2020. 3. 30. 15:23ㆍ3D프린터 소개/SLM방식 3D프린터
(주)퓨전테크놀로지는 독일 SLM Solutions사의 SLM 메탈 3D프린터 솔루션 공급사로서 국내의 다양한 산업에 계신 고객분들에게 니즈에 맞는 솔루션을 제공하고자 합니다. 오늘은 항공우주산업에서 SLM Solutions의 3D프린팅 기술력을 보여준 활용사례를 가지고 왔습니다.
항공우주 및 방위산업은 수년 간 3D프린팅 기술을 활용해왔습니다. 이 산업에서 3D프린팅 기술이 주는 이점은 과연 무엇일까요?
첫번째 이점은 바로 부품 단순화입니다.
예를 들어볼까요? 냉각 시스템 안에 있는 팬(Fan)은 최대 73개의 많은 노동력과 시간을 필요로 하는 부품들로 구성되어 있습니다.
이러한 복잡한 부품들이 3D프린팅 기술을 거친다면 설계자유를 통해 단일 부품으로 통합될 수 있는 엄청난 이점을 갖고 있는 것입니다.
단순한 디자인 통합뿐일까요? 아닙니다. 3D프린팅 기술은 부품의 조립시간과 가능한 실패요인도 줄여주는 등 기존의 제조방법(절삭가공)으로 인해 생성되는 폐기물을 줄일 수 있습니다.
두번째 이점은 바로 적기분산제조입니다.
영어로는 Just in time이라고도 하는 이 생산방식은 제조 공정에서 발생하는 모든 낭비요인을 최소화함으로써 원가를 절감하고 생산성과 품질향상을 목표로 합니다. 항공우주 및 방위산업에서 시장 출시 기간을 단축시키는 핵심요소는 빠른 생산을 가능하게 하는 공급망 혁신인데요.
너무나 잘 아시다시피 모든 산업군에서 출시 기간은 성공을 위한 중요한 요인 중 하나입니다. 이러한 측면에서 3D프린팅 기술은 주문형 제조방식보다 생산주기를 단축하기에 더 좋은 방법이라고 할 수 있습니다. 그 어떠한 인증이나 자격조건 없이도 3D프린팅 기술은 전 세계 어디에서나 바로 특수부품을 생산할 수 있기 때문입니다. 하지만, 이를 현실화시키기 위해서는 항공우주 및 방위산업의 엄격한 요구를 충족시킬 수 있는 품질에 대한 인증과 장비 안정성 등 헤쳐나가야 할 과제들이 남아있습니다.
"항공우주 산업의 잠재력을 보여주는 3D프린팅 일체형 로켓 엔진"
로켓 부품을 제조할때는 많은 기준을 고려해야 합니다. 경량화 구조는 필수적이며 재료 또한 높은 응력과 온도를 견딜 수 있어야 합니다. 게다가, 이렇게 복잡한 형상의 제조 비용은 기존의 전통적인 제조 공정을 통했을 때 매우 비쌀 수 밖에 없습니다.
바이오닉 엔지니어링을 전문으로 하는 독일 베를린의 스타트업 회사인 CellCore는 매우 효율적이고 최적화된 자연의 구조 원리를 기술에 적용하여 기존의 접근 방식으로 한계에 부딪혔던 어플리케이션을 위한 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 로켓 추진 엔진을 위한 추력실(Thrust chamber) 설계를 통해 CellCore는 SLM 기술의 장점과 이 기술이 항공우주 산업에서 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었습니다.
CellCore와 SLM Solutions가 공동 제작한 로켓 엔진은 추력실과 연소실 벽면이 있는 액체 분사 엔진의 핵심 요소, 연료 주입구와 산화제 주입구가 있는 분사 헤드로 구성되어 있습니다. 연소실에서의 화학반응은 열 발생으로 인해 팽창된 가스를 생성한 후 엄청난 힘으로 배출됩니다. 이때, 반동을 통해 로켓을 구동하는데 필요한 추력을 생성하게 되는 것입니다. 이 연소 과정에서 챔버에 매우 높은 온도가 생성되기 때문에 불타는 것을 막기 위해서는 벽면을 냉각시켜야 하는데요. 냉각을 위해서는 액체 연료 (예를 들면 등유나 수소)가 분사 헤드를 통해 들어가기 전 연소실 벽면의 냉각 덕트를 통해 위쪽으로 공급되어야 합니다. 위쪽으로 공급된 연료는 그 곳에서 산화제와 혼합되어 점화 플러그에 의해 점화됩니다. 그런데, SLM기술을 통해 제조된 이 로켓 엔진에서는 전통적인 구조에서와는 달리 냉각은 설계의 일부로서 벽면 안에 통합되어 챔버와 함께 한번의 공정만으로 생성됩니다. 기존의 엔진은 그 형태가 매우 복잡하여 제조 공정 비용뿐만 아니라 제조 시간도 최소 반년이 걸릴 정도로 오랜 기간이 소요되죠. 그런데, 이 합작 로켓 엔진 모델이 출력되는 데까지는 채 5일도 걸리지 않았습니다. CellCore와 SLM Solutions의 만남으로 SLM기술이 항공 우주 산업에 제공할 수 있는 무한한 가능성을 보여준 훌륭한 사례라고 볼 수 있죠.
훌륭한 설계와 훌륭한 기술이 만나 탄생한 이 일체형 로켓 추진 엔진은 항공 우주 산업의 숙제였던 시간과 비용의 문제를 완벽히 해결하였습니다. 사진에서 보실 수 있다시피 격자 구조(Lattice Structure)를 통해 상당한 무게 감소를 이뤄내어 경량화를 달성하였을 뿐만 아니라, 수많은 개별 부품을 단순화하고 결합하여 부품 단순화를 통해 비용절감 효과를 낼 수 있었습니다. 제조시간 또한 기존의 전통적인 제조공정보다 매우 짧은 시간 내에 제조가 가능하여 시간적인 문제 또한 해결할 수 있습니다. 단순히 시간과 비용만 감소시켰을까요? CellCore가 개발한 이 로켓 엔진의 내부 구조는 열 전달에 매우 효율적이며 구조적인 안정성이 높을 뿐만 아니라 직각이나 동심원으로 작동하는 기존의 냉각 덕트보다 훨씬 뛰어난 성능을 가졌습니다.
일체형 로켓 엔진을 제작하기 위해 사용된 SLM 280 PS 장비는 280 x 280 x 365mm의 빌드챔버 크기를 제공합니다.
SLM 280 PS 장비는 생산에 최적화된 멀티 빔 레이저 기술을 포함하여 더 견고하고 일관성 있는 성능에 중점을 두고 있습니다. 경쟁사 제품과 비교하여 80% 더 빠른 제작속도를 자랑하며 복잡하고 섬세한 부품 제작이 가능합니다. 바로 SLM Solutions만의 멀티 레이저 시스템과 양방향 파우더 리코팅 시스템 덕분이라고 할 수 있는데요. 레이저 구성은 Single, Dual, Twin 총 세 가지로 옵션 선택이 가능합니다. Single 레이저의 경우 400W 혹은 700W 레이저 1개를 장착하며 Dual의 경우 700W 와 1000W 각 1개씩을 장착할 수 있습니다. 마지막으로 Twin 레이저는 2개의 400W 레이저 혹은 2개의 700W 레이저 장착이 가능합니다. SLM Solutions는 업계 최초로 멀티레이저 시스템을 선보인만큼 멀티 레이저 시스템의 기능과 안정성을 자신있게 보장합니다. 또한, SLM Solutions만의 특허기술인 양방향 리코팅 시스템은 제작시간 단축에 큰 역할을 하고 있습니다. 이 외에도 SLM 280 PS에 장착된 영구 필터 모듈 솔루션은 공정 챔버를 깨끗하게 유지시켜줄 뿐만 아니라 필터의 수명도 늘려줍니다. 복잡한 필터 카트리지 교체가 필요없어 비용측면에서도 효과적이라고 할 수 있습니다.
더 자세한 기능은 아래의 영상에서 확인하실 수 있습니다!
Monolithic Thrust Chamber
산업군 : 항공우주 산업
재료 : IN718
적층두께 : 30 µm
빌드타임 : 3일 5시간 34분 (1개)
사용장비 : SLM280
SLM Solutions는 이번 프로젝트를 위해 다운스킨 최적화에 중점을 두고 로켓엔진의 기하학적 구조를 위한 특정한 파라미터 값을 개발하였습니다. 특히, 항공우주 산업에서 요구하는 높은 재료 요구사항을 충족시키기 위해서 니켈합금 IN718 재료로 엔진을 제작하였습니다. 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 매우 중요한 재료라고 할 수 있습니다. 만약 기존 공정방식으로 가공하게 된다면 경질 재료를 사용해야 하기 때문에 가공자체도 어려울 뿐만 아니라 공구마모가 심하기 마련입니다. 하지만 3D프린팅 기술, 그 중 SLM 기술을 이용한다면 파우더형태의 재료를 레이저로 용융시키는 과정을 거치기 때문에 이러한 기하학적 구조를 보다 쉽고 빠르게 제작하는 것은 그리 어려운 문제가 아닙니다. 이번 일체형 로켓엔진의 성공적인 활용사례는 항공 우주 회사로 하여금 로켓 시스템의 기능을 최적화하면서 뛰어난 품질을 유지할 수 있게끔 개발과 테스트 및 생산 시간을 대폭 줄임으로써 경쟁력을 높일 수있는 좋은 기회를 제공합니다.
SLM Solutions사의 SLM 3D프린터
저희 (주)퓨전테크놀로지는 독일 SLM Solutions사의 SLM방식 3D프린터 국내 독점 리셀러입니다. SLM Solutions사는 업계 최초로 멀티 레이저 시스템을 제공한 선도기업으로 전 세계의 고객들에게 신뢰받는 특허받은 품질과 안정성 있는 제품을 제공합니다. SLM 3D프린터와 관련하여 기술적으로 궁금하신 사항이 있으시거나 활용 솔루션이 필요하시다면 언제든지 문의 부탁드리겠습니다.
아래의 영상을 통해 SLM(Selective Laser Melting) Technology 방식에 대해 소개하는 영상을 확인해보세요!
SLA, SLS, SLM방식의 산업용 3D프린터 토탈 솔루션사인 (주)퓨전테크놀로지는 다양한 3D프린터 활용 사례를 공식 블로그를 통해 알리고 있습니다. 공식 블로그를 즐겨찾기 혹은 이웃추가 해 주시고 앞으로 기재될 3D프린터와 관련된 더욱 알찬 소식을 확인하시기 바랍니다.
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