항공우주 인테리어 혁명:3D 프린팅이 무게, 속도 및 비용을 줄이는 방법

항공우주산업은 창립 이래 모든 수단을 동원하여 항공기의 무게를 줄이기 위해 노력해 왔습니다. 3D 프린팅은 이러한 목표를 달성하기 위한 비교적 새로운 방법입니다. 3D 프린팅 부품은 거의 항상 기존 방식으로 제작된 부품보다 더 빠르고, 가볍고, 저렴하게 생산됩니다. 이로 인해 항공기 내부는 물론 항공기의 다른 모든 측면에 3D 프린팅 부품이 대량으로 활용되었습니다. 항공기뿐만 아니라 SpaceX 및 NASA 3D 프린팅 로켓 엔진과 노즐을 모두 사용하여 3D 프린팅 용도를 찾은 로켓도 있습니다.

이 기사에서는 3D 프린팅 항공우주 내부 구성 요소, 그 목적, 작동 방식, 장점, 단점 및 3D 프린팅 항공우주 내부 구성 요소의 예에 대해 설명합니다.

항공우주 내부 부품을 3D 프린팅하는 목적은 무엇인가요?

3D 프린팅이 항공우주 산업에서 큰 비중을 차지하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 항공기 내부 부품을 3D 프린팅하는 목적은 무게를 줄이고(연료 소비량 절감) 재료 낭비를 줄이며 중소 규모 부품 배치를 신속하게 생산할 수 있도록 하는 것입니다. 또한 3D 프린팅을 사용하면 CAD 파일을 데이터베이스에 저장하고 필요에 따라 인쇄할 수 있으므로 비축의 필요성이 줄어듭니다. 또한 구성요소를 조립할 필요 없이 하나의 부품으로 제조할 수 있습니다.

항공우주 내부 부품의 3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?

항공우주 내부 부품의 3D 프린팅은 3D 프린팅 부품과 동일한 프로세스를 따릅니다. 기본적으로 필요한 것은 CAD 파일과 3D 프린터뿐입니다. 부품이 이미 CAD 시스템에 그려졌다고 가정하면 파일을 슬라이스하여 3D 프린터에 입력할 수 있습니다. 슬라이싱 소프트웨어는 CAD 파일을 3D 프린트헤드가 부품을 인쇄하기 위해 따를 수 있는 일련의 벡터인 G 코드로 변환합니다. 그런 다음 파일이 프린터에 업로드되어 인쇄됩니다. 인쇄물에 따라 약간의 후처리가 필요할 수 있습니다. 일반적으로 후처리에는 3D 프린트의 지지 구조를 제거하기 위한 연마 기술이 포함됩니다. 이 프로세스는 리드 타임이 길고 가격이 높을 수 있는 복잡한 형상의 소규모 배치 생산 및 생산에 가장 효과적입니다. 

항공우주산업에서 3D 프린팅의 장점은 무엇인가요?

항공우주 산업에서 3D 프린팅의 장점은 다음과 같습니다.

1. 무게 감소.
2. 연료 소비 감소(무게 감소로 인해).
3. 리드타임 단축.
4. 사용하기 쉬운 생성적 디자인. 
5. 낭비 최소화.
6. 빠른 프로토타이핑. 

항공우주산업에서 3D 프린팅의 단점은 무엇인가요?

3D 프린팅에는 다음과 같은 단점도 있습니다:

1. 대규모 생산에는 비용이나 시간이 효율적이지 않습니다.
2. 인쇄용 침대의 크기에 따라 제한됩니다. 
3. 재료에 따라 제한됩니다(다양한 재료가 늘어나고 있지만).
4. 인쇄 레이어로 인해 XY 방향의 강도가 감소하여 부품이 이방성입니다.
5. 품질 변화가 큽니다. 

3D 프린팅된 항공우주 내부 부품 응용 사례

항공우주 내부를 위한 3D 프린팅 부품의 범위는 대부분 비구조적입니다. 그러나 빠르게 성장하고 있습니다. 3D 프린팅된 내부 구성 요소의 대표적인 예는 다음과 같습니다.

1. 환풍구 
2. 덕트 
3. 배플
4. 케이블 관리
5. 전기 하우징
6. 표지
7. 트림
8. 도어 래치 
9. 팔걸이 
10. 마운팅 브래킷 

항공우주 내부 부품의 3D 프린팅에 사용되는 재료는 무엇입니까?

항공우주 내부에 사용하기 위해 인쇄할 수 있는 다양한 재료가 있습니다. 다음은 일반적인 자료 그룹 중 일부입니다:

1. 폴리머

3D 구성 요소를 인쇄하는 데 일반적으로 사용되는 폴리머에는 PLA(폴리락트산), ASA(아크릴로니트릴 스티렌 아크릴레이트), ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 및 PC(폴리카보네이트)가 포함됩니다. 폴리머 3D 프린팅 부품은 부품 내에 지지대를 만들기 위해 작은 충전재를 사용하여 본질적으로 속이 비어 있기 때문에 교체하는 부품보다 가볍습니다. 플라스틱 3D 인쇄 부품은 3D 프린터를 사용하여 CAD 파일에서 인쇄한 다음 커버, 덕트, 스페이서, 커튼 헤더 및 컵 홀더와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 3D 프린팅 부품은 교체하는 부품만큼 내구성이 있지만 하중을 지탱하는 Z 방향의 강도는 부족합니다. 

2. 탄소섬유

탄소 섬유는 항상 나일론이나 다른 폴리머와 같은 다른 재료 내에 인쇄되며 연속 또는 절단된 섬유 형태로 인쇄됩니다. 연속 섬유 형태는 별도의 프린트 헤드를 통해 폴리머 부품 내부로 인쇄됩니다. 절단된 탄소 섬유는 길이가 1mm 미만이며 인쇄되는 폴리머 필라멘트 내에 포함되어 있습니다. 특정 방향에서 부품의 강도를 높이기 위해 하중 경로에 연속 탄소 섬유를 배치합니다. 반면, 촙드 탄소섬유는 부품 전체에 걸쳐 강도를 높여줍니다. 탄소 섬유 강화 플라스틱이 사용되는 품목의 예로는 전등 스위치 패널, 실내 온도 조절 장치 부품, 도어 래치 등이 있습니다. 탄소 섬유 인쇄 부품은 내구성이 뛰어나며 많은 알루미늄 부품을 대체합니다. 

3. 금속

금속 3D 프린팅은 폴리머와 약간 다른 프로세스를 사용하여 달성됩니다. 금속은 분말 형태로 나온 다음 SLS(선택적 레이저 소결)라는 공정에서 레이저를 사용하여 녹여 인쇄 베드와 후속 레이어에 융합됩니다. 금속 3D 프린팅 부품은 금속이 더 구조적이고 비행에 중요한 부품에 사용되기 때문에 덜 일반적이며 따라서 자격을 갖추기가 더 어렵습니다. 그러나 3D 프린팅 금속은 일반적으로 항공기 엔진의 베어링 하우징, 연료 노즐, 온도 센서 및 열교환기에 사용됩니다. 

4. 나일론

나일론은 3D 프린팅이 가능한 폴리머입니다. 그러나 나일론은 유연성과 내구성이 뛰어나 PLA, ABS 등의 소재와는 다릅니다. 나일론은 PLA나 ABS에 비해 덜 단단하고 강도가 높지만 ABS보다 10배나 충격에 강합니다. 나일론은 다른 폴리머와 동일한 방식으로 인쇄되지만 일반적으로 낮은 강도를 보완하기 위해 탄소 섬유 강화재를 포함합니다. Markforged의 Onyx™는 기내 엔터테인먼트 콘솔, 패널 스위치 및 좌석 프레임에 사용되는 탄소 섬유 강화 나일론입니다. 

5. 유리섬유

탄소 섬유와 마찬가지로 유리 섬유는 3D 프린팅 폴리머에 보강재로 사용됩니다. 유리섬유는 연속형 또는 절단형 형태로 제공됩니다. 잘린 형태는 필라멘트에 통합되어 일반 부품에 보강을 제공합니다. 반면 연속 섬유는 특정 하중 경로를 강화합니다. 유리 섬유는 탄소 섬유보다 저렴하고 강도가 약하며 탄소 섬유가 불필요하게 강한 응용 분야에 사용됩니다. 마지막으로, 유리섬유는 탄소섬유와 마찬가지로 대체하는 대부분의 금속 부품보다 피로 수명이 더 깁니다. 

항공우주 분야의 3D 프린팅 내장 부품의 미래는 무엇인가요?

항공우주 내부에서 3D 프린팅 부품의 미래는 밝습니다. 3D 프린팅에 대한 많은 응용 프로그램이 있지만 앞으로 더 많은 응용 프로그램이 있습니다. 이는 3D 프린팅이 특별한 툴링 없이도 특수 부품에 대한 옵션을 열었기 때문입니다. 3D 프린팅은 활용 가능한 소재의 범위도 확대하고 있다. 항공사 내부에는 이미 수백 개의 3D 프린팅 부품이 있으며, 미국 항공우주 및 방위산업 시장 가치가 2026년까지 55억 8천만 달러에 이를 것으로 예상됨에 따라 이러한 사용량은 증가할 것으로 예상됩니다.

자세한 내용은 3D 프린터 작동 방식에 대한 가이드를 참조하세요.

3D 프린팅 항공우주 내부 부품에 관해 자주 묻는 질문

SpaceX는 3D 프린터를 사용합니까?

예, SpaceX는 로켓에 3D 프린팅을 사용합니다. 그들은 이 프린터를 사용하여 로켓 엔진과 노즐을 제조합니다. SpaceX는 DMLS(직접 금속 레이저 소결)를 사용하여 인코넬에서 SuperDraco 엔진 챔버를 인쇄하기 위해 3D 프린터를 사용했습니다. SpaceX는 Merlin 1D 엔진용 MOV(주 산화제 밸브) 본체도 3D 프린팅했습니다. 이 부품은 제작하는 데 7개월이 걸리지 않고 이틀 만에 프린트되었으며 유지 관리 일정도 단축되었습니다. 

NASA는 우주에서 3D 프린터를 사용하나요?

네, NASA는 우주에서 3D 프린터를 사용해 왔습니다. 2014년에 NASA는 국제 우주 정거장에서 Made In Space, Inc.에서 제작한 프린터를 사용하여 프린트헤드 전면판을 인쇄했습니다. 인쇄된 부분은 분석을 위해 지구로 반환되었습니다. 이러한 테스트 결과, 지구에서 인쇄된 표본과 우주에서 인쇄된 표본 간에 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 국제 우주 정거장에 중요한 구성 요소를 전달하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸리는 리드 타임이 아닌 재료를 재활용하고 재사용할 수 있는 우주에서의 3D 프린팅에 대한 많은 기회가 열렸습니다. 

내부 구성 요소 외에 비행기 부품을 3D 프린팅할 수 있나요?

예. 내부, 엔진, 구조, 전기 및 유압 시스템, 특수 공구 등 항공기의 모든 영역에서 3D 부품이 사용되고 있습니다. 전문 툴링은 자격 요건이 줄어들었기 때문에 가장 오래된 응용 분야 중 하나입니다. 특수 툴링에는 지그, 사출 성형 도구, 주조 금형 및 어댑터가 포함됩니다. 항공기는 또한 3D 프린팅된 마운트 브래킷, 밸브, 하우징 및 베어링 케이스를 사용합니다.

요약

이번 글에서는 3D 프린팅 항공우주 내장 부품을 소개하고, 이에 대해 설명하고, 사용되는 재료의 종류에 대해 논의했습니다. 항공우주 분야의 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

Xometry는 모든 프로토타이핑 및 생산 요구 사항에 맞는 3D 프린팅 및 기타 부가 가치 서비스를 포함하여 광범위한 제조 기능을 제공합니다. 자세한 내용을 알아보거나 무료 견적을 요청하려면 당사 웹사이트를 방문하세요.

저작권 및 상표권 고지

1. Onyx™는 Markforged의 등록 상표입니다.

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딘 맥클레먼츠

Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.

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