3D 프린팅이 항공우주 산업의 혁신과 효율성을 강화하는 방법

항공우주 산업에서 적층 제조의 진화

항공우주 산업은 매우 까다로운 환경입니다. 지속적인 마모, 고압, 고온 조건을 견딜 수 있는 완벽한 부품이 요구됩니다. 항공기 성능을 높이고, 유지보수 작업을 용이하게 하며, 작업자의 생산성을 향상시키기 위해 강하면서도 내구성이 뛰어나고 경량인 부품을 만들기 위한 끊임없는 혁신과 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 필수적인 품질과 신뢰성은 상업용 항공편의 일정 및 예약, 그리고 24/7 상시 대기 태세가 요구되는 군용 항공기의 긴급성과 균형을 맞춰야 합니다. 생산 및 물류 체인에 문제가 발생하면 상업용 및 군용 항공편의 가용성, 품질, 심지어 안전성까지 위협받을 수 있습니다.

항공우주 산업에서 AM의 기여

이 지점에서 적층 제조(Additive Manufacturing, AM)가 등장합니다. 3D 프린팅 진화의 초기 단계에서는 매우 혁신적이지만 상당히 제한적인 제조 공정이었습니다. 3D 프린터는 고가 투자 장비였고, 속도가 느렸으며, 대형 산업용 애플리케이션에는 너무 작았습니다. 게다가 소재 시장은 매우 제한적이었고, 특히 기술 엔지니어링 소재의 경우 더욱 그랬습니다. 3D 프린터 제조사들은 자사 소재만 자사 프린터에서 사용할 수 있도록 제한하는 경우가 많았습니다(벤더 락인). 그런 시절은 이제 지나갔습니다.

오늘날 적층 제조는 뛰어난 설계 유연성과 소재-프린터 호환성, 정밀한 설계와 리버스 엔지니어링을 가능하게 하는 전문 소프트웨어, 가장 전문적인 용도를 위한 다양한 고급 소재 선택지, 대형 빌드 영역을 갖춘 대형 3D 프린터, 그리고 CNC 가공품과 비교해 전혀 손색없는 경량 부품 생산 능력을 갖춘 완전히 성숙한 산업이 되었습니다.

영상 1. 에어버스(Airbus)가 생산 라인에 AM 솔루션을 도입한 사례. 출처: Airbus.

항공우주 산업은 전통적으로 제조된 알루미늄 부품과 동등한 성능을 내는 경량 부품을 추구합니다. 경량화는 항공기가 더 빠르고 멀리 날게 하며 연료 소비를 줄여줍니다. 중량 500kg 감축 시 연료 소비가 약 1% 감소하며, 이는 이산화탄소 배출량 감소로도 이어집니다.

항공우주 분야에서 AM의 기여

항공우주 산업의 모든 혁신 아이디어는 신소재나 신기술이 상업용이든 군용이든 비행 및 항공기 안전에 대한 수많은 까다로운 FAA 규정을 충족하는지 확인하는 매우 엄격한 평가 과정을 거쳐야 합니다. 많은 구형 항공기는 나중에 유독성이 밝혀진 소재로 제조된 부품을 사용해 교체가 필요하거나, 더 이상 생산되지 않는 소재를 재현해야 하는 상황입니다.

적층 제조 기업들은 뛰어난 인장 강도, 화학적·열적 내성을 가지면서도 유해한 부작용이 없는 이유로 FAA 인증을 받은 다양한 필라멘트를 제공합니다. 대표적인 소재로 PAEK 계열 필라멘트인 에센셈(Essentium) PEI 9085 ULTEM 필라멘트, 에센셈 PEEK, 에센셈 PEKK 등이 있습니다. 이 필라멘트들은 비행용 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. ULTEM PEI 필라멘트는 조명 시스템, 전기 스위치, 하우징, 전구 소켓 등의 부품을 3D 프린팅하는 데 사용되었습니다.

이미지 1. 우주 발사체에 사용된 환경 제어 도관. 에센셈 ULTEM 9085 필라멘트로 출력. 출처: Essentium.

PEEK 필라멘트는 항공우주 산업에서 알루미늄 엔진 부품, 베어링, 밸브, 그리고 항공기 내부의 광케이블과 전기 시스템을 절연 및 보호하는 라이트 컨두이트를 대체하는 데 사용되었습니다.

유연하고 즉각적인 사내 유지보수

항공우주 분야에서 3D 프린팅의 역할은 시제품 제작 단계를 넘어섰습니다. 물론 AM은 여전히 시제품 제작에도 사용됩니다. 항공우주 산업의 제조 규모와 비용을 고려할 때, 사출 성형과 CNC 가공을 통한 전통적인 시제품 제작 방식은 시간과 자원을 많이 소모합니다. 항공기나 그 부품의 시제품을 3D 프린팅하면 시제품 제작 및 수정 비용, 소재 낭비, 지연을 크게 줄일 수 있으며, CNC로는 불가능한 훨씬 더 복잡한 구조물 생산이 가능합니다.

이미지 2. 항공기 3D 프린팅 시제품. 출처: Essentium.

위성 부품(우주선 안테나), 드론 및 무인 항공기(로터 블레이드, 엔진 부품) 제조 외에도, 항공우주 산업에서 가장 일반적인 AM 애플리케이션은 지상 부품과 비임계 비구조적 기내 부품 생산입니다.

항공기는 고가 자산이므로 노후 기체가 수명보다 훨씬 오래 운용되는 경우가 많습니다. 적층 제조는 소규모 유지보수 작업에 최적의 기술입니다. 도면이 없는 경우에도 리버스 엔지니어링(부품 스캔, 설계 소프트웨어에서 처리, 3D 프린팅)을 통해 부품을 재현할 수 있습니다. 컵 홀더, 트레이, 변기 뚜껑, 에어 덕트, 계기판 등 항공기 내부의 비필수 구성품이 분실되거나 손상되었을 때 3D 프린팅으로 대체할 수 있습니다.

이미지 3. 3D 프린팅된 터빈. 출처: Essentium.

이는 모든 종류의 공구, 지그, 고정구에도 동일하게 적용됩니다. 지상 지원 장비는 비행용 부품만큼 FAA의 엄격한 심사를 받지 않기 때문에, 3D 프린팅을 통한 혁신 구현이 훨씬 수월합니다. 원본 공구가 더 이상 생산되지 않더라도 도면으로부터 또는 나사나 결합 부품에 맞춰 설계를 수정해 3D 프린팅할 수 있습니다. 전통적인 절삭 가공으로는 이 과정이 훨씬 더 많은 시간과 소재를 소모합니다. 공구, 지그, 고정구를 가볍고 효율적으로 만들기 위해 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속으로 강화된 소재를 사용할 수 있습니다. 그 결과 알루미늄보다 최대 50% 가볍으면서 우수한 강도와 내열성을 가진 부품을 얻을 수 있습니다. 이 용도에 적합한 필라멘트로는 에센셈 HTN CF25, PA CF, ABS MG94 등이 있습니다. 강도, 내성, 경량성 외에도 항공우주용 필라멘트가 갖춰야 할 특징으로 난연성과 ESD 안전성이 있습니다. 생산 현장과 유지보수 구역은 고온, 인화성 물질, 정전기가 공존하는 위험한 환경입니다. 에센셈 TPU 90A FR 필라멘트는 난연 특성을 가져 화재 발생 및 확산 위험을 크게 줄여주며, 격납고나 항공기 주변에서 사용하는 공구, 지그, 고정구에 이상적입니다.

이미지 4. 에센셈 TPU 58D-AS로 제작된 안전 부품. 출처: Essentium.

반면 에센셈 TPU 58D-AS는 항공우주 산업 전용으로 설계된 필라멘트로, 비행 전 제거해야 하는 부품 제작용입니다(따라서 주의를 끌기 위한 빨간색). TPU 58D-AS는 정전기 방전 위험을 줄여주는데, 이는 인체와 항공기 항법 시스템 등 핵심 기능을 위한 전자 부품 모두에 위험 요소입니다.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR 난연성 Essentium TPU 58D-AS

물류 제약 극복

상업용 및 군용 항공우주 산업 모두에서 항공기를 안전하고 비행 가능하며 임무 수행 가능 상태로 유지하는 것은 지속적인 혁신보다 훨씬 더 중요합니다. 적층 제조가 이 산업에서 수많은 애플리케이션을 갖는 이유는 바로 여객 항공사, 택배 회사, 군대가 항공기 유지보수에서 더 많은 자율성과 유연성을 가질 수 있게 해주기 때문입니다.

코로나19 팬데믹은 여러 면에서 세상을 바꿨습니다. 항공우주 산업도 예외는 아니어서, 많은 공급망이 예기치 않게 장기간 중단되었습니다. 이는 전통적인 제조 모델의 결과인 하청업체와 납품 업체에 대한 의존도로 인해 생산, 유지보수, 납품 작업이 중단되는 결과를 낳았습니다. 많은 상업 항공사가 항공편 취소로 막대한 재정 손실을 입었고, 이는 비용 절감의 새로운 방안을 모색하게 만들었습니다. 적층 제조가 그 해답이 될 수 있습니다.

전통적인 제조 방식(CNC 등)으로 ESD 안전 부품, 내식성 부품, 고온 부품을 생산하려면 세 개의 서로 다른 하청업체에 고비용을 지불해야 하며, 다양하고 긴 대기 시간(하청업체의 공급업체에 따라 달라짐)이 소요되고, 해외 주둔 군용 항공기의 경우 납품이 복잡하거나 불가능할 수도 있습니다.

이미지 5. 반복 제조의 예시. 출처: Essentium.

또 다른 문제는 일회성 공구 또는 소량 생산 교체 부품이 항공우주 산업에서 매우 흔하다는 점입니다. 단 한 번 쓸 고유 공구를 만들기 위해 사출 성형이나 CNC 가공을 의뢰하는 것은 불필요한 비용과 긴 대기 시간을 초래합니다. 이 모든 문제는 3D 프린팅으로 해결할 수 있습니다. 단일 3D 프린터를 현장에서 다양한 고급 기술 필라멘트로 모든 부품을 생산하는 데 활용하면 훨씬 낮은 비용과 지연 위험으로 제작할 수 있습니다. 이 제조 방식은 전 세계 곳곳에 예비 부품을 비축할 필요성도 없애줍니다. 필요한 부품을 언제 어디서나 주문 즉시 3D 프린팅할 수 있기 때문입니다. 이러한 사소한 개선들이 모여 항공우주 분야의 공급 및 생산 체인을 전반적으로 단순화하고 단축시키며, 결과적으로 비용을 절감하고 항공기가 남기는 탄소 발자국의 균형을 맞추는 데 기여합니다.

실제 적용 사례

실제 항공우주 현장에서 AM 기술이 적용된 훌륭한 사례로 Axle Box 사가 있습니다. 이들은 산림 및 화재 방재 고객을 위해 SkyFire용 드론 플랫폼을 개발했습니다. 이 부품들은 대형 공중 진화 작업의 조건(불, 물, 바람)을 견뎌야 했습니다. 경쟁사 대비 최저 비용과 최단 납기로 부품을 생산했습니다. 드론 미드바디는 에센셈 HTN CF25 필라멘트로, 사이드 커버는 PA CF 필라멘트로 3D 프린팅되었습니다. 두 소재 모두 비행 테스트에서 기대를 뛰어넘는 기계적 특성과 고속 성능을 입증했습니다.

영상 2. Axle Box의 드론 착륙 플랫폼용 3D 프린팅 부품. 출처: Essentium.

항공기에서 매우 흔한 고장은 유압 시스템 고장으로, 주로 항공기 무게와 비행 중 겪는 응력 때문입니다. 유압 고장 수리는 고장 원인에 접근하고 교체 부품을 제자리에 고정하면서 설치하기 위해 여러 기술자가 필요해 시간과 인력 측면에서 매우 까다로웠습니다. 이러한 유압 고장이 빈번하고 수리 비용이 많이 들자, 한 주요 항공우주 제조사가 추가 인력 없이 교체 부품을 제자리에 고정해주는 브레이스를 3D 프린팅하기로 결정했습니다.

적층 제조의 항공우주 분야 도입은 AM과 항공우주 산업 양쪽 모두에 획기적인 발전이었습니다. 항공우주 산업이 요구하는 첨단 특성을 가진 수많은 전문 소재 덕분에 3D 프린팅 세계에는 흥미롭고 혁신적인 도전이 되었습니다. 그리고 항공우주 산업에는 3D 프린팅이 제공하는 인상적인 속도, 규모, 반복 제작 가능성 덕분에 더 큰 설계 유연성, 비용 절감, 물류 자립을 향한 주요한 도약이 되었습니다.