터빈 부품 3D 프린팅: 개발 가속화, 성능 향상, 지속가능성 실현

3D 프린팅이 터보머신 제조의 시제품 제작, 생산, 유지보수를 변화시키고 있습니다.

이 기술은 다양한 터보머신 부품에 대해 주조와 가공의 강력한 대안을 제공합니다.

이번 주 애플리케이션 스포트라이트에서는 터보머신 제조에서 3D 프린팅의 실질적 이점을 살펴보고 설득력 있는 실제 사례를 소개합니다.

이 시리즈의 다른 응용 분야:

열교환기용 3D 프린팅
베어링용 3D 프린팅
자전거 제조용 3D 프린팅
디지털 덴티스트리 및 클리어 얼라이너 제조용 3D 프린팅
의료 임플란트용 3D 프린팅
3D 프린팅 로켓과 우주선 제조의 미래
신발 제조용 3D 프린팅
전자 부품용 3D 프린팅
철도 산업용 3D 프린팅
3D 프린팅 안경
최종 부품 생산용 3D 프린팅
브라켓용 3D 프린팅
터빈 부품용 3D 프린팅
3D 프린팅으로 더 나은 유압 부품 구현하기
3D 프린팅이 원자력 산업 혁신을 지원하는 방법

터보머신이란 무엇인가?

로켓, 제트 엔진, 풍력 터빈, 수력 발전 등 모든 현대 동력 시스템은 터보머신에 의존합니다. 터보머신은 로터 또는 임펠러가 유체(가스, 증기, 물, 공기)를 통과하며 유체의 에너지를 사용 가능한 기계적 동력으로 변환하는 회전 장치입니다.

터보머신용 3D 프린팅의 이점

더 빠른 제품 개발

3D 프린팅은 설계-시제품 주기를 극적으로 단축합니다. 엔지니어는 더 이상 툴링을 제작할 필요가 없으며, 디지털 파일을 직접 프린터로 보내 몇 시간 또는 며칠 만에 기능성 부품을 생산할 수 있습니다.

Siemens는 2017년 이 접근법으로 가스 터빈 블레이드 개발과 테스트를 진행했습니다. 시제품을 프린팅해 개발 및 검증 시간을 2년에서 단 2개월로 단축했고, 그 기간 동안 단일 설계 테스트에서 10개 변형 평가로 확대했습니다.

블레이드가 실제 운전 조건에서 테스트 가능해지자 Siemens는 냉각 시스템을 개선하고 블레이드 수명을 연장했습니다. 회사는 향후 3~5년 내 완전 3D 프린팅 블레이드로 전환할 것으로 기대합니다.

더 빠른 생산

Sulzer는 금속 3D 프린팅과 가공을 결합해 폐쇄형 임펠러(유체를 가속해 압력을 생성하는 핵심 펌프 부품)를 제작했습니다.

전통적 주조로 폐쇄형 임펠러를 만들면 표면 결함이 생기고 최대 35일이 소요됩니다. Sulzer의 하이브리드 공정(단조 빌렛 5축 밀링 후 레이저 금속 증착(LMD))은 완제품을 약 48시간 만에 만듭니다.

설계 유연성

3D 프린팅은 부품 통합을 가능케 해 조립 단계를 줄이고 강도를 높입니다. Siemens는 가스 터빈 연료 스위럴러를 10개 주조·가공 부품에서 단일 적층 제조 부품으로 재설계했습니다.

재설계된 스위럴러(용체 강화 인코넬 합금)는 단일 EOS M 400-4 쿼드 레이저 파우더 베드 퓨전 빌드에 들어가며, 한 런에 16개 유닛을 최대 100시간 내 생산합니다.

더 빠른 수리

선택적 레이저 멜팅(SLM)과 LMD는 마모 부품 수리도 간소화합니다. Siemens는 손상된 구역만 깎아내고 팁을 층층이 재구축하는 SLM 버너 팁 수리를 개척했습니다.

이 공정으로 수리 시간이 90% 단축되었고, 2013년 이후 Siemens는 2,000개 이상 버너를 수리했습니다. Siemens는 블레이드와 베인 교체에도 LMD를 써서 전통적 용접을 대체합니다.

3D 프린팅 - 터보머신의 미래인가?

적층 제조는 제품 개발 가속화, 부품 성능 향상, 수리 주기 단축을 실현합니다. 다음 프론티어는 통합 센서입니다. Optomec은 Aerosol Jet 기술로 터빈 블레이드에 스트레인 센서를 직접 프린팅해 실시간 구조 모니터링을 가능케 했습니다.

GE, 오크리지 국립연구소, Xerox 소유 PARC가 3D 프린팅 터빈 부품의 설계-검증 타임라인을 최대 65% 단축하기 위해 130만 달러를 확보했습니다. 목표는 극한 온도와 응력을 견디는 결함 없는 고성능 다기능 부품입니다.

터보머신용 3D 프린팅은 여전히 신흥 분야지만 그 모멘텀은 부인할 수 없습니다. 제조사들이 내구성과 효율을 추구함에 따라 적층 제조는 미래 터빈 설계의 필수 요소가 될 것입니다.