

자동화 및 인더스트리 4.0: 전기차용 다이캐스팅의 미래를 선도하다

산업 4.0 기술의 통합은 전기자동차용 다이캐스팅 공정을 혁신적으로 변화시키고 있으며, 제조업체가 엄격한 품질 및 생산량 요구사항을 충족할 수 있도록 하고 있습니다. 최신 자동화 시스템은 고압 주조 공정에서 결함률을 0.8% 이하로 낮추는 데 성공했습니다.

실시간 모니터링을 활용한 스마트 주조 공장에서의 결함 감소

현대 다이캐스팅 시설에서는 사물인터넷(IoT) 기반 모니터링 시스템을 사용하여 용융 금속 온도부터 주입 속도까지 15개 이상의 공정 변수를 동시에 추적합니다. 이 데이터 기반 접근법은 2022년 이후 전기차 부품 생산에서 특히 모터 하우징 및 배터리 트레이 같은 핵심 부품에서 불량률을 42%까지 감소시켰습니다.

대형 주조 공정에서의 예지 정비 및 인공지능 기반 품질 관리

AI 알고리즘은 이제 과거 생산 데이터를 분석하여 장비 고장을 89%의 정확도로 72시간 전에 예측합니다. 머신 러닝 기반 시각 시스템은 인간 검사원보다 40% 더 빠르게 기가캐스트 부품의 미세 기포 결함을 감지하며, 이는 단일형 EV 섀시의 구조적 완전성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

고속 생산 전기차 제조 수요 충족을 위한 자동화 통합

로봇 셀 통합을 통해 주요 다이캐스트 공장의 생산량이 35% 증가했으며, 자동화 셀은 복잡한 배터리 하우징에 대해 90초 이내의 사이클 시간을 달성했습니다. 이와 같은 자동화 확대는 2026년까지 매달 250만 개의 전기차 전용 주조 부품을 생산해야 하는 업계의 요구를 지원합니다.

자주 묻는 질문

전기차 제조에서 기가캐스팅이란 무엇입니까?

기가캐스팅은 전기차 구조의 큰 부분을 고압 다이캐스팅 머신을 사용하여 단일 부품으로 주조하는 공정입니다. 이 방식은 여러 부품을 하나로 통합하여 부품 수를 줄이고 생산 효율성과 구조적 강도를 높여줍니다.

다이캐스팅 공법이 전기차의 지속 가능성에 어떻게 기여하나요?

다이캐스팅은 알루미늄과 같은 재활용이 가능한 소재를 활용하고, 높은 소재 활용률을 달성하며, 제조 과정에서의 에너지 소비와 비용을 크게 줄이는 폐쇄형 재활용 공정을 도입함으로써 지속 가능성에 기여합니다.

전기차에 경량화가 중요한 이유는 무엇입니까?

경량화는 전기차의 주행 거리를 향상시키는 데 매우 중요합니다. 차량의 무게를 줄이면 동일한 주행 거리에 더 작은 배터리를 사용할 수 있어 비용 절감과 에너지 효율 개선이 가능합니다.

전기차 다이캐스팅에 사용되는 소재에서 어떤 발전이 있었습니까?

알루미늄-실리콘 합금은 인장 강도가 높고 무게가 가벼우며, 마그네슘 합금은 추가적인 중량 감소에 기여하고, 향상된 열분산 특성을 가진 소재는 배터리 시스템에서 보다 효과적인 열 관리를 가능하게 합니다.