3D 프린팅, 즉 적층 제조는 항공우주 산업에서 매우 중요하게 여겨집니다. 무게나 항력 감소가 엄청난 비용 절감으로 이어질 수 있는 산업에서, 3D 프린팅은 항공우주 제조업체가 더 가볍고 연료 효율적인 항공기를 더 비용 효율적인 방식으로 만들 수 있게 했습니다. 항공우주 산업은 핵심 부품 제조에 3D 프린팅을 광범위하게 채택한 최초의 산업 중 하나였으며, 이 공정은 설계와 제조의 경계를 재정의했습니다. 항공우주 엔지니어들은 특정 3D 프린팅 공정 개발에 기여했으며, 3D 프린팅이 제조 공정으로 성숙해감에 따라 산업은 오늘날에도 계속해서 그 혜택을 누리고 있습니다.
지그와 시제품 툴링부터 노즐이나 로켓 본체 같은 최종 사용 부품까지, 항공우주의 3D 프린팅은 제조 공정을 돕고 항공기 내 특정 응용 분야를 충족하는 데 모두 사용될 수 있습니다. 이 글에서는 항공우주의 3D 프린팅, 사용되는 재료와 공정, 다양한 응용 분야에 대해 다룹니다.
3D 프린팅, 즉 적층 제조는 전체 3차원 부품이 완성될 때까지 부품을 층별로 생성하는 제조 공정입니다. 이는 공작물에서 재료를 제거하여 부품을 만드는 CNC(컴퓨터 수치 제어) 가공과 같은 절삭 제조 공정의 반대입니다. 3D 프린팅은 장신구, 간단한 도구, 항공우주, 자동차, 의료, 기계 등 여러 산업에서 사용되는 고급 부품을 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 3D 프린팅 기술은 1980년대부터 존재했지만, 21세기 초반부터 적층 제조가 여러 공정이 필요한 부품을 생산하는 건전한 대안이 되면서 그 사용이 폭발적으로 증가했습니다.
항공우주 산업은 1990년대에 3D 프린팅을 구현한 최초의 산업 중 하나였습니다. 1980년대 3D 프린팅 기술 출범 이래, 항공우주 산업은 3D 프린팅 공정과 기술 개발에 가장 큰 기여를 한 산업 중 하나였습니다. 오늘날에도 이 산업은 이 공정의 가장 큰 수혜자 중 하나로 남아 있으며, 출처와 시장 변동에 따라 적층 제조 산업 총 매출의 거의 15%-20%를 차지합니다.
항공우주 산업에서 3D 프린팅의 기원은 1980년대 후반으로 거슬러 올라갑니다. 당시 3D 프린팅의 가장 큰 수혜자는 미군과 방위 산업이었습니다. 이 분야들은 다양한 항공기 시스템과 부품의 테스트와 시뮬레이션을 위해 금속의 저렴한 대안으로 플라스틱을 널리 사용했습니다.
3D 프린팅은 2000년대 중반까지 항공우주 산업에서 주로 시제품 제작과 테스트에 사용되었습니다. 이때 선택적 레이저 소결(SLS)과 용융 적층 모델링(FDM) 같은 공정을 통해 난연성 플라스틱을 3D 프린트할 수 있게 되었습니다. 21세기 첫 20년 동안 3D 프린팅의 발전이 계속됨에 따라 항공우주 응용 분야에서의 사용이 확대되었습니다. 이제 설계 시제품 제작 및 검증, 도구, 항공기 유지보수용 지그, 제트 엔진의 최종 사용 부품, 항공기 인테리어 등 항공우주 부품 수명 주기 전반의 응용 분야에 사용됩니다.
항공우주 산업 응용 분야에는 다양한 재료가 사용됩니다. 일반적인 재료는 아래에 나열되고 설명되어 있습니다:
세라믹은 무기 비금속 재료입니다. 내식성, 경량, 고온 저항성, 내마모성으로 인해 항공우주 응용 분야에 적합합니다. 그러나 세라믹은 매우 단단하고 부서지기 쉬워 부품으로 가공하기 어렵습니다. 카올린과 도자기 점토는 부품을 만들기 위해 3D 프린트할 수 있는 세라믹의 두 가지 예입니다. 세라믹 3D 프린팅은 실리콘 카바이드로 만든 위성 거울 부품을 만드는 데 사용될 수 있으며, 무게를 줄이고 강성-강도 비율을 개선하는 것이 목표입니다.
탄소 섬유는 탄소 원자로 된 길고 매우 얇지만 강한 가닥입니다. 탄소 섬유 복합재는 강철만큼 강하지만 알루미늄보다 가벼워 항공우주 응용 분야에 이상적입니다. 이를 통해 제조업체는 3D 프린팅 탄소 섬유 부품을 항공기 프레임과 구조에 통합하여 항공기 성능을 개선할 수 있습니다. 그러나 탄소 섬유는 비싸고 생산이 어려워 항공우주 산업에서의 잠재적 응용을 제한합니다.
금속은 자연 발생 또는 합금 재료로, 다른 재료에 비해 열과 전기의 우수한 전도체입니다. 알루미늄, 티타늄, 니켈 기반 초합금과 같은 일반적인 항공우주 금속은 내식성과 높은 강도-중량 비율로 널리 사용됩니다. 3D 프린팅 금속은 엔진 부품, 프레임, 구조, 전자 장비에 사용됩니다. 금속의 주요 단점은 상대적으로 밀도가 높아 항공기에 과도하게 사용하면 항공기 성능과 연료 효율에 악영향을 미칠 수 있다는 것입니다.
폴리머는 분자 반복 사슬로 구성된 재료입니다. 항공우주 분야의 일반적인 폴리머 예로는 나일론, PEEK, ULTEM 9085(폴리에테르이미드의 한 형태) 같은 합성 열가소성 플라스틱이 있습니다. 이러한 재료는 시트백, 벽 패널, 공기 덕트 같은 인테리어 부품을 3D 프린트하는 데 사용될 수 있습니다. 일반적으로 폴리머는 가볍고 내구성이 있어 항공우주 응용 분야에 적합합니다. 그러나 폴리머는 금속에 비해 약하며, 금속이 선호되는 고하중 지지 응용 분야에는 사용할 수 없습니다. 자세한 내용은 폴리머 가이드를 참조하세요.
Inconel®은 고온에서의 강도와 우수한 크리프 및 내식성으로 평가받는 니켈-크롬 기반 초합금입니다. 3D 프린팅 항공우주 응용 분야에서 Inconel®은 제트 터빈 엔진의 연료 노즐 제작에 자주 사용됩니다. Inconel의 주요 단점은 비싼 재료라는 것입니다. 자세한 내용은 Inconel 금속 가이드를 참조하세요.
복합 재료는 서로 특성이 보완되는 두 가지 이상의 구성 재료로 구성됩니다. 복합 재료는 높은 강도와 낮은 무게, 향상된 내마모성 같은 구조적 이점을 가집니다. 항공기 3D 프린팅용 복합 재료는 서로 다른 재료의 바람직한 특성이 시너지를 내어 더 가볍고 구조적으로 더 탄력적인 항공기로 이어집니다. 3D 프린팅 복합 재료의 단점은 비쌀 수 있다는 것입니다.
3D 프린팅 항공우주 구조 부품의 일러스트레이션.
3D 프린팅은 부품 설계와 기능을 검증하는 데 도움이 되며 중소량 생산 볼륨에 사용될 수 있습니다. 항공우주 산업에서 사용되는 3D 프린팅 공정의 단계는 아래에 나열되고 설명되어 있습니다:
항공우주 설계는 일반적으로 특정 항공기 부품을 보여주는 개념 모델로 시작합니다. 모델은 CAD 소프트웨어에서 생성된 다음 .stl과 같은 3D 프린터 친화적인 파일 형식으로 내보내집니다.
설계가 3D 프린터에 의해 제작되기 전에 최적의 프린트 품질을 보장하기 위해 특정 준비 작업이 완료되어야 합니다. 준비 방법은 부품 기하학, 3D 프린팅 유형, 사용되는 프린터에 따라 다릅니다. 부품 모델은 최적의 품질을 보장하는 방식으로 프린터에서 구성되고 방향이 설정되어야 합니다. 또한 FDM(용융 적층 모델링) 및 SLS(선택적 레이저 소결) 프린터와 같은 일부 프린터는 사용 전 프린트 베드나 빌드 플랫폼을 가열해야 합니다.
3D 모델이 원하는 대로 구성되고 3D 프린팅 시스템이 3D 프린팅 유형과 프린팅 기계에 따라 적절히 준비되면 부품을 제작할 수 있습니다. 프린트 시간은 부품 크기와 사용된 프린팅 유형에 따라 몇 분에서 수일까지 다양합니다.
3D 프린팅이 완료되면 부품을 빌드 트레이에서 제거할 수 있습니다. 대부분의 3D 프린팅 부품은 어느 정도 후처리가 필요합니다. 그러나 한 방법으로 프린트된 부품은 다른 방법으로 생산된 부품보다 더 많은 후처리가 필요할 수 있습니다. 예를 들어 FDM 프린트 부품은 서포트 재료 제거만 필요할 수 있는 반면, DED(직접 에너지 증착) 프린트 부품은 원하는 치수를 얻기 위해 추가 가공 공정이 필요합니다.
후처리가 완료되면 3D 프린팅 부품이 테스트되고 평가됩니다. 설계 수정이 필요한 경우 3D 프린팅을 통해 설계자가 새로운 설계를 빠르게 생성하고 테스트할 수 있습니다. 3D 프린팅 부품의 의도된 기능이 충족되면 소량에서 중량 배치 생산을 위해 3D 프린트하거나 더 전통적인 방법으로 제조할 수 있습니다.
부품 인증은 3D 프린팅 부품이 엄격한 안전, 성능, 규제 요구 사항을 충족하는지 확인하는 항공우주 산업의 중요한 단계입니다. 인증 공정에는 재료 테스트, 기계적 테스트, 연방 항공국(FAA) 또는 유럽 연합 항공 안전청(EASA)의 표준 준수 등이 포함될 수 있습니다. 부품은 실제 항공우주 조건에서의 신뢰성, 내구성, 성능을 입증하기 위해 광범위한 검증 절차를 거쳐야 할 수 있습니다.
한 번 인증되면 부품은 생산 항공기 및 항공우주 응용 분야에서 사용 승인될 수 있으며, 업계 규정과 안전 표준 준수를 보장합니다.
항공우주 산업에서 사용할 수 있는 여러 가지 유형의 3D 프린팅이 있습니다. 이들은 아래에 나열되어 있습니다:
용융 적층 모델링(FDM)은 부품을 층별로 만들기 위해 압출된 열가소성 필라멘트를 사용하는 3D 프린팅 유형입니다. 녹은 플라스틱이 노즐을 통해 빌드 트레이로 압출됩니다. 첫 번째 레이어가 식으면 다음 레이어가 증착됩니다. 이 과정은 전체 부품이 완성될 때까지 층별로 반복됩니다. 항공우주의 FDM 프린팅은 원래 시제품 제작 및 설계 검증 목적으로 사용되었지만, 최근에는 기능성 항공기 부품 생산에 사용되고 있습니다.
입체조형술(SLA)은 UV 광으로 경화되는 정밀하게 배치된 감광성 폴리머 레진을 사용하여 부품을 층별로 만드는 3D 프린팅 공정입니다. SLA는 매우 높은 해상도를 제공하며 풍동 테스트용 모델 제작에 자주 사용됩니다.
선택적 레이저 소결(SLS)은 열가소성 분말을 정밀하게 소결 및 융합하여 부품을 층별로 형성하는 3D 프린팅 공정입니다. 레이어가 완료되면 더 많은 분말이 증착되고 빌드 트레이가 내려가며 과정이 반복됩니다. SLS는 복잡한 기하학의 부품을 높은 해상도로 생산하는 데 탁월합니다. 항공우주의 SLS 3D 프린팅은 공기 덕트와 노즐 베젤 같은 내열 부품과 유연한 기류 부품의 소량 배치 생산에 일반적으로 사용됩니다.
전자빔 용융(EBM)은 전기 전도성 금속 분말과 전자빔을 사용하여 부품을 층별로 제조하는 3D 프린팅 공정입니다. 프린팅 공정은 전자빔에서 방출되는 에너지를 기체 분자가 방해하지 않도록 진공 상태에서 수행되어야 합니다. 전자빔은 금속 분말을 극도로 높은 온도로 가열하여 녹이고 융합시켜 부품을 형성합니다. EBM은 엔진 부품 같은 금속 부품을 만드는 데 사용될 수 있습니다.
직접 에너지 증착(DED)은 전자빔, 레이저, 플라즈마 아크와 같은 에너지원을 사용하여 노즐에서 증착되는 분말이나 필라멘트를 녹이는 3D 프린팅 공정입니다. 이 공정은 EBM과 유사하지만 진공 상태를 요구하지 않습니다. DED 프린팅은 제트 터빈 엔진의 금속 부품을 만드는 데 일반적으로 사용되며, 전통적으로 제조된 금속 부품을 수리하는 데도 사용될 수 있습니다.
항공우주 산업에서 사용되는 다양한 3D 프린팅 기계 유형은 아래에 설명되어 있습니다:
분말 베드 퓨전(PBF) 기계는 SLS나 EBM 같은 공정을 통해 분말을 증착하고 융합시키는 3D 프린팅 기계입니다. PBF 기계의 장점에는 미래 프린팅 공정을 위해 사용하지 않은 분말을 재활용할 수 있는 능력, 선택할 수 있는 다양한 플라스틱 및 금속 재료, 부품 생산에 최소한의 서포트가 필요하다는 점이 포함됩니다. PBF 기계의 단점에는 부품 프린팅을 위한 높은 전력 요구량, 열 변형에 취약한 부품, 느린 프린팅 시간이 포함됩니다.
FDM 기계는 플라스틱 필라멘트를 층별로 압출하여 부품을 만드는 3D 프린팅 기계입니다. FDM 기계에는 저비용, 작은 설치 면적, 프린팅에 사용할 수 있는 다양한 재료 등 여러 장점이 있습니다. 그러나 FDM 기계에도 단점이 있습니다. FDM으로 프린트된 부품은 뒤틀림이 발생하기 쉽고 프린트 레이어에 수직인 방향으로 약합니다. 또한 FDM 기계는 노즐 막힘이 발생하기 쉽고 자주 베드 캘리브레이션이 필요합니다.
SLA 기계는 UV를 방출하는 LCD 화면이나 레이저로 감광성 폴리머를 경화시켜 부품을 제조하는 3D 프린팅 기계입니다. SLA 기계의 장점에는 매우 정확하고 정밀한 부품을 프린트할 수 있는 능력, 미래 프린트 작업을 위해 사용하지 않은 레진을 저장할 수 있는 능력, 복잡하고 정교한 패턴을 프린트할 수 있는 능력이 포함됩니다. 그러나 SLA 기계의 단점에는 높은 초기 및 유지보수 비용과 레진이 환경 친화적이지 않다는 점이 포함됩니다.
직접 에너지 증착(DED) 기계는 레이저, 플라즈마 아크, 전자빔과 같은 집중된 열원을 사용하여 분말이나 필라멘트를 녹여 부품을 생산하는 3D 프린터입니다. DED 프린터의 주요 장점은 프린트된 부품의 입자 구조를 제어할 수 있고 적은 툴링으로 대형 부품을 만들 수 있다는 것입니다. DED 기계의 단점에는 정밀도가 낮은 부품 제작과 원하는 치수를 얻기 위한 후처리 필요성이 포함됩니다. 또한 DED 기계는 비싸서 $500,000 이상 들 수 있어 많은 조직에 진입 장벽이 될 수 있습니다.
FDM이 복합 폴리머를 프린트할 수 있지만, 절단 섬유를 사용하는 경향이 있어 더 긴 탄소 섬유에 내재된 강도가 감소합니다. 연속 섬유 3D 프린팅 시스템(예: Markforged)을 사용하면 탄소 섬유의 연속 길이가 프린트 베드에 증착되어 최종 부품이 벌크 탄소 섬유의 강도를 유지할 수 있습니다. 탄소 섬유 필라멘트는 종종 열가소성 플라스틱으로 코팅되어 노즐을 통과할 때 가열되어 이전 레이어에 탄소 섬유 필라멘트가 결합되도록 합니다.
아래는 항공기 산업을 위해 3D 프린팅으로 제조될 수 있는 부품의 몇 가지 예입니다:
엔진 부품에 사용되는 재료는 높은 기계적 및 열적 응력을 견뎌야 합니다. 연료 노즐 같은 부품은 EBM(전자빔 용융)과 DED(직접 에너지 증착) 같은 3D 프린팅 공정으로 만들 수 있습니다. 이러한 공정을 사용한 노즐 생산은 더 효율적일 뿐만 아니라, 노즐 자체가 전통적인 제조 방법으로 만든 것보다 가볍습니다. 이는 항공기 성능과 환경 영향과 관련된 상당한 긍정적 이점을 제공합니다.
구조 부품은 항공기의 강체 본체를 형성하고 지지하는 내부 및 외부 부품입니다. 브래킷과 위시본 같은 구조 부품은 티타늄, 티타늄 합금, 구리, 니켈 합금을 사용하여 EBM과 DED 같은 3D 프린팅 공정으로 만들 수 있습니다.
유지보수와 수리는 항공기의 안전한 사용과 긴 수명을 보장하기 위해 정기적으로 수행됩니다. EBM과 DED 같은 3D 프린팅 방법은 티타늄, 스테인리스 강, 구리 등 금속으로 항공기 유지보수 및 수리에 필요한 지그, 고정구, 도구를 제작하는 데 사용될 수 있습니다.
항공기 인테리어 부품에는 항공 전자 장비부터 도어 래치와 조명 기구 같은 캐빈 액세서리까지 모든 것이 포함됩니다. FDM(용융 적층 모델링)과 SLS(선택적 레이저 소결)는 항공기용 플라스틱 인테리어 부품을 제작하는 데 일반적으로 사용되는 두 가지 인기 있는 3D 프린팅 방법입니다.
시제품 제작과 툴링은 새로운 설계 개념의 설계 및 테스트와 관련 툴링 개발과 관련된 공정을 말합니다. 3D 프린팅은 적은 설정 작업으로 복잡한 부품을 주문형으로 만들 수 있는 능력 덕분에 항공우주 산업의 시제품 제작과 툴링에 탁월합니다. 이는 새로운 제품의 신속한 개발과 테스트를 가능하게 합니다.
다음은 모두 3D 프린팅으로 만들 수 있는 기계적 항공우주 부품입니다:
항공기 산업에서 3D 프린팅 응용 분야에는 여러 장점이 있습니다. 아래에 설명되어 있습니다:
항공기 산업에서 3D 프린팅에도 여러 단점이 있습니다. 일부 단점은 아래에 설명되어 있습니다:
3D 프린팅은 R&D 기업, 항공기 제조업체, 유지보수 회사에서 사용됩니다. 3D 프린팅은 항공우주 부품의 신속한 시제품 제작과 최종 사용 항공우주 부품, 항공기 유지보수용 지그, 고정구, 도구의 소량에서 중량 배치 생산에 사용될 수 있습니다.
3D 프린팅은 항공우주 산업에 지속적으로 긍정적인 영향을 미치는 공정입니다. 향후 수년간 항공우주 산업의 부정적 환경 영향을 줄이고, 산업 내 혁신을 강화하며, 항공기 성능과 제조 효율성을 모두 개선할 태세를 갖추고 있습니다. 3D 프린팅 날개와 친환경 항공은 항공우주 분야의 미래 3D 프린팅 응용 분야의 두 가지 예일 뿐입니다.
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Dean McClements
Dean McClements는 기계공학 우등 학사(B.Eng Honors) 졸업자로 제조 산업에서 20년 이상의 경력을 가지고 있습니다. Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace, Hyster-Yale 등 선도 기업에서 중요한 역할을 맡으며 엔지니어링 프로세스와 혁신에 대한 깊은 이해를 쌓았습니다.
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3D 프린팅
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나사(Screw)란? 나사는 나선형 나사산이 긴 축 주위를 감고 있으며 끝이 뾰족하고 머리가 슬롯된 짧은 금속 핀으로, 물체를 비틀어 결합하는 데 쓰입니다. 나사는 패스너의 일종으로 망치나 드라이버 같은 공구로 재료를 체결합니다. 나사는 흔히 셀프 태핑(Self-threading) 방식으로 제조되어, 나사를 돌리면 나사산이 재료를 파고들어 내부 나사산을 형성합니다. 이로 인해 체결 재료가 당겨져 결합되고 빠지지 않게 됩니다. 다양한 형태와 크기로 나오며 각각 기능이 다릅니다. 보통 원형, 평평한 것, 짧은 것, 긴 것 등이 있지만
