적층 제조가 항공우주 산업을 개선하는 방법

적층 제조의 초창기부터 3D 프린팅 하드웨어 및 재료 공급업체는 항공우주 산업을 제품의 중요한 대상으로 식별했습니다. 항공기는 다양한 부품이 있는 매우 복잡한 시스템으로서 생산 도구 및 재료, 특히 구성 요소의 무게를 줄이거나 강도를 높일 수 있는 도구 및 재료의 첨단 개발의 이점을 누릴 수 있습니다. 일부 3D 프린팅 프로세스는 두 가지 모두를 수행한다고 주장합니다.

불행히도, 이것이 항공 우주가 다른 산업보다 빠르게 적층 제조를 채택했다는 것을 의미하지는 않습니다. 사실, 항공기와 그 무수한 구성 요소는 가장 엄격한 인증 및 테스트 절차를 거쳐야 하기 때문에 3D 인쇄된 항공 우주 구성 요소가 개념에서 구현까지 가는 데 실제로 몇 년 또는 수십 년이 걸릴 수 있습니다. 기술은 있지만 수년간의 테스트와 관찰에서 나온 지식은 없습니다. 따라서 인명 피해가 적은 저위험 산업에서 적층 제조를 구현하는 것이 훨씬 쉽습니다.

그러나 3D 인쇄된 항공우주 제품의 구현은 느릴 수 있지만 등급을 만든 부품은 이미 업계에 큰 영향을 미치고 있습니다. 3D 인쇄된 실내 벽과 같은 단순한 것부터 적층 제조된 금속 엔진 부품과 같은 절대적으로 중요한 부품에 이르기까지 AM은 의심할 여지 없이 세계에서 가장 수익성이 높고 빠르게 변화하는 산업 중 하나에서 도약하기 시작했습니다.

이 기사에서는 AM이 항공 우주 산업에서 사용되고 있으며 앞으로 사용될 몇 가지 방법에 대해 간략히 설명합니다.

경량화 및 강도 최적화

적층 제조와 절삭 가공 제조는 여러 면에서 다르며 3D 프린팅과 기존 대안 간의 선택은 종종 딜레마를 나타냅니다. 그러나 두 접근 방식의 주요 차이점 중 하나는 부품의 내부 형상을 형성하는 각각의 능력입니다.

3D 프린팅은 엔지니어가 무게를 추가하지 않고 내부 강도를 최대화하기 위해 복잡한 기하학적 패턴을 사용하는 부분적으로 속이 빈 내부가 있는 구성 요소를 제작할 수 있기 때문에 항공 우주와 같은 산업에서 매우 유용합니다. 3D 프린터는 "아래에서 위로" 부품을 만들기 때문에 금속 엔진 부품이나 플라스틱 캐빈 파티션과 같은 부품 내에 격자와 같은 구조를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 몰딩(액체 재료가 전체 캐비티를 채우기 때문에) 또는 기계 가공(절삭 도구가 외부를 관통하지 않고 내부에 도달할 수 없기 때문에)과 같은 기존 프로세스를 사용하여 이 작업을 수행하는 것은 불가능합니다.

이러한 격자 구조의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 항공기를 제작할 때 1g의 무게가 최대 효율을 가로막는 장애물이지만 3D 프린팅을 사용하면 부분적으로 속이 빈 격자 구조의 내부로 제작하여 부품의 질량을 크게 줄일 수 있습니다. 격자의 짜임새가 있는 실은 강도를 최대화하고 응력을 줄이기 위해 수학적으로 최적화된 방식으로 배열될 수 있으며, 경량 부품이 그보다 강하지는 않더라도 완전히 견고한 대안만큼 강하도록 보장합니다. 더 중요한 것은 이러한 나사산 사이의 공간이 무중력 상태이므로 부품의 전체 질량이 감소한다는 것입니다.

경량 부품을 만들기 위해 3D 프린팅을 사용하는 항공우주 회사의 많은 예가 있습니다. 2011년, Boeing 소유의 HRL Laboratories의 연구원들은 밀도가 0.9mg/cc에 불과하여 스티로폼보다 약 100배 더 가벼운 "세계에서 가장 가벼운 재료"로 여겨지는 금속의 개발을 발표했습니다. 연구원 중 한 명인 Tobias Schaedler는 "비법은 벽 두께가 100나노미터이고 사람 머리카락보다 1,000배 더 얇은 상호 연결된 중공 튜브의 격자를 제작하는 것"이라고 설명했습니다.

연구원들이 경량 3D 인쇄 격자 구조의 가능성을 계속 탐색함에 따라 항공우주 회사는 경량화 및 강도 최적화를 위해 적층 제조에 점점 더 관여하게 될 것입니다.

시제품 및 예비품

모든 산업 분야에서 적층 제조의 가장 큰 장점 중 하나는 주문형 및 사내 부품 제조 능력입니다. 3D 프린터는 어디에서나 설치할 수 있고 대부분 자율적으로 작동할 수 있으므로 3D 인쇄 부품의 리드 타임이 매우 짧습니다. 이 때문에 항공우주 회사는 즉각적인 테스트를 위해 부품의 새로운 반복을 신속하게 제작할 수 있으며 궁극적으로 R&D 프로세스를 단축하고 부품을 더 빨리 완료할 수 있습니다.

따라서 더 빠른 프로토타이핑은 항공 우주에서 적층 제조의 주요 용도 중 하나이며 그 결과가 입증되었습니다. 적층 제조 대기업 Stratasys에 따르면 항공 우주 프로토타입에 사내 3D 프린팅을 사용하면 시간을 약 43% 절약할 수 있습니다. 사출 성형 및 CNC 툴링과 비교하면 약 75%, 2D 레이저 절단과 비교하면 약 75%입니다.

항공 우주가 적층 제조의 이점을 누릴 수 있는 또 다른 영역은 재고 관리입니다. 일반 상업용 항공기는 약 400만 개의 부품으로 구성되며, 모두 동일한 제조업체에서 제작하는 것은 아닙니다. 이는 항공기 공급업체가 항공기 수리가 필요한 경우에 대비하여 막대한 예비 부품 재고를 유지해야 함을 의미합니다. 예비 부품을 구입하는 데 큰 비용이 들며, 이를 모두 보관할 부동산을 구입하는 것도 마찬가지입니다.

3D 프린터는 이 분야에서 매우 유용한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 항공우주 회사는 현장에 3D 프린터를 유지함으로써 거대한 창고를 수백만 개의 값비싼 예비 부품으로 채우는 대신 STL과 같은 인쇄 가능한 형식으로 예비 부품의 디지털 라이브러리를 간단히 보관할 수 있습니다. 이러한 방식으로 회사는 필요할 때만 부품을 3D 프린팅할 수 있습니다. 디지털 예비 부품 라이브러리를 사용하는 이러한 전술은 많은 산업 분야에서 점차적으로 채택되고 있으며 대규모로 구현되는 데 수십 년이 걸릴 것이지만 항공 우주는 가장 큰 수혜자 중 하나가 될 수 있습니다.

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