대형 적층 제조, 항공우주 유연성 강화

어센트 에어로스페이스(Ascent Aerospace, 미국 미시간주 맥컴 타운십; 캘리포니아주 산타아나)는 세계 최대 항공우주 툴링 공급업체로, 금형, 조립, 트림 및 드릴 고정구에 주로 금속 솔루션을 제공합니다. 회사의 금형 제작 초점은 네셀, 날개, 동체, 스파, 스트링거, 프레임 같은 대형 항공구조물에 있습니다. 트림 및 드릴 고정구는 CNC 가공, 로봇 용접, 자동 프레스, 검사 시스템, 조립 응용 분야에 사용됩니다.

2018년, 회사는 산타아나 포트폴리오에 대형 적층 제조 추가를 고려하기 시작해 시장에 나온 시스템, 소재, 응용 분야를 평가했습니다. 어센트에 일반적인 크기의 툴을 생산할 수 있는 대형 장비가 필요함을 인지하고, 2019년 서모우드(Thermwood, 미국 인디애나주 데일)에서 LSAM 시스템에 투자했습니다. 이는 대형 프린터가 한쪽에, CNC 가공 기능이 다른 쪽에 있는 10 x 40피트 듀얼 갠트리/듀얼 기능, 압출 기반 적층 제조 셀입니다. 시스템은 팬데믹이 시작되던 2020년 2분기에 설치되었습니다.

어센트 산타아나 위치 글로벌 제품 매니저-복합소재 및 적층 제조 숀 헨슨(Sean Henson)은 타이밍이 이상적이지 않았지만, 어센트가 새 LSAM을 즉각 업무에 투입해 대형 적층 제조의 툴메이킹 환경에서의 역량, 장점, 한계를 이해하기 위한 다개월 노력을 시작했다고 말합니다.

학습 곡선과 팬데믹에도 불구하고, 어센트는 운영 첫 해에 LSAM을 통해 20개 이상의 툴링 프로그램을 납품했습니다. 이 작업 대부분은 고정구, 진공 트림 툴, 프로토타입, 금형 생산에 집중되었습니다. 트림 고정구에는 주로 테크머(Techmer, 미국 테네시주 클린턴) ABS 레진에 20wt% 절단 탄소섬유 강화 소재를 사용했습니다. 고온 사이클링이 필요한 금형 제작 응용 분야에는 절단 탄소섬유로 강화된 폴리에테르설폰(PESU) 또는 폴리에테르이미드(PEI)로 프린팅합니다. 어센트는 몇 가지 응용 분야에서 폴리카보네이트(PC)로도 프린팅했는데, ABS보다 약간 더 나은 특성과 더 높은 온도 성능을 제공하기 때문입니다. 헨슨에 따르면 LSAM 시스템으로 제작된 제품 약 75%는 상온용이며, 나머지는 온도 사이클링용입니다. 온도를 보는 금형 중 일부는 200°F 미만 환경용 금형 마스터이고, 다른 일부는 350~400°F 및 100psi 압력 오토클레이브 경화용으로 설계되었습니다.

LSAM의 가장 큰 장점은 무엇일까요? 속도와 비용이라고 헨슨은 말합니다. LSAM 제작 금형 리드타임은 금속 금형의 절반이고 소재 비용도 더 적습니다. "속도가 정말 큰 장점입니다."라고 헨슨은 말합니다. "대형 적층 제조로 간 이유는 소재 증착률과 우리가 지을 수 있는 양 때문입니다. 우리 툴링이 크기 때문이죠. 정말 큰 것을 정말 빠르게 지을 수 있습니다. 우리 프린팅은 보통 8~15시간 걸립니다. 그 시간에 최대 1,000~1,500파운드 소재 무게의 툴을 제작할 수 있습니다. 13~14피트 길이, 5피트 높이 풋프린트를 하루도 안 되어 프린팅하는 셈입니다."

또한 어센트는 듀얼 갠트리/듀얼 기능 기계라 프린팅과 피니싱을 동시에 할 수 있습니다. "듀얼 갠트리가 있어서 시스템 절반에서 프린팅하고 다른 절반에서 가공할 수 있고, 독립적으로 실행할 수 있어 10~15피트 길이 무언가를 프린팅하면서 테이블 반대편에서 같은 길이 무언가를 가공하고, 두 작업을 동시에 실행할 수 있습니다."라고 헨슨은 말합니다. 또한 프린팅과 피니싱이 같은 기계에 있어 "라우터가 프린터가 소재를 놓은 위치를 알기 때문에" 다운스트림 가공 공정이 빨라집니다. 적절한 응용 분야와 적절한 고객에게는 3D 프린팅이 어떤 레거시 소재나 공정보다 더 빠르게 완성된 사용 가능한 제품을 제공한다고 헨슨은 말합니다.

단점은? 몇 가지 있습니다. 대형 익스트루더로 3D 프린팅하는 니어넷셰이프 특성부터 시작합니다. "우리가 하는 모든 것은 오버빌드에 후처리 가공입니다."라고 헨슨은 지적합니다. "LSAM이 최대한 빨리 최대한 많은 소재를 놓기 위해 트레이드오프하는 것은 프린트 해상도입니다. 우리 [압출] 비드는 3/4인치 이상 폭이고 약 1/4인치 높이입니다. 프린팅된 조각을 보면 그 스캘럽을 보고 느낄 수 있습니다. FDM 도트 레이어가 100배 확대된 것과 같습니다. 그래서 온도 금형이든 트림 툴이든 매끄러운 프로토타입이든 어떤 유형의 매끄러운 표면이든 항공우주 응용 분야 특히 더 미세한 마감을 위해 가공 구성 요소가 필요합니다."

두 번째 과제는 탄소섬유 강화 열가소성 소재가 인바, 알루미늄, 강철처럼 행동하지 않는다는 사실에 있습니다. 섬유 강화 소재의 이방성 특성은 열 사이클링 중 금형 내 고변동 열팽창 계수(CTE)로 완성 부품이 치수 사양을 충족하기 어렵게 만듭니다. "그게 설계 쪽과 프린팅 쪽에서 우리가 가진 큰 과제입니다."라고 헨슨은 말합니다. "고객이 최종 형상을 주면 구조적 관점과 CTE 관점에서 툴이 어떻게 보여야 할지 파악하기 위해 약간의 모델링 작업이 필요합니다." 헨슨은 이전 프린팅 프로그램 데이터와 고객 피드백, 시행착오에 의존해 CTE 변동성을 설계에 반영하며 설계 역량을 개선하고 있다고 말합니다.

헨슨은 이 비용/편익 조합(CTE 대 속도와 비용)이 LSAM 역량을 신중하게 배치해야 함을 의미한다고 말합니다. 응용 분야 요구사항과 납품 마감일을 저울질해야 합니다. "이건 몇 주 만에 툴을 얻는 정말 좋은 방법입니다. 몇 달이 아닌."라고 헨슨은 말합니다. "단, 트레이드오프를 인지하세요. 인바 툴처럼 반응해 완벽한 부품을 기대한다면 그건 안 됩니다. 하지만 많은 고객, 특히 R&D와 개발 고객에게는 빠른 툴을 얻는 정말 좋은 방법입니다."

적어도 어센트가 LSAM으로 프린팅한 금형 중 하나는 이미 비행 항공기 생산에 사용 중이며, 더 많이 뒤따를 것입니다. 회사는 머지않은 날 LSAM 용량을 최대로 채우고 더 추가해야 할 날을 상상합니다. 회사 소유주는 3D 프린팅 잠재력을 보고 확장 사용을 강력히 지지한다고 헨슨은 말합니다.