[SLM 3D프린터 특집 3부] 금속 3D프린터 혁신기업 SLM Solutions - 항공우주 산업의 요구사항을 해결한 '단일 로켓 엔진 챔버' 성공사례 - (주)퓨전테크놀로지

SLM Solutions사의 금속3D프린터 -3부 -

금속 3D프린터 혁신기업 SLM Solutions - 항공우주 산업의 요구사항을 해결한 '단일 로켓 엔진 챔버' 성공사례

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Prologue

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금속 3D 프린팅 기술의 핵심은 다양한 파우더 재료를 출력할 수 있는 공정 파라메터의 개발능력 선택적 레이저 용융(SLM : Selective Laser Melting)의 금속 3D 프린팅 방식은 적층제조 기술분야에서 가장 다양하게 활용될 수 있는 시스템으로 간주되고 있는데 그 이유는 보다 폭넓은 다양한 합금 재료를 활용할 수 있기 때문이다. 주요 활용 가능한 재료는 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 코발트, 구리 기반 합금 및 해당 재료에 추가 복합물이 포함되는 다양한 금속합금 재료가 이에 해당된다.

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▲ 선택적 레이저 용융 공정 SLM Solutions

 

SLM 방식의 금속 3D프린터 제조사들은 이와 같이 다양한 금속 합금의 파우더 재료들을 용융할 수 있도록 재료 당 최적화된 장비의 파라메터를 개발하고 보유한다. 출력을 위한 장비의 주요 파라메터로는 레이저 파워, 스캐닝 속도, 해치 간격, 레이어 두께 및 챔버 내 온도 등이 있다. 파라메터의 적용 변수에 따라 최종 출력물은 표면 품질, 기계적 물성치, 조밀도, 출력 시간, 강도, 피로 강도와 열전도성 등이 변화된다.

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▲SLM 방식의 금속 3D 프린팅 공정에 활용되는 주요 파라메터

 

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금속 3D 프린터 회사들은 파라메터를 계속적으로 변경하여 출력 테스트를 반복적으로 진행함으로써 높은 수준의 기계적 물성치를 가진 최종 출력물을 생산할 수 있는 표준 파라메터들을 개발한다. 시장이 요구하는 다양한 금속 합금 재료와 이를 출력할 수 있는 최적화된 파라메터를 전문적으로 보유하는 것은 장비 제조사의 주요 경쟁력이자 기술력이라 할 수 있다.

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▲SLM공정에 영향을 주는 주요 공정 파라메터 분류

 

SLM Solutions사의 경우, 아래 공개한 재료 차트와 같이 알루미늄, 철, 니켈, 티타늄, 코발트, 구리등 다양한 합금재료의 최적화된 파라메터를 제공한다. 또한 고객이 특정 어플리케이션에 맞는 기계적 물성치를 가진 맞춤형 재료를 요구할 시 공동으로 협력하여 최적화된 파라메터를 개발하기도 한다. 예를 들면, 재료표의 코발트 합금 중 SLM®MediDent의 경우 덴탈 고객사와 협력하여 개발한 생체 적합이 가능한 재료이다. 주요 활용처는 덴탈용 임플란트 제작 혹은 치과 보철물을 제작하는 데 활용된다.

 

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▲SLM Solutions 최적화된 장비 파라메터를 보유한 금속합금 재료 리스트

 

▲덴탈 고객사와 협력하여 개발된 CoCr SLM Medident로 출력한 덴탈 프레임 활용 사례

 

금속 3D프린터 제조사가 제공하고 있는 재료의 출력물이 고객사가 원하는 최소 요구 물성치를 충족하지 않을 때, 제조사는 고객사와 소통하며 해당 어플리케이션에 특화된 장비 파라메터를 개발할 수 있다. 제조사는 다양한 파라메터를 적용하며 여러 번의 출력 테스트와 연구를 통해 최적화된 파라메터를 고객에게 제공하고 비로소 고객사는 해당 금속 3D프린터로 원하는 어플리케이션에 맞는 부품을 생산할 수 있다.

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또한 금속 3D프린터 제조사는 장비 파라메터 개발뿐만 아니라 다양한 금속 파우더 재료를 연구하고 제조하여 적시에 제공할 수도 있어야 한다. 예를 들자면, 고객사로부터 요구되어지는 출력물의 최소 요구사항을 맞추기 위해 출력에 필요한 레이저 스캐닝 스피드를 크게 낮출 수 밖에 없다고 가정하자. 이로써 고객이 요구하는 최소 물성치를 보유한 부품을 출력할 수는 있지만, 결국 레이저 스피드가 낮아져 출력에 드는 시간이 매우 길어진다. 이 경우, 금속 3D 프린팅을 활용하기에는 효용성이 매우 떨어지기 때문에 고객사가 검토 대상에서 3D 프린팅을 제외할 수 있다. 이를 극복하기 위한 하나의 방법으로, 출력 중 챔버 내 히팅 사이클을 최적화하는 방법이 있다. 이로서 출력 시간을 대폭 줄일 수 있으나 이 방법은 사용되는 재료에 따라 가능성 여부가 달라질 수 있다. 따라서 제조사는 이를 해결할 수 있는 재료의 연구 개발에도 기술력을 갖추어야 한다.

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결론적으로, 장비 제조사들은 재료에 따른 최적화된 파라메터를 계속해서 추가 개발할 수 있는 숙련된 노하우가 있어야 함과 동시에 새로운 금속 합금 재료 또한 개발할 수 있는 노하우가 있어야 한다. 또한, 시장에서 요구되는 어플리케이션을 위한 새로운 재료를 먼저 테스트하고 시장에 우선적으로 제안할 수 있는 앞선 기술력이 필요하다.

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SLM Solutions사는 직접 장비와 재료를 모두 In-house(회사 내부)에서 직접 제조하고 있어 고객사를 위한 커스터마이징 된 재료 별 장비 파라메터를 최적으로 제공할 수 있으며, 필요 시 새로운 금속합금 재료를 협력하여 개발할 수 있는 시스템을 갖추었다. 또한 오픈 파라메터 시스템을 제공하여 고객이 스스로 맞춤형 재료를 연구 개발할 수 있도록 시스템을 열어 두었다. 이로써 고객 스스로가 새로운 어플리케이션에 맞는 기계적 물성치를 가진 재료를 연구하고 적용할 수 있도록 한다. SLM Solutions사는 항공우주 산업의 고객들과 협력하여 특정 어플리케이션을 위해 재료와 장비 파라메터를 개발에 성공한 다양한 사례가 있다.

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항공우주 산업의 고객사들이 SLM Solutions에 요구하는 것은 크게 두가지로 요약된다. 첫 번째는 금속 3D프린터로 매우 높은 수준의 기계적 물성치를 가진 출력물을 생산할 수 있어야 한다. 항공기에 적용되는 부품은 오랜 시간 활용되어도 문제가 없는, 다시 말하여 안전에 문제가 없는 제품을 생산해야 하기 때문이다. 두 번째는 부품 생산 비용을 기존 방식 대비 획기적으로 줄일 수 있는 솔루션을 원한다. 현재 항공우주 산업은 기업 간 경쟁이 매우 치열하여 원가절감이 절실한 상황에 놓여 있기 때문이다. SLM Solutions사의 항공우주 사업 본부장인 Dr. Ing. Simon Merkt-Schippers는 SLM®기술이 왜 항공우주 산업에 최적의 솔루션인가에 대하여 다음과 같이 말한다.

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"적층제조 방식은 여러가지 부품을 하나의 부품으로 통합하여 제작할 수 있는 기회를 만들어 준다. 여러가지 부품으로 조립된 제품을 적층제조 방식의 설계(DfAM)으로 부품 단일화를 이룰 수 있다. 이를 통해 여러 부품을 검증하고 조립하는 과정을 없애 비용을 절감할 수 있다.

또한 중량이 최대한 적은 개별 부품도 높은 하중을 견딜 수 있도록 위상최적화 설계를 통해 추가 비용절감을 기대할 수 있으며 SLM®기술을 통해 이러한 결과물을 효과적으로 얻을 수 있다. 이를 가장 잘 보여주는 사례가 바로 Monolithic thrust chamber(단일 로켓 엔진 챔버)제작 사례이다. 로켓에 활용되는 부품을 제조할 때는 많은 기준을 고려해야 한다. 부품의 경량화 구조는 필수적이며 재료또한 높은 응력과 온도를 견딜 수 있어야 한다. 게다가, 이렇게 복잡한 형상을 제조할 시 전통적인 공정을 통한다면 매우 고가이며 제작이 불가능 할 수도 있다. 이 사례를 통해 SLM®기술이 제공할 수 있는 능력을 확인해 보길 바란다”

▲SLM Solutions 항공우주 사업부 본부장, Dr. Ing. Simon Merkt-Schippers ​

 

SLM Solutions사와 바이오닉 엔지니어링 설계를 전문으로 하는 독일 베를린 Cellcore GmbH사가 함께 협업하여 Monolithic thrust chamber(로켓 단일 추력 챔버)의 출력에 성공한 사례는 SLM 금속 3D 프린팅이 항공우주 산업에서 어떤 이점을 줄 수 있는지 확실하게 보여주는 사례이다.

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CellCore와 SLM Solutions가 공동 제작한 로켓 엔진 챔버는 다음과 같이 구성되어 있다. 액체 분사 엔진의 핵심 요소인 연소실 벽면을 갖춘 추력실, 연료 주입구와 산화제 주입구가 있는 분사 헤드로 구성되어 있다. 연소실에서 일어나는 화학반응으로 온도가 급격히 상승하고 이로 인해 발생된 가스는 엄청난 힘으로 배출한다. 이때, 반동을 통해 로켓을 구동하는데 필요한 추력을 생성하게 된다.

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▲Cellcore GmbH사가 설계하고 SLM Solutions사가 출력한 내부 자체 쿨링구조를 갖춘 로켓 단일 추력 챔버

 

이 연소 과정에서 챔버에 극심하게 높은 온도가 생성되고 이로 인하여 챔버가 불타는 것을 막기 위해 벽면이 반드시 냉각되어야 한다. 이를 해결하기 위해서 액체 연료(예를 들면 등유나 수소)는 분사 헤드로 주입되기 전 연소실 벽면의 냉각 덕트를 통과하여 위쪽으로 공급되어야만 한다. 위쪽으로 공급된 연료는 그 곳에서 산화제와 혼합되어 점화 플러그에 의해 점화된다. 전통적인 로켓 엔진 추력실의 경우, 냉각 덕트는 다수의 원추형 구멍으로 뚫려 있으며 여러 단계를 거쳐 순차적으로 밀봉되는 구조여서 제작하기에 매우 복잡한 공정과 많은 부품을 요구한다.

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▲반복적인 Filgree 구조로 설계된 로켓 단일 추력 챔버 벽면 안의 냉각채널

 

▲CellCore가 설계한 구조적 냉각 채널은 전체 구조의 안정성과 기능성을 모두 만족하는 구조

 

그런데 SLM®기술을 통해 제조된 이 로켓 엔진 추력실은 전통적인 구조의 추력실과는 달리 냉각덕트가 추력실의 디자인 일부로서 벽면 안에 통합되어 챔버와 함께 한번의 공정만으로 제작된다. Cellcore GmbH사가 설계한 추력실의 벽면의 Filgree 구조는 전통적인 금속 제조 방법으로는 제작될 수 없다. 이 방식은 열 전달 및 열 해소를 더욱 효율적으로 만들어줄 뿐만 아니라 부품의 구조적인 안정성 또한 향상시켰다. 동시에 낮은 전류 저항을 갖추면서도 높은 반응성을 가진 표면을 제작하였다. 기존의 엔진은 그 형태가 매우 복잡하여 제조 공정 비용뿐만 아니라 제조 시간도 최소 반년이 걸릴 정도로 오랜 기간이 소요되는데 반해 이 합작 로켓 엔진 모델은 SLM®방식으로 출력되는 데까지 채 5일도 걸리지 않는다. CellCore와 SLM Solutions의 만남으로 SLM기술이 항공우주 산업에 제공할 수 있는 무한한 가능성을 보여준 훌륭한 사례라고 볼 수 있다.

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‘단일 로켓 엔진 챔버’를 위해 특별히 개발된 니켈합금 공정 파라메터

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SLM Solutions사는 금속 3D 프린팅에 최적화되어 설계한 ‘단일 로켓 엔진 챔버’를 출력하기 위해 특정한 공정 파라메터를 개발하였다. 특히, 항공우주 산업에서 요구하는 높은 재료 요구사항을 충족시키기 위해서 니켈합금 IN718 재료를 선택하여 엔진을 출력하였다. IN718은 최대 700℃의 우수한 파괴강도와 인장, 피로 및 크리프 강도를 갖고 있는 니켈-크롬 합금으로 항공기와 가스 터빈 부품뿐만 아니라 로켓 추진 엔진과 같은 고온 응용분야에 사용되는 주요 재료이다. 만약 기존 공정방식으로 가공하게 된다면 경질의 재료를 절삭해야 하기 때문에 가공자체도 어려울 뿐만 아니라 공구마모가 심하기 마련이다.

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하지만 3D 프린팅 기술, 그 중 SLM® 기술을 이용한다면 파우더 형태의 재료를 레이저로 용융시키는 과정을 거치기 때문에 이러한 기하학적 구조를 보다 쉽고 빠르게 제작하는 것은 그리 어려운 문제가 아니다. 이번 일체형 로켓 엔진 챔버의 성공적인 활용사례는 항공우주 회사로 하여금 로켓 시스템의 기능을 최적화하면서 뛰어난 품질을 유지할 수 있게끔 개발과 테스트 및 생산 시간을 대폭 줄임으로써 경쟁력을 높일 수 있는 좋은 기회를 제공한다.

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▲단일 로켓 엔진 챔버는 니켈크롬 합금 IN718로 적층 제조되었음

 

▲’단일 로켓 엔진 챔버’의 출력에 사용된 SLM®280 장비

 

이와 같이, '단일 로켓 엔진 챔버' 사례를 통해 알 수 있듯이 금속 3D프린터 제조사는 톡정 어플리케이션에 최적화된 맞춤형 재료와 공정 파라메터를 보유하거나 빠르게 개발할 수 있는 능력이 매우 중요하고 이것이 결국 금속 3D프린터 회사의 경쟁력이 된다. 더욱 더 중요한 것은 금속 3D프린터의 전체 수명주기 동안 일관된 품질의 부품을 생산해낼 수 있는 높은 생산성과 안정성을 갖춘 장비가 필요하다.

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Epilogue

금속 3D 프린팅 토탈 솔루션을 제공하는 ㈜퓨전테크놀로지

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SLM Solutions사는 SLM®280, SLM®500, SLM®800과 SLM®1800과 같이 다양한 빌드 사이즈와 멀티 레이저를 적용한 높은 생산성을 지닌 반복 생산에 최적화된 금속 3D프린터 라인업을 보유하고 있다. 특히, 특허 받은 멀티 레이저 기술은 빌드 출력 시간을 대폭 단축할 수 있어 생산 비용을 절감한다.

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국내에서 SLM Solutions사의 금속 3D프린터를 공급하는 ㈜퓨전테크놀로지는 SLM Solutions 본사와 협업을 통해 국내 금속 3D프린터를 도입하고자 하는 고객을 위한 토탈 솔루션을 제공한다. 장비와 금속 파우더 재료를 맞춤형으로 제안하고 빌드 소프트웨어 솔루션을 함께 제공한다. 출력 후에는 출력물의 품질 보증을 위한 도구들과 사용 방법을 교육하고 후처리 방안에 대한 전문적 지식은 전달하고 있다. 결론적으로 고객사가 당면한 어플리케이션을 금속 3D 프린팅으로 전환하여 경제적 이득을 얻을 수 있도록 모든 제조 공정 별 교육 지원을 금속 3D 프린팅 전문가가 직접 참여하고 돕는다.

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고객사가 요청할 시에는 긴밀한 협업을 통해 특정 어플리케이션에 맞는 재료와 공정 파라메터를 함께 개발하기도 하며, SLM®장비의 오픈 파라메터 시스템을 철저히 교육하여 고객사 스스로 다양한 재료를 활용하고 공정 파라메터를 연구 개발하여 어플리케이션을 성공시키도록 한다.

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산업용 3D프린터와 관련 소프트웨어 분야에서 20년이 넘는 깊은 업력과 노하우를 갖춘 ㈜퓨전테크놀로지 김인명 대표는 “금속 3D 프린팅의 성공도입 사례는 고객사와의 긴밀한 협력을 통해서만 가능할 것이며 국내에서도 의료분야를 포함하여 산업분야에서 새로운 성공사례를 만들어 내 국내 기업들의 경쟁력 제고에 이바지하겠다”라고 포부를 밝혔다.

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▲3D 프린팅 업계 20년이 넘는 경력을 지닌 (주)퓨전테크놀로지 김인명 대표

㈜퓨전테크놀로지 / 031-342-8263 / www.fusiontech.co.kr / support@fusiontech.co.kr

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[SLM 3D프린터 특집 2부 다시보기] - SLM® 금속 3D프린팅으로 부품을 출력하고자 할 시 고려해야 할 6가지 주요 사항

 

[SLM 3D프린터 특집 - 2부] SLM® 금속 3D프린팅으로 부품을 출력하고자 할 시 고려해야 할 6가지 주요

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다음 특집은 더욱 알찬 내용으로 찾아뵙겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.

(주)퓨전테크놀로지 마케팅 팀