3D 프린팅
산업 제조
적층 제조라고도 알려진 3D 프린팅은 항공우주 산업에서 높은 평가를 받고 있습니다. 무게나 항력을 줄이면 막대한 비용 절감으로 이어질 수 있는 업계에서 3D 프린팅을 통해 항공우주 제조업체는 보다 비용 효과적인 방식으로 더 가볍고 연료 효율적인 항공기를 만들 수 있었습니다. 항공우주 산업은 주요 부품 제조에 3D 프린팅을 널리 채택한 최초의 산업 중 하나였으며, 이 프로세스는 설계와 제조의 경계를 재정의했습니다. 항공우주 엔지니어들은 특정 3D 프린팅 공정 개발에 중요한 역할을 해 왔으며, 3D 프린팅이 제조 공정으로 성숙해짐에 따라 업계는 오늘날에도 계속해서 혜택을 누리고 있습니다.
지그 및 프로토타입 툴링부터 노즐, 심지어 로켓 본체와 같은 최종 사용 부품에 이르기까지 항공우주 분야의 3D 프린팅은 제조 공정을 지원하고 항공기 내 특정 응용 분야를 만족시키는 데 사용될 수 있습니다. 이 기사에서는 항공우주 분야의 3D 프린팅, 사용되는 재료와 프로세스, 다양한 응용 분야에 대해 설명합니다.
적층 제조라고도 알려진 3D 프린팅은 전체 3차원 부품이 완성될 때까지 부품을 층층이 쌓아 만드는 제조 공정입니다. 이는 공작물에서 재료를 제거하여 부품을 만드는 CNC(컴퓨터 수치 제어) 가공과 같은 절삭 가공 공정과 반대입니다. 3D 프린팅은 항공우주, 자동차, 의료, 기계 등과 같은 여러 산업에서 사용되는 장신구, 간단한 도구 및 고급 구성 요소를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술은 1980년대부터 존재했지만, 적층 제조가 제조에 여러 공정이 필요한 부품을 생산하는 데 대한 건전한 대안이 되면서 21세기 초부터 그 사용이 폭발적으로 증가했습니다.
항공우주 산업은 1990년대에 3D 프린팅을 구현한 최초의 산업 중 하나였습니다. 1980년대 3D 프린팅 기술이 시작된 이래 항공우주 산업은 3D 프린팅 프로세스 및 기술 개발에 가장 큰 기여를 한 산업 중 하나였습니다. 오늘날 업계는 여전히 이 공정의 가장 큰 수혜자 중 하나로 남아 있으며 (출처 및 시장 변동에 따라) 적층 제조 업계에서 창출된 총 수익의 약 15%-20%를 차지합니다.
항공우주 산업에서 3D 프린팅의 기원은 1980년대 후반으로 거슬러 올라갑니다. 당시 3D 프린팅의 가장 큰 수혜자는 미군과 방위산업이었다. 이들 부문에서는 다양한 항공기 시스템 및 부품에 대한 테스트 및 시뮬레이션을 수행하기 위해 금속보다 저렴한 대안으로 플라스틱을 널리 사용했습니다.
3D 프린팅은 SLS(Selective Laser Sintering), FDM(Fused Deposition Modeling) 등의 공정을 통해 난연성 플라스틱의 3D 프린팅이 가능해진 2000년대 중반까지 항공우주 산업의 프로토타입 제작 및 테스트에 주로 사용되었습니다. 21세기 첫 20년 동안 3D 프린팅의 발전이 계속되면서 항공우주 응용 분야에서의 사용도 확대되었습니다. 이제 이는 프로토타입 제작 및 설계 검증, 도구, 항공기 유지보수용 지그, 제트 엔진의 최종 사용 부품, 항공기 내부 등 항공우주 부품 수명주기 전반에 걸쳐 적용되는 데 사용됩니다.
항공우주 산업 분야에는 다양한 재료가 사용됩니다. 사용되는 일반적인 자료는 아래에 나열되어 있으며 설명되어 있습니다:
세라믹은 무기, 비금속 재료입니다. 내식성, 경량, 고온 저항 및 내마모성으로 인해 항공우주 응용 분야에 적합합니다. 그러나 세라믹은 매우 단단하고 부서지기 쉬우므로 부품으로 제작하기가 어렵습니다. 고령토와 도자기 점토는 부품을 만들기 위해 3D 프린팅할 수 있는 세라믹의 두 가지 예입니다. 세라믹 3D 프린팅을 사용하면 무게를 줄이고 강성 대 강도 비율을 향상시킬 수 있는 탄화규소로 위성 거울 부품을 만들 수 있습니다.
탄소 섬유는 길고 매우 얇지만 강한 탄소 원자 가닥입니다. 탄소 섬유 복합재는 강철만큼 강하지만 알루미늄보다 가볍기 때문에 항공우주 분야에 이상적입니다. 이를 통해 제조업체는 3D 프린팅된 탄소 섬유 부품을 항공기 프레임 및 구조물에 통합하여 항공기 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 탄소 섬유는 가격이 비싸고 생산이 어렵기 때문에 항공우주 산업에서의 잠재적인 응용이 제한됩니다.
금속은 다른 재료에 비해 열과 전기의 전도율이 뛰어난 자연 발생 또는 합금 재료입니다. 알루미늄, 티타늄, 니켈 기반 초합금과 같은 일반적인 항공우주 금속은 내식성과 높은 중량 대비 강도 비율로 인해 널리 사용됩니다. 3D 프린팅 금속은 엔진 부품, 프레임, 구조물, 전자 장비에 사용됩니다. 금속의 주요 단점은 상대적으로 밀도가 높다는 점이며, 항공기에 금속을 과도하게 사용하면 항공기 성능과 연료 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
폴리머는 반복되는 분자 사슬로 구성된 재료입니다. 항공우주 분야 폴리머의 일반적인 예로는 나일론, PEEK, ULTEM 9085(폴리에테르이미드의 한 형태)와 같은 합성 열가소성 수지가 있습니다. 이러한 재료는 좌석 등받이, 벽 패널, 환기 덕트와 같은 내부 구성 요소를 3D 프린팅하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 폴리머는 가볍고 내구성이 뛰어나 항공우주 분야에 적합합니다. 그러나 폴리머는 금속에 비해 약하므로 금속이 선호되는 고하중 응용 분야에는 사용할 수 없습니다. 자세한 내용은 폴리머란 무엇인가에 대한 가이드를 참조하세요.
인코넬®(Inconel®)은 니켈-크롬 기반 초합금으로 고온 강도와 탁월한 크리프 및 내식성으로 평가됩니다. 3D 프린팅 항공우주 응용 분야에서 Inconel®은 연료 노즐을 만들기 위해 제트 터빈 엔진에 자주 사용됩니다. 인코넬의 주요 단점은 값비싼 재료라는 것입니다. 자세한 내용은 인코넬 금속이란 무엇인가에 대한 가이드를 참조하세요.
복합재료는 서로 보완적인 특성을 지닌 두 개 이상의 구성 재료로 구성됩니다. 복합재료는 고강도, 저중량, 내마모성 향상 등 구조적 장점을 갖고 있습니다. 항공기의 3D 프린팅용 복합 재료는 서로 다른 재료의 바람직한 특성이 시너지 효과를 내기 때문에 더 가볍고 구조적으로 탄력적인 항공기를 만듭니다. 3D 프린팅 복합 재료의 단점은 가격이 비싸다는 것입니다.
3D 프린팅된 항공우주 구조 부품의 그림
3D 프린팅은 부품 설계 및 기능을 검증하는 데 도움이 되며 중소 규모 생산에 사용될 수 있습니다. 항공우주 산업에서 사용되는 3D 프린팅 프로세스의 일부가 아래에 나열되어 설명되어 있습니다.
항공우주 설계는 일반적으로 특정 항공기 구성 요소를 보여주는 컨셉 모델로 시작됩니다. 모델은 CAD 소프트웨어에서 생성된 후 .stl과 같은 3D 프린터에 적합한 파일 형식으로 내보내집니다.
3D 프린터로 디자인을 제작하기 전에 최적의 인쇄 품질을 보장하기 위해 특정 준비 작업을 완료해야 합니다. 준비 방법은 부품 형상, 3D 프린팅 유형, 사용 중인 프린터에 따라 다릅니다. 부품 모델은 최적의 품질을 보장하는 방식으로 프린터에서 구성되고 방향이 지정되어야 합니다. 또한 FDM(융합 증착 모델링) 및 SLS(선택적 레이저 소결) 프린터와 같은 일부 프린터는 사용하기 전에 인쇄 베드나 빌드 플랫폼을 가열해야 합니다.
사용하는 3D 프린팅 및 프린팅 기계의 종류에 따라 3D 모델을 원하는 대로 구성하고 3D 프린팅 시스템을 적절하게 준비한 후 부품을 제작할 수 있습니다. 인쇄 시간은 부품의 크기와 사용된 인쇄 유형에 따라 몇 분에서 며칠까지 다양합니다.
3D 프린팅이 완료되면 빌드 트레이에서 파트를 제거할 수 있습니다. 대부분의 3D 프린팅 부품에는 약간의 후처리가 필요합니다. 그러나 한 가지 방법으로 프린팅된 부품은 다른 방법으로 생산된 부품보다 더 많은 후처리가 필요할 수 있습니다. 예를 들어, FDM 인쇄 부품은 지지 재료만 제거하면 되는 경우가 많은 반면, DED(직접 에너지 증착) 인쇄 부품은 원하는 치수를 얻으려면 추가 가공 공정이 필요합니다.
후처리가 완료되면 3D 프린팅 부품을 테스트하고 평가합니다. 디자인 수정이 필요한 경우 3D 프린팅을 통해 디자이너는 새로운 디자인을 빠르게 만들고 테스트할 수 있습니다. 3D 프린팅 부품의 의도된 기능이 충족되면 부품을 중소 규모 배치 생산을 위해 3D 프린팅하거나 보다 전통적인 방법으로 제조할 수 있습니다.
부품 인증은 항공우주 산업에서 3D 프린팅된 부품이 엄격한 안전, 성능 및 규제 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 있어 중요한 단계입니다. 인증 프로세스에는 재료 테스트, 기계 테스트 및 FAA(연방 항공청) 또는 EASA(유럽 연합 항공 안전국)와 같은 항공우주 표준 준수가 포함될 수 있습니다. 부품은 실제 항공우주 조건에서 신뢰성, 내구성 및 성능을 입증하기 위해 광범위한 검증 절차를 거쳐야 할 수도 있습니다.
부품이 인증되면 생산 항공기 및 항공우주 응용 분야에 사용하도록 승인되어 업계 규정 및 안전 표준을 준수할 수 있습니다.
항공우주 산업에서 사용할 수 있는 3D 프린팅에는 여러 가지 유형이 있습니다. 아래에 나열되어 있습니다:
FDM(Fused Deposition Modeling)은 압출된 열가소성 필라멘트를 활용하여 부품을 층별로 만드는 3D 프린팅 유형입니다. 용융된 플라스틱이 노즐에서 빌드 트레이로 압출됩니다. 첫 번째 층이 냉각되면 다음 층이 증착됩니다. 이 과정은 전체 부품이 완성될 때까지 층별로 반복됩니다. 항공우주 분야의 FDM 프린팅은 원래 프로토타입 제작 및 설계 검증 목적으로 사용되었지만 최근에는 기능성 항공기 부품을 생산하는 데에도 사용되었습니다.
SLA(광조형술)는 정밀하게 배치된 감광성 고분자 수지를 활용하여 UV 광선으로 경화되어 부품을 층별로 만드는 3D 프린팅 공정입니다. SLA는 매우 높은 해상도를 제공하며 풍동 테스트용 모델을 만드는 데 자주 사용됩니다.
선택적 레이저 소결(SLS)은 열가소성 분말을 정밀하게 소결 및 융합하여 부품을 층별로 형성하는 3D 프린팅 공정입니다. 레이어가 완성되면 더 많은 파우더가 쌓이고 빌드 트레이가 내려가며 프로세스가 반복됩니다. SLS는 복잡한 형상의 부품을 고해상도로 생산하는 데 적합합니다. 항공우주 분야의 SLS 3D 프린팅은 일반적으로 공기 덕트와 같은 유연한 공기 흐름 구성 요소와 노즐 베젤과 같은 내열 부품의 소규모 배치 생산에 사용됩니다.
전자빔 용해(EBM)는 전기 전도성 금속 분말과 전자빔을 사용하여 부품을 층별로 제조하는 3D 프린팅 공정입니다. 인쇄 과정은 가스 분자가 전자빔에서 방출되는 에너지를 방해하지 않도록 진공에서 이루어져야 합니다. 전자빔은 금속 분말을 매우 높은 온도로 가열하여 녹이고 융합하여 부품을 형성합니다. EBM은 엔진 부품과 같은 금속 부품을 만드는 데 사용될 수 있습니다.
DED(지향성 에너지 증착)는 전자빔, 레이저 또는 플라즈마 아크와 같은 에너지원을 사용하여 노즐에서 증착되는 분말이나 필라멘트를 녹이는 3D 프린팅 프로세스입니다. 이 프로세스는 EBM과 유사하지만 진공을 완료할 필요가 없습니다. DED 프린팅은 일반적으로 제트 터빈 엔진의 금속 부품을 만드는 데 사용되며 전통적으로 제조된 금속 부품을 수리하는 데에도 사용할 수 있습니다.
항공우주 산업에서 사용되는 다양한 유형의 3D 프린팅 기계는 아래에 설명되어 있습니다.
PBF(분말층 융합) 기계는 SLS 또는 EBM과 같은 공정을 통해 분말을 증착하고 융합하는 3D 프린팅 기계입니다. PBF 기계의 장점에는 향후 인쇄 공정을 위해 사용하지 않은 분말을 재활용할 수 있는 능력, 선택할 수 있는 다양한 플라스틱 및 금속 재료 선택, 부품 생산에 필요한 최소한의 지원 등이 있습니다. PBF 기계의 단점은 인쇄 부품에 높은 전력 요구 사항, 열 변형에 취약한 부품, 느린 인쇄 시간 등이 있습니다.
FDM 기계는 플라스틱 필라멘트를 층별로 압출하여 부품을 만드는 3D 프린팅 기계입니다. FDM 기계는 저렴한 비용, 작은 설치 공간, 인쇄에 사용할 수 있는 다양한 재료 등 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 그러나 FDM 기계에는 단점도 있습니다. FDM으로 프린팅된 부품은 휘어지기 쉽고 프린팅 레이어에 수직인 방향에서는 약합니다. 또한 FDM 기계는 노즐이 막히는 경향이 있어 베드 보정이 필요한 경우가 많습니다.
SLA 기계는 UV 방출 LCD 스크린이나 레이저로 감광성 폴리머를 경화시켜 부품을 제조하는 3D 프린팅 기계입니다. SLA 기계의 장점에는 매우 정확하고 정밀한 부품을 프린트하는 능력, 향후 프린트 작업을 위해 사용하지 않은 레진을 절약하는 능력, 복잡하고 복잡한 패턴을 프린트하는 능력이 포함됩니다. 그러나 SLA 기계의 단점은 초기 투자 비용과 유지 관리 비용이 높고 수지는 환경 친화적이지 않다는 점입니다.
직접 에너지 증착(DED) 기계는 분말이나 필라멘트를 녹이는 레이저, 플라즈마 아크, 전자 빔과 같은 집중된 열원을 사용하여 부품을 생산하는 3D 프린터입니다. DED 프린터의 주요 장점은 인쇄된 부품의 입자 구조를 제어할 수 있고 적은 도구를 사용하여 대형 부품을 만들 수 있다는 것입니다. DED 기계의 단점은 정밀도가 낮은 부품을 만들고 원하는 치수를 얻기 위해 후처리가 필요하다는 점입니다. 또한 DED 시스템은 가격이 500,000달러가 넘을 수 있어 많은 조직에 장벽이 될 수 있습니다.
FDM은 복합 폴리머를 프린팅할 수 있지만 잘게 잘린 섬유를 사용하는 경향이 있어 긴 탄소 섬유에서 발견되는 고유 강도가 감소합니다. 연속 섬유 3D 프린팅 시스템(예:Markforged)을 사용하면 연속 길이의 탄소 섬유가 인쇄 베드에 증착되어 최종 부품이 벌크 탄소 섬유의 강도를 유지할 수 있습니다. 탄소 섬유 필라멘트는 열가소성 수지로 코팅되는 경우가 많으며, 노즐을 통과할 때 가열되어 탄소 섬유 필라멘트가 이전 층에 결합될 수 있습니다.
아래 목록은 항공기 산업을 위해 3D 프린팅으로 제조할 수 있는 부품의 몇 가지 예입니다.
엔진 부품에 사용되는 재료는 높은 기계적 및 열적 응력을 견뎌야 합니다. 연료 노즐과 같은 부품은 EBM(전자빔 용해) 및 DED(직접 에너지 증착)와 같은 3D 프린팅 공정으로 만들 수 있습니다. 이러한 공정을 사용하여 노즐을 생산하는 것이 더 효율적일 뿐만 아니라 노즐 자체도 기존 제조 방법으로 만든 것보다 가볍습니다. 이는 항공기 성능 및 환경 영향과 관련하여 상당히 긍정적인 이점을 제공합니다.
구조 구성 요소는 항공기의 강체를 형성하고 지지하는 데 도움이 되는 내부 및 외부 구성 요소입니다. 브래킷이나 위시본과 같은 구조 부품은 티타늄, 티타늄 합금, 구리 및 니켈 합금을 사용하는 EBM 및 DED와 같은 3D 프린팅 공정으로 제작할 수 있습니다.
항공기의 안전한 사용과 긴 수명을 보장하기 위해 정기적으로 유지보수 및 수리가 수행됩니다. EBM 및 DED와 같은 3D 프린팅 방법을 사용하면 항공기 유지 관리 및 수리에 필요한 지그, 고정 장치 및 도구를 티타늄, 스테인리스강, 구리 등의 금속으로 제작할 수 있습니다.
항공기의 내부 부품에는 항공 전자 장비부터 도어 래치, 조명 기구와 같은 객실 액세서리까지 모든 것이 포함됩니다. FDM(융합 증착 모델링)과 SLS(선택적 레이저 소결)는 항공기용 플라스틱 내부 부품을 제작하는 데 일반적으로 사용되는 두 가지 인기 있는 3D 프린팅 방법입니다.
프로토타입 제작 및 툴링은 새로운 설계 개념을 설계 및 테스트하고 관련 툴링을 개발하는 것과 관련된 프로세스를 나타냅니다. 3D 프린팅은 설정 작업이 거의 필요하지 않고 복잡한 부품을 주문형으로 제작할 수 있기 때문에 항공우주 산업을 위한 프로토타입 및 도구 제작에 적합합니다. 이를 통해 신제품을 신속하게 개발하고 테스트할 수 있습니다.
다음은 모두 3D 프린팅으로 만들 수 있는 항공우주 기계 부품입니다:
항공기 산업에서 3D 프린팅 애플리케이션에는 몇 가지 장점이 있습니다. 아래에 설명되어 있습니다:
항공기 산업에서 3D 프린팅에는 몇 가지 단점도 있습니다. 몇 가지 단점은 다음과 같습니다:
3. 시간이 많이 걸리는 인증 프로세스:항공우주는 안전 중심 산업이며, 새로운 재료와 프로세스를 항공기에 사용하려면 먼저 인증과 자격 인증을 거쳐야 합니다. 이는 시간과 비용이 많이 소요될 수 있습니다.
3D 프린팅은 R&D 회사, 항공기 제조업체, 유지보수 회사에서 사용됩니다. 3D 프린팅은 항공우주 부품의 신속한 프로토타입 제작과 최종 용도의 항공우주 부품, 지그, 고정 장치 및 항공기 유지 관리 도구의 중소 규모 배치 생산에 사용될 수 있습니다.
3D 프린팅은 항공우주 산업에 지속적으로 긍정적인 영향을 미치는 프로세스입니다. 이는 항공우주 산업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이고, 업계 내 혁신을 강화하며, 향후 수년간 항공기 성능과 제조 효율성을 모두 향상시킬 준비가 되어 있습니다. 3D 프린팅된 날개와 친환경 항공은 항공우주 분야의 미래 3D 프린팅 애플리케이션의 두 가지 예에 불과합니다.
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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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