비행 하드웨어 혁명:궤도의 3D 프린팅 항공우주 부품

궤도에서의 항공우주 적층 제조:비행용 3D 프린팅 위성 엔지니어링

수십 년 동안 항공우주 제조는 알루미늄, 티타늄 및 긴 리드 타임으로 정의되었습니다. 구조적 구성 요소는 속도보다 확실성을 우선시하는 프로세스를 통해 가공, 고정, 검사 및 조립되었습니다. 

그렇다면 적층 제조가 단순히 하드웨어 프로토타입을 만드는 것이 아니라 궤도를 비행하면 어떻게 될까요? 

전직 NASA 과학자 Tony Boschi와 Sidus Space 팀이 SpaceX의 Transporter-9 임무에 탑재되도록 설계된 부분적으로 3D 프린팅된 위성인 LizzieSat을 구축하기 시작했을 때 바로 이런 일이 일어났습니다. 

그 과정에서 입증된 내용은 모든 엔지니어링 리더가 주목해야 할 사항입니다. 

항공우주 적층 제조는 더 이상 실험적이지 않습니다. 작동 중입니다.

Sidus Space의 Tony Boschi는 지속적인 탄소 섬유 3D 프린팅과 Markforged 재료를 통해 다중 산업 임무를 위해 설계된 부분적으로 3D 프린팅된 위성인 LizzieSat의 개발을 어떻게 가능하게 했는지 설명합니다.

공학적 제약:더 이상 100킬로그램

LizzieSat는 전체 위성의 무게가 100kg 미만이어야 한다는 엄격한 질량 제한에 따라 설계되었습니다. 

항공우주 엔지니어의 경우 이 숫자가 바로 문제를 정의합니다. 

배터리는 질량을 소비합니다. 비행 컴퓨터는 질량을 소비합니다. 페이로드 시스템은 질량을 소비합니다. 전력 시스템은 질량을 소비합니다. 

구조에는 체중 감량 기회가 남아 있는 경우가 많지만 구조도 살아남아야 합니다. 

• 5G 출시 로드
• 일사량 노출
• 300°F(200°C)에 접근하는 열 변동
• 다년간의 궤도 수명 

발사하는 동안 중력이 증가합니다. 5파운드 내부 구성 요소의 실제 무게는 5G에서 25파운드입니다. 100파운드 구조물은 500파운드의 힘을 받습니다. 해당 로드 케이스만으로도 많은 재료를 고려 대상에서 제외합니다. 

Sidus 팀은 단일 목적의 우주선을 만들려고 하지 않았습니다. 그들은 다양한 고객, 산업 및 임무 유형을 지원할 수 있는 유연한 위성 버스 플랫폼을 구상했습니다. 수십 개의 특수 위성을 발사하는 대신 LizzieSat는 다양한 페이로드에 적응할 수 있습니다. 

이러한 유연성을 위해서는 가볍고 강력하며 빠르게 반복되고 정밀하게 제조된 구조 시스템이 필요했습니다. 기존의 기계 가공으로는 목표에 도달할 만큼 빠르게 도달할 수 없었습니다.

항공우주 적층 제조가 방정식을 바꾼 이유

기존 알루미늄 제조에서는 설계 변경으로 인해 마찰이 발생합니다. 엔지니어링 개정이 릴리스되어야 합니다. 부품을 다시 가공해야 합니다. 어셈블리를 재작업해야 할 수도 있습니다. 리드타임이 늘어납니다. 

Boschi는 혁신의 속도에 맞춰 디자인한다는 다른 목표를 가지고 있었습니다. 

Markforged X7을 사용하여 Sidus는 연속 탄소 섬유로 강화된 구조 부품을 생산하기 시작했습니다. 이것은 외관상 프로토타입이 아니라 구조적 하드웨어였습니다. 

지속적인 탄소 섬유 강화는 알루미늄과 비슷한 강도를 제공하는 동시에 무게를 크게 줄입니다. 더 중요한 것은 형상이 더 이상 절삭 가공의 제약을 받지 않는다는 것입니다. 

디자인이 변경된 경우 구현하는 데 몇 주가 걸리지 않았습니다. 

하루가 걸렸습니다. 

Boschi는 차이점을 명확하게 설명합니다. 무언가 변경되면 팀은 새로운 구조 구성 요소를 다시 인쇄하고 즉시 통합할 수 있습니다. 공격적인 상업 일정에 따라 운영되는 위성 프로그램의 경우 이러한 속도는 편리함이 아니라 경쟁 우위입니다. 

항공우주 적층 제조가 제공하는 이점은 페널티 없는 반복입니다.

공간 자격 질문

적층 제조를 평가하는 엔지니어들은 필연적으로 같은 질문을 합니다. 

우주에서도 살아남을 수 있을까? 

Sidus는 가정이 아닌 데이터로 그 질문에 대답했습니다. 팀은 국제 우주 정거장으로 보낼 실험 구조물인 비행 테스트 플랫폼을 개발하기 위한 보조금을 받았습니다. 그들은 Markforged Onyx를 사용하여 샘플 홀더의 프로토타입을 빠르게 제작하고 이를 실험에 통합했습니다. 

원래 계획에는 대략 15주간 궤도에 노출되는 것이 필요했습니다. 대신 부품은 1년 내내 ISS 외부에 남아 있었습니다. 

우주에서 재료는 끊임없는 스트레스에 직면합니다. 직접적인 태양 복사는 폴리머를 분해합니다. 온도 주기는 극한의 팽창과 수축을 통해 재료를 밀어냅니다. 진공 상태는 약점을 드러냅니다. 

샘플이 지구로 돌아왔을 때 일부 물질은 눈에 띄게 저하된 것으로 나타났습니다. 

Onyx 부품은 그렇지 않았습니다. 

Boschi에 따르면 우주에서 1년 동안 보낸 부품과 기계에서 새로 인쇄된 부품 사이에는 측정 가능한 차이가 없었습니다. 구조적 타협은 없습니다. 표면 파손이 없습니다. 예상치 못한 물질적 행동이 없습니다. 

항공우주 적층 제조의 경우 이러한 종류의 실제 검증은 어떤 데이터시트보다 중요합니다. 이는 적절하게 엔지니어링된 복합 3D 프린팅 부품이 궤도에서 살아남을 수 있음을 입증했습니다. 

이제 검증은 플랫폼 테스트를 넘어 확장되었습니다. 2024년 이후 3개의 LizzieSats가 성공적으로 발사되어 궤도에서 작동하면서 적층 구조 구성 요소가 실험적 노출 시험에서 비행에서 입증된 위성 아키텍처로 전환되었습니다.

새로운 구조 설계를 가능하게 하는 정밀성

위성 질량에 가장 간과되는 요인 중 하나는 하드웨어, 특히 패스너입니다. 

Boschi 팀은 간단한 질문을 하기 시작했습니다. 나사를 완전히 제거할 수 있다면 어떨까요? 

추가적인 설계의 자유로움을 활용하여 구조적 구성 요소에 직접 정밀한 연동 고정 기능을 설계했습니다. 부품은 1만분의 1인치 이내의 허용 오차로 제자리에 들어가고 잠깁니다. 이는 종이 한 장의 두께를 3으로 나눈 것보다 작습니다. 

이러한 형상은 불가능하지는 않더라도 기존 방식으로 가공하기가 매우 어렵습니다. 그러나 산업용 3D 프린터의 연속 섬유 3D 프린팅을 사용하면 반복 가능하고 안정적입니다. 

불필요한 하드웨어를 제거하고 구조 자체에 고정 기능을 통합함으로써 팀은 발사 하중에서 구조적 무결성을 유지하면서 질량을 줄였습니다. 

이는 점진적인 개선이 아니라 적층 제조를 통한 구조적 재검토입니다.

항공우주 재료 요건 충족:난연성 및 추적성

항공우주에서는 힘만으로는 충분하지 않습니다. 특히 국방, 정부, 상업 우주 프로그램의 경우 자재 추적성과 규정 준수가 필수적입니다.

Sidus는 난연성 재료인 Onyx FR과 완전한 재료 추적성을 추가하는 Onyx FR-A를 사용하여 구조 부품 인쇄로 전환했습니다. "A" 지정을 사용하면 많은 항공우주 품질 시스템의 요구 사항인 생산 원점까지 배치 수준 추적이 가능합니다. 

균열이나 전단 현상이 발생하면 엔지니어는 재료 계통을 추적하고 근본 원인을 분석하며 시정 조치를 구현할 수 있습니다. 이러한 책임 수준은 적층 제조를 항공우주 등급 기대치에 맞춰 조정합니다. 

규정 준수 및 인증을 담당하는 기술 관리자의 경우 구조 응용 분야에 적층 제조를 채택할 때 이것이 누락되는 경우가 많습니다. 

Markforged는 이러한 격차를 해소합니다.

프로토타입이 아닌 플랫폼으로서의 3D 프린팅 위성

LizzieSat은 5년의 임무 수명을 위해 설계되었습니다. 이러한 수명은 위성의 전자 장치뿐만 아니라 구조적 무결성에 대한 신뢰를 반영합니다. 

더 넓은 의미는 이것이 3D 프린팅 위성이라는 것뿐만이 아닙니다. 

항공우주 적층 제조를 통해 다양한 산업과 고객에게 서비스를 제공할 수 있는 모듈형 플랫폼을 만들 수 있었습니다. Sidus는 각 임무에 맞는 맞춤형 우주선을 만드는 대신 유연한 아키텍처를 만들었습니다. 

이러한 확장성은 빠르게 발전하는 상업용 우주 시장에서 매우 중요합니다. 

그리고 산업용 3D 프린터의 복합 3D 프린팅을 사용하여 제작, 테스트, 출시 및 검증되었습니다.

엔지니어링 리더에게 이것이 의미하는 바

많은 엔지니어링 팀은 여전히 적층 제조를 프로토타이핑 도구로 보고 있습니다. 지그, 고정 장치 또는 컨셉 모델을 위한 것입니다. 

LizzieSat는 완전히 다른 것을 보여줍니다. 

항공우주 3D 프린팅은 다음을 수행할 수 있습니다. 

• 구조적 질량 감소
• 가공이 불가능한 형상 활성화
• 통합 고정을 통해 하드웨어 제거
• 설계 반복 주기 가속화
• 화재 및 추적성 요구 사항 충족
• 우주에 노출된 1년 동안 살아남기 

고급 제조 팀을 운영하는 기술 관리자의 경우 적층 가공이 항공우주 분야에서 작동하는지 여부는 더 이상 문제가 되지 않습니다. 

경쟁업체가 더 빠르게 이동하기 위해 이미 이를 사용하고 있는지 여부입니다. 

적층 가공이 항공우주 로드맵에 어떻게 적합한지 평가하고 있다면 Markforged가 항공, 우주, 방위 분야의 핵심 애플리케이션을 어떻게 지원하는지 알아보세요.

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