본격적으로 자동차 생산방식의 변화가 시작됐다. 20세기 초 포드의 대량 생산방식 도입과 20세기 말 토요타 생산방식에 이어 세 번째다. 지금은 독일의 인더스트리 4.0을 중심으로 하는 디지털 공장과 테슬라가 시작한 기가프레스를 근간으로 하는 새로운 생산방식이 등장해 있다. 전자에 관해서는 ‘자동차 생산 기술의 혁신, 스마트 공장이 주도한다’라는 칼럼을 통해 설명했다. 이번에는 테슬라의 언박스드 프로세스, 토요타의 자체 추진 조립라인, 현대차그룹의 신 제조혁신이라고 표현되고 있는 생산방식에 대해 짚어 본다.
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)
자동차산업의 역사는 비용 저감의 역사다. 기술적으로는 자동화의 진화다.
토요타 생산방식은 규모의 경제의 기준을 연간 400만대로 키웠다. 그를 위해 20세기 말 자동차회사 간의 이합집산이 있었다. 1997년 다임러와 크라이슬러의 합병이 대표적이었지만 2007년 실패로 끝났다. 1998년 현대차와 기아의 합병은 성공적인 것으로 평가받고 있다. 여기에 르노닛산미쓰비시 얼라이언스와 스텔란티스그룹이 존재한다. 미국의 GM 과 포드는 선택과 집중 전략을 위해 사업부와 시장을 줄이는 방법으로 대응해 수익성 우선의 사업으로 바꿨다.
21세기 초에는 중국의 WTO 가입이라는 호재를 맞아 규모의 경제 기준이 1,000만대로 높아졌다. 그만큼 많은 수익을 올렸다는 얘기이다. 세계화와 더불어 20세기 말 수익성 창출에 어려움을 겪던 자동차회사들의 숨통을 틔워주었다. 그러나 2008년 미국발 금융위기를 전후해 GM이 파산선고를 하면서 다시 어려움에 부닥쳤다. 여기에 코로나 팬데믹을 거치면서 미국의 보호 무역주의와 함께 자동차산업의 발목을 잡았다.
2022년 기준 연간 1,000만 대 판매를 넘긴 업체는 토요타뿐이었다. 폭스바겐도 1,000만 대를 넘긴 적이 있었으나 848만대로 줄었다. 다음으로 현대차그룹이 800만 대를 정점으로 684만 대에 머물고 있다. 르노닛산미쓰비시연합도 연합 초기 1,000만 대를 넘었으나 615만 대까지 하락했다. 한때 998만 대까지 올라갔던 GM은 593만 대, 프랑스와 이탈리아, 미국 등 3국 연합인 스텔란티스그룹은 583만 대 등이었다.
그런데 지금은 테슬라가 2030년 판매 2,000만 대를 선언하면서 상황이 또 달라졌다. 규모의 경제는 비용 절감의 핵심이다. 그 이야기는 비용 절감을 통해 가격을 인하하지 않으면 시장에서 도태될 수 있다는 것이다. 그래서 전 세계적인 네트워크를 구축하고 있는 전통적인 완성차회사들도 생산 기술 혁신에 나서고 있다.
테슬라, 언박스드 프로세스로 생산 기술 혁신 주도
전기차 시대에는 지금까지와는 다른 측면의 도전에 직면해 있다. 전체 생산비의 40% 전후에 달하는 배터리를 외주에 의존한다는 것이다. 완성차회사의 입장에서는 나머지 부분에서 비용 절감을 달성해야 한다. 소비자의 입장에서는 반값 배터리를 통한 반값 전기차를 요구하고 있다.
그 부분에서 먼저 선수를 친 것이 테슬라다. 테슬라는 지난 3월 1일 투자자의 날을 통해 혁신적인 생산 기술 언박스드 프로세스(Unboxed Process)를 공개했다. 간단하게 말하면 차량을 크게 6개의 블록으로 나누어 개별적으로 만들어, 그들을 최종 단계에서 조합한다는 것이다. 기가프레스가 그 뿌리에 있다.
지금까지는 플랫폼을 바탕으로 차체 골격을 완성하고 그 상태에서 시트와 대시보드, 엔진, 배터리 등을 조립했다. 테슬라는 배터리 위에 시트를 조립하고 기가 프레스로 완성한 차체 앞뒤의 컴파트먼트를 완성해 연결하고 그 상태에서 좌우 패널과 루프, 보닛, 트렁크 리드 등을 동시에 조립하는 방식을 소개했다. 모델3와 모델Y를 생산했던 것과도 다른 방식이다. 다른 말로 하면 모듈화를 더욱 극대화한다는 것이다.
토요타 생산방식은 20세기 초 헨리 포드가 발명한 T형 포드의 대량 생산 방식과 기본적인 개념은 같다. 도어를 붙이거나 떼어내는 작업을 별도로 수행해야 하며 조립 공정의 어딘가에 결함이 생기면, 생산 라인 전체를 멈추어야 한다. 물론 이 부분에서는 오늘날 컨베이어 라인을 몇 단계로 나누어 전체 라인이 멈추지는 않는다.
테슬라의 언박스드 프로세스는 차량을 크게 6개의 블록으로 나누어 개별적으로 만들고, 그들을 최종 단계에서 한꺼번에 조합하여 완성한다. 생산의 리드 타임을 단축할 수 있는 것 외에 생산 라인을 컴팩트하게 할 수 있다. 그만큼 공장 면적을 줄일 수 있다. 투자 금액을 줄일 수 있고 짧은 시간에 생산 라인 가동이 가능하다. 물론 이에 대해서는 검증이 필요하다. 어쨌든 컨베이어 시스템은 없다.
그리고 전체 생산 공정의 99.5%를 자동화하겠다는 것도 중요한 이슈다. 지난해 AI 데이를 통해 발표한 로봇이 생산 현장에 투입되어 사람과 비슷한 동장으로 조립에 참여한다. 그렇게 되면 생산 속도도 빨라지고 그만큼 원가도 혁신할 수 있다. 무엇보다 기업의 입장에서는 인간 노동자처럼 휴식 시간이 없어도 되고 노조 문제를 걱정하지 않아도 된다는 점을 강조하고 있다. 세부적인 내용으로는 와이어링 하네스의 무게를 17kg 줄였다고 밝혔다. 자동차 생산과정에서 이는 적지 않은 의미를 가진다.
시간이 걸리겠지만 배터리 생산 과정에서도 작업 공간을 절반 정도로 줄일 수 있다고 한다. 더 작은 면적에서 더 많은 배터리를 생산할 수 있다는 것이다. 이는 습식이 건식 공정의 가능성이 검증되어 가는 과정에 있다는 것을 의미한다. 배터리는 에너지 밀도를 높이는 것이 중요하다. 이를 위해 다양한 방안을 강구 중인데 그중에서 폼 펙터를 통해 15% 정도 줄일 수 있고 건식공적으로 10% 정도를 절감할 수 있다고 밝히고 있다. 리튬 인산철 배터리를 수용해 비용을 절감하는 것도 같은 맥락에 속한다.
가장 최근에는 차량의 거의 모든 복잡한 차체 하부를 한 조각으로 다이캐스트하는 기술적 혁신을 이루었다고 발표했다. 앞뒤 섹션과 배터리가 탑재되는 중간 하부를 결합한 단일 대형 프레임이 2025년까지 모델2로 알려진 2만 5,000달러의 소형 전기차에 사용될 수 있다고 한다. 아직 최종적으로 결정되지는 않았지만 결국은 채용하게 될 것이라고 주장한다.
로이터는 혁신 중 하나가 3D 프린팅과 산업용 모래를 사용하여 주조용 주형을 만드는 것과 관련되어 있으며, 이를 통해 불가피하게 주형을 수정하는 데 소요되는 비용과 시간을 줄일 수 있다고 주장했다
테슬라는 현재 주력인 모델 Y와 모델3에 비해 가격을 절반 정도로 억제한 모델을 생산해 연간 생산 2,000만 대 시대를 열겠다는 방침이다. .
토요타, 테슬라보다 앞선 자체 추진 생산 라인 기술 공개
토요타자동차도 2023년 9월 18일, ‘자동차 제조의 미래를 바꾸자’를 주제로 한 설명회 ‘토요타 모노즈쿠리 워크숍’을 통헤 기가 프레스를 근간으로 하는 새로운 생상 기술을 공개했다. 토요타는 먼저 인간 중심의 생산을 통해 공장의 풍경을 바꾸겠다는 점을 강조했다. 자동차의 미래를 바꾸는 토요타의 생산 독창성의 계승과 진화에 관해 설명하고, 테이호 공장, 아케치 공장, 모토마치 공장에서 수행되는 다양한 제조 기술을 공개했다. 이번 워크숍은 지난 6월에 개최된 토요타 테크니컬 워크숍을 통해 발표된 기술을 소개하는 것이었다.
그 근저에는 약 3분 만에 차체의 1/3을 일체 성형할 수 있는 기가 프레스 기술이 있다.
이번에 토요타가 공개한 거대한 알루미늄 부품을 일체 성형하는 기가캐스트의 프로토타입은 녹인 알루미늄을 흘려 섭씨 700도에서 250도까지 단번에 식히고 굳혀 꺼낸다. 이를 통해 86개 부품을 하나로 줄이고 33개 공장을 한 공정으로 해 차체의 후부 3분의 1을 생산한다. 공정을 약 3분 만에 완료할 수 있다.
6개로 나누는 테슬라와는 달리 토요타는 차체를 앞부분, 중앙부, 뒷부분의 3개로 나눠 앞뒤 부분은 기가캐스트로 성형할 방침이다. 모듈수를 줄여 보다 효율화한다는 것이다. 토요타는 기가캐스트의 도입에 더해, 토요타 생산 방식(TPS)도 살려 공정의 낭비를 줄인다는 방침이다. 컨베이어를 없애거나 디지털 제조를 도입함으로써 개발비와 공장 투자를 절반으로 줄인다는 것이 골자다. 앞부분은 91개 부품을 하나로 줄이고 51개 공정도 하나의 공정으로 줄인다. 토요타는 이를 자체 추진 조립라인이라고 명명했다. 자체 추진 조립 라인의 장점은 레이아웃 자유도 향상, 자본 투자 비용 절감, 대량 생산을 위한 시동 시간 단축이다. 금형 교체 시간이 기존 24시간에서 약 20분으로 줄었으며 이는 테슬라보다 앞선 것이라고 강조했다.
토요타는 2022년 9월 첫 시제품을 만들었다. 주조의 최적 조건을 해석하는 독자적인 소프트웨어를 내재화해 타사 대비 20% 향상이라고 하는 생산성 개선의 목표를 설정하고 있다.
앞으로 전기차를 현재보다 대폭 양산하기 위해서는 새롭게 배터리 라인 등이 필요해 공장 공간의 효율화도 필요하다. 그를 위해 토요타가 강조한 것은 자체 추진 생산 라인이다. 타이어나 배터리 등은 장착되어 있지만, 측면이나 상부가 없는 차체가 핸들을 자율 제어해 이동한다. 무인 운송차(AGV)가 운반한 시트 부분을 로봇 암이 장착한다.
완성된 차는 자율주행으로 검사 공정이나 출하장으로 이동한다. 컨베이어가 없기 때문에 공장의 배치를 단시간에 바꾸기 쉬워, 투자액도 절감할 수 있다. 현재 10시간 전후 차량 조립 시간을 절반으로 줄이는 것이 목표다.
토요타에는 현재 TNGA 플랫폼이 있다. 2026년까지 전기차 판매를 연간 150만대로 높인다는 목표 아래 우선은 TNGA를 응용한 차대와 전기차용의 2종류의 차대로 전기차를 생산한다. 그중 TNGA의 비율이 40%(60만 대) 정도로 추정했다.
이와 더불어 공장 설계에의 디지털 트윈을 장비 제작에 통합하고 3D 모델을 활용함으로써 고도의 완성도를 갖춘 생산 장비를 도입한다. 그 결과 기존 제품에 비해 생산성이 3배 향상되고 개선 리드 타임이 1/3로 단축된다고 밝혔다. 이에 따라 양산차의 생산 준비 기간, 생산 공정, 공장 투자 등을 종래의 1/2로 줄일 수 있다고 한다.
2030년 판매계획 대수 350만 대의 전기차 가운데 170만대를 기가캐스트나 자주생산라인을 사용한 이번 신개발 차대를 사용할 방침이다.
현대차그룹도 하이퍼캐스팅 근간으로 하는 신 제조혁신 기술 개발 중
현대차그룹의 하이프캐스팅도 기가프레스와 같은 공법을 사용하는 것은 크게 다르지 않다. 테슬라는 언박스드 프로세스, 토요타는 자체 추진 조립라인이라는 용어를 사용하는 데 비해 현대차그룹은 신 제조혁신이라고 칭하고 있다. .
현대자동차가 기가캐스팅이 아닌 하이퍼캐스팅으로 명명한 것은 멀티라는 개념을 강조하기 위함이다. 고진공 다이캐스트와 압축 등의 공법을 동시에 처리하는 것으로 기가 캐스트보다 더 통합적이라는 것이 특징이다.
현대차는 테슬라나 토요타와 달리 차체를 6개나 3개로 나누는 것은 OEM의 환경에 따라 다르다고 생각하고 있다. 큰 틀에서 제조공정의 자동화가 중요한 것이라는 자세를 취하고 있다. 테슬라가 언급했듯이 궁극적으로는 무인 생산 시설까지 갈 수 있다는 것을 상상할 수 있게 하는 부분이다. 물론 아직은 상상 속의 개념이지만 글로벌 자동차회사들의 움직임은 크게 다르지 않아 보인다.
자동차회사의 생산 공정은 크게 프레스와 차체, 도장, 조립 라인으로 이루어져 있다. 프레스와 도장, 차체는 이미 대부분 자동화되어 있다. 조립라인만 회사에 따라 70~95%까지 수작업으로 이루어진다. 그런데 테슬라와 토요타가 언급했듯이 그 조립 라인에서 컨베이어 시스템이 없어지고 그에 걸맞은 생산 기술이 투입된다면 시간이 크게 단축되고 그만큼 비용을 절감할 수 있게 된다.
현대차그룹은 테슬라처럼 전체를 하나로 찍어내는 방식이 아닌 내연기관 플랫폼을 활용할 수 있는 방안을 모색하고 있다. 그것은 테슬라 모델Y의 앞바퀴 서스펜션 내 로어암 고정 볼트 체결 불량 등의 문제점이 기가프레스에 의한 것이라는 지적 등에 따른 것으로 보인다. 이는 제조 과정에서도 문제이지만 소비자의 입장에서도 사후 수리 비용 등 적지 않은 부담이 있을 수밖에 없다.
현대차는 이 때문에 앞뒤 부분의 차체를 전체적으로 한 덩어리로 주조하지 않고 부분적으로 볼트로 조립하는 방법을 채택할 것으로 예상된다. 더불어 알루미늄으로 전체를 주조했을 때의 비용 부담이 있을 수 있어 스틸 베이스 기술과 분리할 것에 대해서도 연구하고 있다. 아직 확실한 결과가 도출되지는 않았지만, 토요타가 그렇듯이 그동안 축적해 온 노하우를 최대한 활용해 최종 제품에 문제가 없도록 한다는 방침이다.
대형 주조기는 테슬라가 처음 사용했던 이드라 등 외주를 통해 공급받지만, 그 안에 사용될 금형은 자체적으로 개발하는 것도 염두에 두고 있다. 이미 엔진 블록의 기가캐스팅 기술도 보유하고 있다.
현대자동차 관계자는 올해 초 기자와의 만나 기가프레스를 도입하겠지만 테슬라와 같은 방식으로는 하지 않을 것이라고 말했었다. 이미 관련한 프로젝트가 진행 중이었다는 의미이다.
현대차그룹은 중국에서 생산해 올해 11월 중국 시장부터 기아 EV5를, 내년 초에는 유럽 시장용 EV4를 출시한다. EV5는 2만 2,000달러로 책정됐고, EV4는 3만 달러 이하의 가격이 예상된다. 이는 기가프레스는 사용하지 않더라도 비용 저감을 생산 기술이 채용됐을 가능성이 있다는 것을 의미한다. 비용 절감에 대해 또 다른 방법으로 연구가 있었다는 얘기이다.
현대차는 2023년 8월 21일, 특허청에 하이퍼 캐스팅이라는 이름으로 상표권 등록을 신청했다. 전동화 전환 및 차체 경량화를 위해 완성차의 알루미늄 바디 확대 적용도 추진한다. 이를 위해 기존 엔진, 변속기 공장의 유휴부지 등 적정 부지를 선정하고 제조경쟁력 등 제반 여건이 충족되면 2026년 양산에 적용키로 했다.
기가 캐스팅은 일체형으로 조립되기 때문에 특정 부분이 손상되면 전체를 교체해야 할 경우에 대한 대안이 아직은 확실히 정립되지 않았다. 공정 효율 등 생산성 측면만 부각된 상황이다. 테슬라가 기존 자동차회사들처럼 모델 변경 시 차체 디자인을 완전히 바꾸지 못하는 이유다. 다시 말해 기가프레스 방식이 기술적으로나 산업적으로나 완전히 검증되지는 않았다는 것이다.
현대차는 이와는 별도로 대량 생산 및 판매가 불가능해 기존 양산라인에서 생산할 수 없는 럭셔리 모델이나 한정판 모델 등 일부 차종의 개발 및 소량 양산을 위해 다기능, 다목적 생산공장 건설을 추진하기로 했다. 하이퍼캐스팅은 양산 모델에만 적용한다는 것이다. 현대차는 하이퍼캐스팅을 2026년부터 적용한다는 계획이다.
테슬라와 토요타, 현대차그룹의 새로운 생산 기술은 기가 프레스를 근간으로 100년 넘게 활용해 온 컨베이어 시스템을 없애 조립공정을 단순화한 것이 핵심이다. 물론 거기에는 플랫폼 개념의 변화도 포함된다. 한마디로 말하면 생산 공정에서의 극단적인 자동화를 추진한다는 것이다.
기가프레스라는 거대한 주조기는 테슬라를 비롯한 모든 자동차회사가 외주에 의존한다. 테슬라는 이탈리아의 이드라그룹이 처음 개발한 기가 프레스를 중국 홍콩의 공작기계 기업 LK 테크놀로지 홀딩스로부터 공급받고 있다. 이드라는 최근 새로운 기가 프레스 네오(NEO)를 개발했다. 네오는 테슬라의 언박스드 프로세스에 기여할 것으로 보인다. 여기에 스위스의 뷰러사나 일본의 UBE 머시너리도 대형 생산설비를 개발했다.
기가캐스팅 기술은 볼보와 폭스바겐도 검토를 시작한 지 오래됐지만 공개되지는 않았다. 그 전에 중국 상하이자동차와 길리자동차 그룹 지커 브랜드에는 실용화된 상태다. 이들 역시 기가프레스를 근간으로 한 생산 기술 혁신에 대한 내용은 밝혀진 바가 없다.
생산기술 혁신으로 네 번째 빅 뱅 도출할 수 있을까?
자동차산업 역사상 세 차례의 빅 뱅이 있었다. 모두 새로운 길을 개척해 산업 발전의 원동력이 됐다. 첫 번째는 20세기 초 포드의 대량생산이었다. 하루 12시간 근무에 시급 2.54달러를 지급하던 것을 8시간 일하고 시급 5달러로 올린 것이 포인트였다. 대량 생산 대량 소비를 가능하게 했다.
두 번째는 20세기 말 토요타의 생산 방식이었다. 토요타는 그때까지 연간 500만 대 생산하는데 80만 명의 인원을 고용했던 GM과는 달리 400만 대 생산하는데 7만 명으로 해결했다. 규모의 경제의 틀을 바꾸어 자동차산업의 세계화에 크게 기여했다.
세 번째는 중국의 WTO 가입이었다. GATT나 플라자협의 때와 달리 세계의 돈은 중국으로 몰렸고 중국은 세계의 공장으로 대박을 터뜨렸다. 글로벌 대형 자동차회사들은 20세기 말 연간 200만 대 규모에서 2010년을 전후해 400만대로 성장했고 다시 10년이 되지 않아 1,000만 대 업체로 성장했다. 중국 시장은 2017년 연간 2,880대로 그 어떤 나라도 경험하지 못한 시장을 만들었다. 자동차산업 사상 가장 큰 빅뱅이었다.
여기에 다시 미국이 제동을 걸었다. 트럼프로 대변되는 보호무역주의의 등장이다. 더불어 미국식 교육을 받은 식자들은 여전히 미국식 사고방식에 의해 미래를 전망한다. 더 정확히는 그들을 먹여 살리는 자본가들을 위한 분석과 전망을 하고 있다.
이런 상황에서 생산 기술 혁신은 자동차회사의 생존 여탈권을 쥐고 있다. 전기차의 가격을 획기적으로 낮추지 않으면 시장에서 경쟁력을 잃게 된다. 독일의 인더스트리 4.0이나 테슬라의 언박스드 프로세스 등 새로운 생산 기술이 어떤 결과물을 도출할지 아직은 확실치 않다. 기술적으로나 산업적으로 검증되지도 않았다. 그러나 지금까지의 상황만으로 보면 테슬라와 토요타, 현대차그룹의 행보는 앞으로 자동차업계 역학구도에 적지 않은 영향을 미칠 수 있을 것으로 보인다.
