3D 프린팅으로 항공우주를 새로운 차원으로 끌어올리기(2020)

항공우주는 1989년에 기술을 처음 사용하면서 오랫동안 3D 프린팅 혁신의 최전선에 있었습니다. 이제 30년이 지난 지금, 항공우주는 16.8% 점유율 104억 달러 규모의 적층 제조(AM) 시장에서 선두를 달리고 있으며 업계 내 지속적인 연구 노력에 크게 기여하고 있습니다.

복잡한 디자인, 경량 부품을 생성하고 생산 비용을 절감할 수 있는 3D 프린팅은 항공우주 산업에 많은 이점을 제공합니다. 그러나 GE, Airbus, MOOG, Safran 및 GKN과 같은 주요 업체는 이 기술의 이점을 활용할 뿐만 아니라 지속적인 연구 개발을 통해 기술을 발전시키고 있습니다.

오늘 우리는 다양한 산업 분야에서 3D 프린팅의 사용을 계속 조사하면서 항공우주 분야에서 3D 프린팅의 이점을 활용하여 항공기 부품의 설계 및 제조 혁신을 주도하는 방법에 초점을 맞출 것입니다. .

항공우주 분야에서 3D 프린팅의 이점

소량 생산

항공우주와 같이 고도로 복잡한 부품이 일반적으로 소량으로 생산되는 산업의 경우 3D 프린팅이 이상적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 값비싼 툴링 장비에 투자하지 않고도 복잡한 형상을 생성할 수 있습니다. 이는 항공우주 OEM(Original Equipment Manufacturer) 및 공급업체에게 소량의 부품 배치를 생산할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공합니다.

체중 감소

무게는 공기역학 및 엔진 성능과 함께 항공기 설계에서 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 항공기 무게를 줄이면 이산화탄소 배출, 연료 소비 및 탑재하중(우주선용)을 크게 줄일 수 있습니다.

여기서 3D 프린팅이 등장했습니다. 이 기술은 경량 부품을 만들기 위한 이상적인 솔루션으로 상당한 연료 절감 효과를 가져옵니다. 제너레이티브 설계 및 토폴로지 최적화 소프트웨어와 같은 설계 최적화 도구와 결합하면 부품의 복잡성을 증가시킬 가능성이 거의 무한합니다.

재료 효율성

항공우주 분야의 경우 3D 프린팅은 금속 부품의 구매 비율을 낮추는 데 도움이 됩니다. 이 용어는 원래 구입한 재료의 무게와 완성된 부품의 무게 사이의 상관 관계를 나타냅니다.

예를 들어, 기존 제조에서 티타늄 항공기 부품은 12:1에서 25:1 사이의 구매 대 비행 비율을 가질 수 있습니다. 이는 1kg의 부품을 생산하기 위해 12~25kg의 원료가 필요하다는 것을 의미합니다. 이 시나리오에서는 재료의 최대 90%가 기계로 제거됩니다.

금속 3D 프린팅은 티타늄 부품의 이 비율을 3:1에서 12:1 사이로 줄일 수 있습니다. 이는 금속 3D 프린터가 일반적으로 부품을 만드는 데 필요한 양의 재료만 사용하기 때문에 지지 구조에서 약간의 낭비만 발생하기 때문입니다. 티타늄 및 니켈 합금과 같은 값비싼 금속의 경우 이러한 감소된 구매 비율로 인한 비용 절감 효과는 상당히 클 수 있습니다.

부품 통합

3D 프린팅의 주요 이점 중 하나는 부품 통합입니다. 즉, 여러 부품을 단일 구성 요소로 통합할 수 있는 기능입니다. 필요한 부품 수를 줄이면 조립에 필요한 시간을 줄여 조립 및 유지 관리 프로세스를 크게 단순화할 수 있습니다.

예를 들어, GE는 현재 AM을 사용하여 제트 엔진용 연료 노즐을 생산하고 있습니다. Design for AM을 통해 회사는 필요한 구성 요소 수를 20개에서 1개로 줄일 수 있었습니다.

유지보수 및 수리

항공기의 평균 수명은 20년에서 30년 사이이며 유지 보수, 수리 및 정밀 검사(MRO)를 업계에서 중요한 기능으로 만듭니다. 직접 에너지 증착과 같은 금속 3D 프린팅 기술은 일반적으로 항공 우주 및 군사 장비를 수리하는 데 사용됩니다. 터빈 블레이드 및 기타 고급 장비도 마모된 표면에 재료를 추가하여 복원 및 수리할 수 있습니다.

항공우주 분야의 3D 프린팅 기술 개척

항공우주 기업은 이미 다양한 AM 기술을 사용하고 있습니다. 예를 들어 FDM(Fused Deposition Modeling)은 프로토타입 및 도구를 만드는 데 일반적으로 사용됩니다. 프랑스 항공우주 제조업체인 Latécoère는 프로토타이핑 및 툴링 생산에 FDM을 사용하여 리드 타임을 최대 95%까지 단축합니다. 이 외에도 FDM은 항공기 내부의 최종 부품을 생산하는 데도 사용할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅의 경우 SLM(선택적 레이저 용융) 및 전자빔 용융(EBM)은 기계적 특성이 강한 고밀도 금속 부품을 제공할 수 있습니다. 대규모 적층 제조의 발전으로 항공우주 응용 분야를 위한 WAAM과 같은 방법의 혁신이 이루어졌습니다.

3D 프린팅 기술의 선구자로서 항공우주 산업은 AM 기술 및 장비 개발에 크게 기여하고 있습니다. . 예를 들어, 3D 프린터 제조업체인 Sciaky는 Airbus 및 Aubert &Duval과 협력하여 티타늄 합금으로 만든 항공기 부품을 생산하는 새로운 제조 방법을 개발하고 있습니다.

그 동안 GE는 금속을 개발하고 있습니다. AM으로 대량 생산이 가능한 바인더 젯팅기.

항공우주용 3D 프린팅 재료

항공우주 부품의 프로토타입은 다양한 플라스틱 재료로 만들 수 있지만 항공우주 애플리케이션의 최종 부품은 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 따라서 최고 품질의 비행 등급 재료는 기능 부품을 3D 인쇄하는 데 필요합니다.

비행 가치가 있는 재료의 선택은 엔지니어링 등급 열가소성 수지(ULTEM 9085, ULTEM 1010, 나일론 12 FR)에서 금속 분말(고성능 합금, 티타늄, 알루미늄, 스테인리스 스틸)에 이르기까지 다양합니다.

티타늄은 알루미늄의 가벼움과 강철의 강도를 결합하여 3D 프린팅 항공우주 부품에 가장 많이 사용되는 소재 중 하나입니다. 티타늄 분말은 상당히 비싸지만 사용하지 않은 재료를 재활용하고 AM으로 가능한 더 나은 디자인을 통해 낭비를 최소화함으로써 비용을 부분적으로 균형을 맞출 수 있습니다.

항공우주 3D 프린팅 애플리케이션

도구

항공우주 OEM 및 공급업체는 지그 및 고정 장치를 포함한 제조 보조 제품을 생산하기 위한 대안으로 3D 프린팅을 채택했습니다.

예를 들어 Moog Aircraft Group은 FDM 3D 프린팅을 사용하여 사내에서 좌표 측정기(CMM)와 같은 도구를 생산하고 있습니다.

과거에는 이 고정장치를 아웃소싱했는데 프로세스가 4주에서 6주 정도 소요되었습니다. 이제 Moog는 사내에서 3D 프린팅을 사용하여 약 20시간 만에 CMM 고정 장치를 만듭니다. 이전에는 £2,000 이상이었던 비품을 이제 몇 백 파운드로 만들 수 있습니다.

예비 및 교체 부품

수요를 예측하는 것이 어렵기 때문에 예비 부품은 일반적으로 짧은 시간에 사용할 수 있도록 재고를 유지해야 합니다. 3D 프린팅은 필요한 시점에 생산할 수 있기 때문에 예비 부품 및 교체 부품 생산에 이상적인 솔루션입니다.

주문형, 소량 3D 프린팅은 유지 관리 작업에 소요되는 시간을 크게 개선하고 운송 비용을 줄이며 부품의 실제 재고가 필요하지 않도록 할 수 있습니다.

예를 들어, 3D 프린팅은 노후된 군용 항공기용 개스킷 핸들 및 롱롱과 같은 예비 부품을 생산하는 데 사용되었습니다. 비슷한 맥락에서 Lufthansa의 MRO 부서인 Lufthansa Technik은 교체 부품을 포함하여 3D 인쇄 부품을 개발하기 위해 AM 센터를 설립했습니다.

최종 사용 부품

많은 항공우주 제조업체들이 항공기 내부 부품에서 복잡한 엔진 부품에 이르기까지 항공기 구조 부품을 생산하기 위해 AM으로 눈을 돌리고 있습니다.

내부 구성 요소의 한 예는 항공우주 Tier 1 공급업체인 Diehl Aviation에서 제공됩니다. 이 회사는 최근 FDM 기술을 사용하여 커튼 레일 위에 있는 인클로저인 커튼 헤더를 생산하여 선상에서 클래스를 분리했습니다.

인클로저는 이전에 여러 층의 유리 섬유를 적층하여 구성했으며 시간과 비용이 많이 드는 특수 알루미늄 공구가 필요했습니다.

Diehl은 12개의 3D 프린팅 열가소성 부품으로 이 부품을 조립할 수 있었고, 이를 통해 툴링 비용을 대폭 절감하고 노동 시간을 절약할 수 있었습니다. 이 부품은 지금까지 생산된 것 중 가장 큰 완전 3D 인쇄 여객기 부품이며 A350에 라인 장착되고 있습니다.

엔진 부품을 생산하는 것은 3D 인쇄의 또 다른 사용 사례입니다. 가볍고 복잡한 부품을 만듭니다. 예를 들어 우주선 제조업체인 Rocket Lab은 작년에 100번째 Rutherford 로켓 엔진을 생산하여 헤드라인을 장식했습니다.

이 회사는 2013년부터 모든 주요 엔진 구성요소(연소실, 인젝터, 펌프 및 주 추진제 밸브 포함)에 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.

항공우주 분야의 3D 프린팅 과제

3D 프린팅 기술을 구현할 때 항공우주 OEM이 직면하는 가장 큰 과제 중 하나는 인증입니다. 항공기 구성 요소는 엄격한 규정을 준수해야 하며 규제 기관은 3D 인쇄 부품이 기존 방법을 사용하여 제조된 부품만큼 안전한지 확인해야 합니다.

항공우주 분야의 3D 인쇄에 대한 표준 및 규정은 계속해서 적용되고 있습니다. 점차 발전했습니다. 2018년에 SAE International은 항공기 및 우주선 핵심 부품에 사용되는 금속 AM 재료 및 공정에 대한 최초의 항공우주 재료 사양(AMS) 제품군을 발표했습니다.

SAE International은 금속 AM 표준 외에도 작년에 항공우주 산업을 위한 최초의 AM 폴리머 사양을 발표했습니다. 예를 들어, AMS7100 사양은 FDM 또는 기타 재료 압출 생산을 통해 안정적이고 반복 가능하며 재현 가능한 항공 우주 부품을 생산하기 위한 중요한 제어 및 요구 사항을 설정합니다.

ASTM International의 AM 기술 위원회(F42)도 4개의 추가 항공기 부품 제조업체가 안전 및 성능 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 표준입니다. 표준은 공급원료 재료, 완성된 부품 속성, 시스템 성능 및 신뢰성, 자격 원칙을 다룹니다.

항공우주 OEM의 또 다른 과제는 공정 반복성을 보장하는 것입니다. 3D 프린팅을 사용하여 온디맨드로 인증 가능한 부품을 생성할 수 있도록 하려면 설계 및 규정과 함께 인증 프로세스를 수립해야 합니다. 여기에는 AMFG와 같은 워크플로 자동화 소프트웨어를 사용하여 모든 프로세스 단계를 기록하고 각 생산 단계에서 완전한 추적성을 확보하는 것이 포함될 수 있습니다.

항공우주 분야 3D 프린팅의 미래

도전에도 불구하고 항공우주 산업은 최종 부품 생산을 위한 실행 가능한 기술로서 AM의 개발을 계속해서 개척하고 있습니다.

예를 들어 인증 프로세스의 속도를 높이기 위해 OEM, 정부 기관 및 연구 기관이 파트너 관계를 맺음으로써 이 개발에서 협업이 핵심적인 역할을 할 것입니다.

항공우주 시장 내 , 3D 프린팅 최종 부품 생산은 2024년까지 30억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 3D 프린팅이 꾸준히 성장함에 따라 앞으로 항공기와 우주선 내에서 훨씬 더 많은 3D 프린팅 금속 및 폴리머 부품을 볼 수 있을 것입니다.