항공우주 산업의 혁신: 적층 제조가 성능과 효율을 높이는 방법

적층 제조 기술이 태동하던 초기부터 3D 프린팅 하드웨어 및 소재 공급업체들은 항공우주 산업을 자사 제품의 핵심 타겟으로 삼아 왔습니다. 항공기는 수많은 부품으로 구성된 고도로 복잡한 시스템이기 때문에, 생산 도구와 소재의 첨단 발전, 특히 부품의 무게를 줄이거나 강도를 높일 수 있는 기술로부터 큰 혜택을 볼 수 있습니다. 일부 3D 프린팅 공정은 이 두 가지를 동시에 달성한다고 주장합니다.

하지만 그렇다고 해서 항공우주 산업이 다른 산업보다 적층 제조를 더 빠르게 도입한 것은 아닙니다. 사실 항공기와 그 무수한 부품은 당연한 이유로 가장 엄격한 인증 및 테스트 절차를 거쳐야 하므로, 3D 프린팅 항공우주 부품이 개념에서 실제 적용까지 수년에서 수십 년이 걸릴 수도 있습니다. 기술은 이미 존재하지만, 수년간의 테스트와 관찰에서 오는 지식은 아직 부족합니다. 따라서 생명이 걸린 위험이 적은 저위험 산업에서 적층 제조를 구현하는 것이 훨씬 더 쉽습니다.

그러나 3D 프린팅 항공우주 제품의 구현이 느릴 수는 있어도, 이미 인증을 통과한 부품들은 업계에 큰 영향을 미치고 있습니다. 3D 프린팅된 실내 캐빈 벽체 같은 단순한 것부터, 적층 제조된 금속 엔진 부품 같은 절대적으로 중요한 부품까지, AM은 의심할 여지 없이 세계에서 가장 수익성이 높고 빠르게 변화하는 산업 중 하나에서 본격적으로 도약하고 있습니다.

이 글에서는 AM이 항공우주 산업에서 현재 그리고 미래에 어떻게 활용되고 있는지 몇 가지 주요 방식을 살펴봅니다.

경량화 및 강도 최적화

적층 제조와 절삭 제조는 여러 면에서 차이가 있으며, 3D 프린팅과 전통적 방식 사이의 선택은 종종 딜레마를 안겨줍니다. 하지만 두 접근 방식의 핵심적인 차이 중 하나는 부품의 내부 형상을 설계하는 능력에 있습니다.

3D 프린팅은 항공우주 같은 산업에서 매우 유용한데, 엔지니어가 복잡한 기하학적 패턴을 이용해 내부 강도를 극대화하면서 무게는 늘리지 않는 부분적으로 중공(空洞) 상태의 내부 구조를 가진 부품을 제작할 수 있게 해주기 때문입니다. 3D 프린터가 부품을 "아래에서 위로" 쌓아 올리는 방식이기 때문에, 금속 엔진 부품이나 플라스틱 캐빈 파티션 같은 부품 내부에 격자 형태의 구조를 만들 수 있습니다. 이는 사출 성형(액체 소재가 공동 전체를 채움)이나 가공(절삭 공구가 외부를 관통하지 않고는 내부에 도달할 수 없음) 같은 전통적 공정으로는 불가능한 일입니다.

이러한 격자 구조의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 항공기를 제작할 때 그램 단위의 무게도 최대 효율의 걸림돌이 되지만, 3D 프린팅을 이용하면 부분적으로 중공인 격자 구조 내부를 통해 부품의 질량을 크게 줄일 수 있습니다. 격자의 얽히고설킨 실 같은 선들은 수학적으로 최적화된 방식으로 배열되어 강도를 극대화하고 응력을 줄여, 가벼운 부품이 완전히 단단한 대안만큼이나 강하거나 더 강하도록 만듭니다. 더 중요한 것은 그 선들 사이의 공간은 무게가 없다는 점으로, 부품의 전체 질량이 감소합니다.

항공우주 기업들이 3D 프린팅으로 경량 부품을 만드는 사례는 많습니다. 2011년, 보잉 산하 HRL 연구소의 연구자들은 밀도가 0.9mg/cc에 불과해 스티로폼보다 약 100배 가벼운 "세계에서 가장 가벼운 소재"로 여겨지는 금속 개발을 발표했습니다. 연구원 중 한 명인 토비아스 셰들러는 "비결은 벽 두께 100나노미터, 사람 머리카락의 1/1000 두께인 상호 연결된 중공 튜브의 격자를 제작하는 것"이라고 설명했습니다.

연구자들이 경량 3D 프린팅 격자 구조의 가능성을 계속 탐구함에 따라, 항공우주 기업들은 경량화와 강도 최적화를 위해 적층 제조에 점점 더 깊이 관여하게 될 것입니다.

시제품 및 예비 부품

적층 제조의 가장 큰 장점 중 하나는 어떤 산업에서든 부품을 주문 즉시 사내에서 제작할 수 있다는 점입니다. 3D 프린터는 어디에나 설치할 수 있고 대체로 자율적으로 작동하므로, 3D 프린팅 부품의 리드 타임은 매우 짧습니다. 이로 인해 항공우주 기업들은 테스트를 위해 새로운 부품 반복 작업을 빠르게 제작할 수 있고, 궁극적으로 R&D 과정을 단축하여 부품을 더 빨리 완성할 수 있습니다.

따라서 더 빠른 시제품 제작은 항공우주 분야에서 적층 제조의 주요 용도 중 하나이며, 그 효과는 입증되었습니다. 적층 제조 대기업 스트라타시스(Stratasys)에 따르면, 항공우주 시제품에 사내 3D 프린팅을 활용하면 사출 성형 및 CNC 툴링 대비 약 43%, 2D 레이저 커팅 대비 약 75%의 시간 절감 효과가 있습니다.

항공우주 분야가 적층 제조로부터 혜택을 볼 수 있는 또 다른 영역은 재고 관리입니다. 평균적인 상용 항공기는 약 400만 개의 부품으로 구성되며, 이 모든 부품이 같은 제조사에서 생산되는 것은 아닙니다. 따라서 항공기 공급업체는 수리용 예비 부품을 위해 거대한 재고를 보유해야 합니다. 이러한 예비 부품을 구매하는 데 드는 비용도 막대하지만, 이들을 모두 보관할 부지를 확보하는 비용도 만만치 않습니다.

3D 프린터는 이 분야에서 놀라운 해결책을 제공할 수 있습니다. 현장에 3D 프린터를 두면, 항공우주 기업들은 수백만 개의 비싼 예비 부품으로 거대한 창고를 채우는 대신, STL 같은 출력 가능한 포맷으로 된 예비 부품의 디지털 라이브러리만 보관하면 됩니다. 이렇게 하면 필요할 때만 부품을 3D 프린팅할 수 있습니다. 디지털 예비 부품 라이브러리를 활용하는 이 전술은 많은 산업에서 점차 도입되고 있으며, 대규모 구현까지는 수십 년이 걸리겠지만, 항공우주는 가장 큰 수혜자 중 하나가 될 수 있습니다.

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