[테슬라 완전 분석] 테슬라의 생산 혁신, 기가캐스팅 (기가프레스)

1. 전기차 생산 혁신

 

 

테슬라의 기가캐스팅 (기가프래스) 기술은 기존 완성차 생산 방식과 같이 수십 개의 금속 패널들을 용접하여 연결하는 것이 아닌, 거대한 하나의 금속 판을 틀(Die, 주물)에 넣고 높은 온도와 압력으로 캐스팅해 온전한 하나의 바디 형태를 만드는 초대형 다이캐스팅 (Die-Casting) 공법 입니다.
거대한 붕어빵 틀과 같다고 생각하시면 됩니다.

다이캐스팅 공법 자체는 일반 차량의 단위 부품을 만들 때도 많이 사용하는 방법으로, 복잡한 형상을 얇은 두께로 정밀 가공이 가능하여 제품을 경량화 할 수 있고, 대량 생산이 가능하며, 높은 온도와 압력으로 프레싱하기 때문에 금속 자체의 조직이 치밀해져 강도가 커집니다.

테슬라의 기가캐스팅은 이러한 다이캐스팅 공법을 매우 큰 형태인 차체의 앞, 뒤 바디에 적용해 생산성과 품질을 극대화 했습니다.

향후 테슬라의 차세대 전기차 플랫폼 언더 바디는 프론트 언더바디, 배터리 팩, 리어 언더바디로 단 3개의 부품으로 구성되어집니다.
이런 대형 캐스팅 공정 도입은 기존 생산 공정에 필요한 1000대의 로봇 중 2/3를 줄일 수 있고, 컨베이어 벨트 면적 또한 20%를 절약할 수 있다고 합니다. 이는 생산단가를 기존 대비 약 40% 줄일 수 있을 것으로 보입니다.

 

테슬라 기존 모델3의 리어 언더바디와 기가캐스팅 공정을 적용한 신규 모델 Y의 리어 언더바디 (출처 : 테슬라, 포스코경영연구원)

 

또한 부품이 단순해짐에 따라 각 공정에 따른 결함이 줄어들고, 기존 조립, 용접 단계에서 발생하는 단차 발생이 줄어들어 공장 가동 정상화 시간 단축, 차체 제작 비용 단축, 조립 품질 향상, 단일 프레임으로 높은 차체 강성도 등 다양한 효과가 나타날 것으로 보입니다.

 

 

이미 2020년 미국 텍사스 오스틴에 있는 기가텍사스에서 모델Y의 리어 언더바디를 기가캐스팅을 적용해 생산하고 있으며, 2022년 부터 프론트 언더바디로 확대 적용할 계획입니다.

 

테슬라 텍사스 공장에서 기가캐스팅 기술로 생산중인 프론트 언더바디

 

이런 초대형 캐스팅 공법 적용을 위해서는 차량 바디 구조의 완전한 변경이 필요한데, 기존 완성차 업체의 경우 매우 다양한 부품과 소재들을 여러 협력사로부터 공급받고 있으며, 그로 인한 산업 구조와 생태계가 계층화되고 유기적으로 연결되어 있어 쉽게 바꿀 수 없는 상황 입니다.

그리고 다이캐스팅 공법은 금속의 부피가 커질 수록 금속 물성의 균일성을 유지하기 어렵고 결함 발생이 많아지는 등 기술적 난이도가 올라갑니다.
테슬라는 이를 해결하기 위해 기가캐스팅과 관련한 자체 특허와 변형이 적은 알루미늄 합금을 개발했다고 밝혔습니다.

또한 현재 대형 캐스팅 설비 업체가 전 세계 단 두 곳 뿐으로 설비 도입 또한 어려워, 이러한 기가캐스팅 공법은 다른 완성차 업체가 빠르게 도입하기 어려운 만큼 당분간은 테슬라만의 독자적인 생산 기술이 될 것으로 보입니다.

 

2. 기가캐스팅 설비와 AA386 합금

 

IDRA 社의 기가캐스팅 설비와 테슬라 공장 내 기가캐스팅 설비

 

기가 캐스팅 공법 적용을 위해서는 6천톤 급 (모델3) ~ 8천톤 급 (모델Y) 이상의 초대형 캐스팅 설비가 필요한데, 관련 설비 업체는 이탈리아의 IDRA와 중국의 임프레스플러스, 세계에서 단 두 곳 뿐 입니다.
두 회사 모두 중국 LK그룹의 자회사로, 각각 연간 약 9대의 설비를 공급할 수 있습니다.

해당 설비는 매일 천 번의 캐스팅이 가능한 내구성을 갖고 있으며, 테슬라 공장에 적용되면 설비 1대 당 하루 약 500개의 부품을 생산할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

테슬라는 현재 미국 프리몬트 공장에 IDRA 장비 2기, 중국 상하이 공장에 임프레스플러스 장비 3기를 가동 중에 있으며, 미국 오스틴 공장에 3기, 독일 베를린에 8기를 추가해 가동 예정입니다.

 

테슬라 상하이 공장에서 운영 중인 기가프레스 설비

 

이 기가캐스팅 설비를 통해 상하이 공장에서는 모델 Y가 2분에 한 대 씩, 하루에 700대 규모로 이미 생산 중인 것으로 알려졌습니다.

설비 무게만 400톤이 넘어가기 때문에 먼저 설비를 설치한 후 공장을 세웠다고 합니다. 

 

테슬라가 미국 특허청에 출원한 기가캐스팅 관련 특허 (출처 : USPTO)

 

이 밖에 테슬라는 큰 부피의 금속을 다이캐스팅 공법으로 캐스팅할 때, 열팽창과 수축으로 인한 변형 문제를 해결하기 위해 스페이스 X의 우주항공 재료 공학 경험을 지닌 기술력을 통해 열처리에도 변형이 적고 별도 코팅이 필요 없는 AA386 합금을 개발해 적용하고 있습니다.

 

테슬라가 신규 개발한 AA386 합금의 특성

 

AA386은 높은 항복 강도를 갖는 기존 A356 합금과 높은 전기전도도를 갖는 A100.1 합금의 장점을 모두 갖는 특수 알루미늄 합금으로 90MPa~150Mpa의 항복 강도와 40%~60% IACS의 전기전도도를 갖고 있습니다.
이를 통해 열 변형에도 기계적, 전기적 특성을 유지할 수 있었다고 밝혔습니다.

 

AA386 합금 구성 (좌) 테슬라 알루미늄 합금과 초고장력 장판 특징 비교 (우) (출처 : 포스코경영연구원, Limiting Factor, 미래에셋증권 리서치센터)

 

 

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