응용 프로그램 스포트라이트:3D 인쇄 로켓과 우주선 제조의 미래

3D 프린팅은 우주선 제조, 특히 로켓을 위한 흥미로운 기술로 빠르게 자리잡고 있습니다. 신생 기업과 기존 제조업체는 모두 3D 프린팅을 채택하여 더 저렴한 비용과 더 빠른 처리 시간으로 향상된 디자인과 성능을 갖춘 로켓 구성 요소를 만들고 있습니다.

이번 주에 우리는 로켓 부품 및 전체 로켓에 대한 3D 프린팅의 이점을 살펴봄으로써 Application Spotlight 시리즈를 계속합니다.

이 시리즈에서 다루는 다른 애플리케이션을 살펴보십시오.

열 교환기를 위한 3D 프린팅

베어링용 3D 프린팅

자전거 제조를 위한 3D 프린팅

디지털 치과 및 투명 교정기 제조를 위한 3D 프린팅

의료용 임플란트를 위한 3D 프린팅

신발 제조를 위한 3D 프린팅

전자 부품용 3D 프린팅

철도 산업의 3D 프린팅

3D 인쇄 안경

최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅

브라켓용 3D 프린팅

터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅으로 유압 부품의 성능 향상

3D 프린팅이 원자력 산업의 혁신을 지원하는 방법

로켓 부품 제조에 3D 프린팅이 사용되는 이유는 무엇입니까?

인공위성을 우주로 보내기 위한 경쟁이 점점 치열해지고 있습니다.

이러한 이유로 우주선 제조업체는 로켓 개발 및 생산을 가속화하는 동시에 비용을 절감하고 효율성을 높이는 문제에 직면해 있습니다.

그러나 기존 로켓 제조에서는 여러 프로토타이핑 주기와 생산 단계로 인해 프로세스가 길고 비용이 많이 듭니다.

예를 들어, 기존 연소실(연료와 압축 공기의 혼합물이 점화되는 구조적 로켓 부품)을 만드는 데 10~14개월이 걸릴 수 있습니다.

이 연소실을 생산하려면 제조업체에서 별도의 부품을 주조 및 단조해야 합니다. 냉각 채널은 주변 가공해야 합니다. 챔버 — 시간이 많이 걸리고 노동력과 비용이 많이 드는 프로세스입니다.

이러한 과제를 고려하여 주요 로켓 제조업체는 이미 적층 제조 방식으로 연소실을 생산하기 시작했습니다. 설계가 완료되면 3D 인쇄 연소실을 몇 주 이내에 제조할 수 있으므로 제조업체는 생산 시간과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

우주에서 발사될 하드웨어를 제조하려면 뛰어난 성능과 정밀도가 필요합니다. 성공적인 출시를 위해서는 모든 부분이 원활하게 함께 작동해야 합니다.

전통적인 제조 방식에서는 엔지니어가 매우 복잡한 로켓 부품을 설계할 때 한계에 직면했습니다. 금속 3D 프린팅을 통해 엔지니어는 기존 프로세스의 일부 한계를 극복하고 더 복잡한 로켓 구성 요소를 더 빠르게 개발할 수 있습니다.

로켓 부품 제조에 사용되는 3D 프린팅 기술

오늘날 우주선 회사는 연소실, 인젝터, 노즐, 펌프 및 밸브와 같은 로켓 엔진 부품을 생산하기 위해 SLM(선택적 레이저 용융)과 같은 레이저 기반 금속 3D 프린팅 기술을 전반적으로 채택했습니다. SLM은 강력하고 미세 조정된 레이저를 금속 분말 층에 적용하여 금속 입자를 함께 융합합니다. 이 프로세스는 부품이 생성될 때까지 수백 개의 레이어에 대해 반복됩니다.

SLM은 높은 정밀도를 제공하며(20미크론만큼 얇은 레이어를 인쇄할 수 있음) 다양한 고성능 금속 작업에 최적화되어 있습니다. , 티타늄에서 니켈 합금까지. 이 기술은 일반적으로 더 작은 부품에 사용됩니다.

SLM 외에도 일부 우주선 회사는 DED(직접 에너지 증착) 기술을 사용하여 대형 부품을 만듭니다. DED 3D 프린터는 노즐을 통해 빌드 플랫폼에 증착될 때 레이저 또는 전자빔으로 금속 재료를 녹여서 작동합니다.

일반적으로 DED 기계는 재료 증착 속도가 빠르며 분말 또는 와이어 형태의 금속 재료로 작업할 수 있어 그물 모양에 가까운 고밀도 부품을 생성할 수 있습니다.

로켓을 위한 3D 프린팅의 이점

반복 기능 빠르게

로켓 부품용 3D 프린팅의 가장 큰 장점 중 하나는 설계를 매우 빠르게 반복할 수 있다는 것입니다.

“애디티브를 사용하면 전통적인 방법을 통해 첫 번째 디자인을 얻기도 전에 디자인을 5번 반복할 수 있으며 이 다섯 가지를 모두 합하면 1번 미만의 비용이 들 것입니다. 전통적인 반복 "라고 말했습니다. EOS North America의 항공우주 사업 개발 관리자인 Scott Killian은 engineering.com과의 인터뷰에서 말했습니다.

3D 프린터는 도구 없이도 설계 파일에서 직접 로켓 부품을 만들 수 있습니다. 부품을 수정해야 하는 경우 엔지니어는 원본 CAD 파일을 간단히 변경하고 기존 프로세스에서 허용하는 것보다 훨씬 빠르게 수정된 새 설계를 생성할 수 있습니다.

설계 유연성

3D 프린팅은 도구에 의존하지 않고 우주선 엔지니어에게 기존 프로세스로는 달성할 수 없는 복잡한 모양과 형상을 생성할 수 있는 유연성을 제공합니다.

연소실을 고려하십시오. 모든 로켓 엔진의 중요한 구성요소인 연소실은 추진제가 내부에서 혼합되고 점화되기 때문에 고압 환경과 최대 2760°C(5,000°F)의 온도를 견뎌야 합니다.

효율적으로 작동하기 위해 이 구성 요소는 절대 영도보다 38°C(100°F) 미만으로 냉각된 가스로 채워진 복잡한 내부 냉각 채널이 필요합니다.

전통적으로 이러한 냉각 채널은 개발하는 데 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 냉각 채널을 CNC로 가공하고 챔버 외벽을 납땜하기 위한 특수 공구가 필요합니다. 그런 다음 이러한 개별 세그먼트를 하나의 조각으로 용접해야 합니다.

3D 프린팅은 반면에 전체 챔버를 직접 생산할 수 있어 공정을 간소화합니다. 또한 위의 이미지에서 볼 수 있듯이 기계로 가공할 수 없는 복잡한 냉각 채널 설계도 가능합니다.

저렴한 로켓 부품

엔진은 발사체(위성 또는 기타 우주선을 우주로 발사하는 데 사용되는 로켓 구동 차량)에서 가장 비싼 부품입니다. 엔진 비용은 전체 로켓 비용의 40%를 차지할 수 있습니다. 3D 프린팅을 사용하여 중요한 엔진 부품을 제작함으로써 로켓 제조업체는 우주선의 전체 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

3D 프린팅을 통해 엔지니어는 여러 생산 단계를 거치지 않고 로켓 엔진 구성 요소의 생산을 간소화할 수 있습니다. 단계가 적을수록 필요한 장비와 미세 조정이 적어 궁극적으로 생산 비용이 절감됩니다.

또한 3D 프린팅으로 생산 프로세스를 자동화하면 대부분의 인건비가 공식에서 제거됩니다. .

예를 들어, 영국의 항공우주 회사인 Orbex는 SLM 기술과 니켈 합금을 사용하여 Prime 발사기용 엔진을 3D 인쇄했습니다. 금속 3D 프린팅을 통해 Orbex는 CNC 가공과 같은 보다 전통적인 생산 프로세스에 비해 처리 시간을 90% 단축하고 비용을 50% 절감할 수 있었습니다.

Elon Musk의 개인 소유 상업 우주 벤처인 SpaceX는 또한 비용을 절감하고 Draco 및 SuperDraco 추진기의 생산 공정에서 더 큰 유연성을 제공하기 위해 3D 프린팅을 채택했습니다. 이 회사는 SLM 기반 금속 3D 프린터를 사용하여 인코넬 연소실을 만듭니다.

Musk에 따르면 "3D 인쇄를 통해 견고하고 고성능의 엔진 부품을 적은 비용으로 만들 수 있습니다. 전통적인 제조 방법의 비용과 시간 .”

간단한 조립

또한 엔지니어는 조립 프로세스의 단계 수를 크게 줄일 수 있습니다. 이것은 여러 구성 요소로 만든 로켓 부품을 단일 조각으로 3D 인쇄하여 달성할 수 있습니다.

인젝터 헤드를 예로 들어 보겠습니다. 인젝터 헤드는 연료 혼합물을 연소실로 밀어 넣는 추진 모듈의 핵심 요소 중 하나입니다.

전통적으로 인젝터 헤드는 수십 또는 수백 개의 부품으로 만들어지며 함께 기계로 가공하고 용접해야 합니다. 대조적으로, 3D 프린팅은 이러한 구성 요소를 단일 조각으로 생산할 수 있습니다.

독일 항공 우주 센터(DLR)의 연구원들은 3D 프린팅을 사용하여 소형 위성 발사기용 주입기 헤드의 새로운 디자인을 만들었습니다.

결과는 10% 더 가벼운 일체형 부품입니다. 구성 요소의 수를 30개에서 1개로 줄임으로써 연구팀은 고정 사이트에서 알려진 실패 지점도 제거했습니다. 마지막으로, 새롭고 최적화된 디자인은 부품 성능을 향상시키고 부품 수명을 연장한다고 합니다.

마찬가지로 금속 3D 프린팅 전문업체 EOS는 Ariane 6 발사기용 인젝터 헤드 조립을 단순화했습니다. , Airbus Group과 Safran의 합작 투자 회사인 ArianeGroup이 개발했습니다.

SLM 기술을 사용하여 팀은 기존 설계에 필요한 248개 부품 대신 하나의 부품으로 인젝터 헤드를 재설계할 수 있었습니다. 추가 이점으로는 50%의 비용 절감과 3배 단축된 리드 타임이 있습니다.

3D 인쇄 로켓 부품의 예

Rocket Lab의 3D 인쇄 Rutherford 엔진

7월에 캘리포니아에 본사를 둔 항공우주 회사인 Rocket Lab은 100번째 3D 프린팅 Rutherford 로켓 엔진을 완성했습니다. 이 회사는 2013년부터 모든 주요 엔진 구성요소(연소실, 인젝터, 펌프 및 주요 추진제 밸브 포함)에 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.

9개의 Rutherford 액체 추진제 엔진이 Rocket Lab의 Electron 로켓에 동력을 공급하고, 복합 재료로 만들어졌으며 최대 225kg의 페이로드를 운반할 수 있습니다. 엔진 부품은 기존 공정보다 저렴하게 엔진 부품을 생산할 수 있는 EBM(전자빔 용융) 기술을 사용하여 3D 프린팅됩니다.

최근 Rocket Lab은 전자 발사기로 4개의 위성을 궤도에 성공적으로 발사하여 3D 인쇄 엔진의 신뢰성을 다시 한 번 입증했습니다.

회사는 2020년까지 한 달에 두 번 출시할 계획입니다. Rocket Lab에서 3D 프린팅을 통해 몇 달이 아닌 며칠 만에 엔진을 생산할 수 있게 되면서 팀은 이 계획을 실행에 옮길 수 있는 좋은 위치에 있습니다.

전체 로켓 3D 프린팅

캘리포니아에 기반을 둔 신생 기업인 Relativity Space는 3D 인쇄 로켓 엔진을 뛰어넘기를 원합니다. 이 회사는 구성 요소의 약 95%가 3D 인쇄될 테란 로켓을 개발하고 있습니다.

이를 달성하기 위해 회사는 세계 최대 DED 금속 3D 프린터 중 하나인 Stargate를 개발했습니다. 직경이 2.7m(9피트)이고 높이가 약 4.5m(15피트)인 구성 요소를 생성할 수 있는 Stargate는 모든 연료 탱크 및 기타 대형 로켓 구성 요소를 인쇄합니다.

Relativity Space는 3D 프린팅을 사용하여 거의 전체 로켓을 제조함으로써 로켓의 무게를 크게 줄여 잠재적으로 발사 비용을 줄이는 동시에 탑재량을 늘릴 수 있기를 희망합니다.

3D 프린팅은 또한 조립해야 하는 부품의 수를 줄여 로켓의 강도와 안정성을 높일 것입니다.

소형 부품의 경우 이 회사는 SLM 기술을 사용하고 있습니다.

Relativity Space에 따르면 3D 프린팅을 사용하면 설계를 빠르게 변경할 수 있으며 일반적으로 로켓 개발에 필요한 것보다 적은 도구와 노동력을 사용할 수 있습니다. 결국, 이를 통해 Relativity Space는 2개월 이내에 원자재에서 비행 준비가 된 로켓으로 이동할 수 있습니다.

Relativity Space는 현재 전체 로켓에 3D 프린팅 기술을 적용하는 유일한 회사입니다. 3D 프린터로 만든 로켓 개념이 성공할 수 있을까요? 답은 궁극적으로 테스트 및 출시에 있습니다. 3D 인쇄된 테란 로켓의 시험 발사는 2020년 말에 예정되어 있습니다.

항공우주 분야 3D 프린팅의 미래

3D 프린팅은 로켓과 로켓 엔진 부품을 설계하고 생산하는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 로켓 설계의 기본은 바뀌지 않았을 수 있지만 금속 3D 프린팅은 로켓 성능을 향상시키는 새로운 방법을 열어 설계의 자유도를 높였습니다.

이 기술은 가장 비싼 로켓 부품 중 하나인 엔진 제조 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 생산 단계의 수를 줄이고 설계 반복을 더 자주 가능하게 함으로써 달성됩니다.

엔진 부품을 넘어선 3D 프린팅의 기능은 아직 테스트되지 않았지만 완전히 3D 프린팅을 위한 기술의 잠재력 미래의 로켓은 정말 흥미진진합니다.

3D 프린팅은 우주선 생산을 위한 핵심 제조 기술이 되어 엔지니어가 더 빠르게 혁신하고 차세대 우주 여행을 가능하게 합니다.

다음 기사에서는 신발 산업의 3D 프린팅에 대해 살펴보겠습니다. 계속 지켜봐 주세요!