적층 제조가 항공우주 및 방위 산업을 혁신하는 5가지 핵심 방식

적층 제조(Additive Manufacturing)는 소규모 시제품 제작부터 정교한 로켓 엔진 생산까지 수많은 산업과 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 아직 제조 운영에 적층 제조 기술 도입을 망설이고 있다면, 항공우주 및 방위 산업에서의 다양한 이점과 선구적 응용 사례를 고려해 보세요.

빠른 링크

• 적층 제조란?
• 적층 제조의 이점
• 항공우주 분야 적층 제조 활용
• 군사 및 방위 분야 3D 프린팅 활용
• 적층 제조의 이점에 대해 더 알고 싶다면?

적층 제조란?

적층 제조는 3D 프린팅으로도 알려져 있으며, 디지털 3D 또는 CAD 모델로부터 3차원 물체를 만드는 과정입니다. 이름에서 알 수 있듯, 적층 제조는 재료를 층층이 쌓아 올려 물체를 만듭니다. 이러한 재료에는 금속 분말, 플라스틱, 세라믹 등이 포함될 수 있습니다. 적층 제조는 가공, 절삭, 선삭, 성형, 밀링 등 전통적인 '감산적(Subtractive)' 제조 공정을 보완하거나 경우에 따라 완전히 대체할 수 있습니다.

적층 제조 공정 중 물체는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어로 설계하거나 인쇄할 물체를 스캔하여 설계합니다. 소프트웨어는 스캔을 3D 프린팅 기계가 층별로 따라갈 정밀한 프레임워크로 변환합니다.

적층 제조의 이점

적층 제조 활용에는 수많은 이점이 내재되어 있습니다:

개발 비용 절감

첨단 제조 기술은 초기 비용 때문에 다소 비싸다는 인식이 있지만, 장기적 관점의 개발 비용 절감으로 비용 절감 효과를 가져옵니다. 3D 프린팅의 주요 이점 중 하나는 인건비 절감입니다. 후가공을 제외하면 대부분의 프린터는 자급자족하며 운영자의 도움이 거의 필요하지 않습니다. 따라서 적층 제조 공정과 관련된 인건비는 고도로 숙련된 운영자가 필요한 전통적 제조 공정에 비해 사실상 제로에 가깝습니다.

또한 적층 제조는 소량 생산 시 전통적 제조와 비용 경쟁력이 있습니다. 시제품을 3D 프린팅하는 것이 사출 성형(금형 리드타임과 비용 고려), 밀링, 가공 등 다른 제조 방식보다 훨씬 저렴한 경우가 많습니다.

제품 폐기물 감소

컴퓨터 프로그램에서 설계를 초안하고 인쇄를 위해 보내면, 기존 시제품 제작의 추가 중간 단계가 제거되어 새 설계의 생성 및 생산 시간이 획기적으로 단축되고 폐기물이 줄어듭니다. 이 디지털-투-디지털 공정은 재료 폐기물을 초래할 수 있는 전통적 시제품 제작의 중간 단계를 없애줍니다. 사용 재료에 따라 이 감소는 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다(예: 티타늄이 필요한 경우).

또한 3D 프린팅은 처리 시간을 단축합니다. 빠른 반복 생성이 가능해 전통적 제조에서 수주, 아니 수개월이 걸렸을 엔지니어링 및 설계 문제를 조기에 발견할 수 있습니다. 적층 제조는 일반적으로 제조하기 너무 어렵거나 비싼 복잡한 설계를 만들 수 있게 해주므로, 공정 개발이 전통적 제조 공정보다 더 빠르게 이루어집니다. 이는 더 많은 시간과 비용을 다른 방식으로 활용할 수 있게 합니다. 전반적으로 적층 제조는 폐기물 감소와 지출 축소로 더 효과적이고 효율적인 설계 프로세스를 제공합니다.

진정한 고도화된 프로토타이핑

적층 제조를 사용하면 3D 프린터로 시제품을 몇 주가 아닌 몇 시간 만에 설계하고 생산할 수 있습니다! '제조를 위한 설계(Design for Manufacturing)' 대신 '효용과 사용을 위한 제조(Manufacture for Utility and Use)'가 가능해졌습니다. 또한 부품을 복잡한 고객 사양에 맞춰 구체적으로 생산할 수 있어 프로토타이핑의 판도를 바꿉니다.

적층 제조는 신제품 모형을 빠르게 제작하고 특정 시장 니치를 충족하는 부품을 생산할 수 있게 하여, 고수익 제품 생산으로 이어질 수 있습니다. 전반적인 제조 공정은 적층 제조의 도입으로 시작부터 끝까지 더욱 간소화됩니다.

항공우주 분야 적층 제조 활용

적층 제조의 이점을 고려하면, 이러한 기술이 항공우주 산업에 적용되는 것은 당연합니다. 주요 트렌드는 다음과 같습니다:

로켓 본체 제작

렐러티비티 스페이스(Relativity Space)는 캘리포니아 로스앤젤레스에 본사를 둔 미국 항공우주 제조기업으로, 제조 기술, 발사체, 로켓 엔진 개발에 주력하며 상업용 궤도 발사 서비스를 제공합니다. 이들의 스타게이트(Stargate) 제조 시설에는 세계 최대 금속 3D 프린터가 있으며, 지향성 에너지 증착(Directed Energy Deposition)과 특허 합금을 사용해 로켓 본체를 만듭니다.

3D 프린팅 덕분에 기존 발사체 대비 부품 수를 100분의 1로 줄이는 통합 부품을 신속하게 설계할 수 있습니다. 이는 중량 절감과 신뢰성 향상으로 이어지며, 둘 다 우주 발사 경제성에 매우 중요합니다.

로켓 엔진 제작

로켓 랩(Rocket Lab)은 공개된 미국 항공우주 제조기업이자 소형 위성 발사 서비스 제공업체입니다. 이들의 러더포드(Rutherford) 로켓 엔진은 2016년 말 처음 시험되었고, 그 이후 200개 이상의 혁신적인 모델이 생산되었습니다.

이 엔진의 연소실, 인젝터, 펌프, 주추진제 밸브는 모두 전자빔 용융(Electron-Beam Melting) 방식으로 3D 프린팅됩니다. 그 결과 엔진은 단순하고 신뢰성이 높으며 가볍습니다. 무게는 단 35kg(77lb)에 불과해 저비용 우주 발사에 이상적입니다. 지구 대기권을 넘어선 새로운 퀴리(Curie)와 하이퍼퀴리(HyperCurie) 스러스터도 같은 원리로 제작됩니다.

우주복 발전

적층 제조는 물리적 로켓뿐만 아니라 첨단 우주복 제작에도 활용됩니다. 스페이스X(SpaceX)가 인간을 우주로 보냈을 때, 승무원 우주복의 일부가 적층 제조로 제작되었습니다.

기업이 기반 기술의 많은 세부 사항을 비공개로 유지하고 있지만, 대변인은 "헬멧은 3D 프린팅 기술로 맞춤 제작되며 통합 밸브, 바이저 수납 및 잠금 메커니즘, 헬멧 구조 내 마이크가 포함됩니다."라고 밝혔습니다.

군사 및 방위 분야 3D 프린팅 활용

방위 산업에서도 적층 제조로 발전이 이루어지고 있습니다:

조인트리스 헐(Jointless Hull) 프로젝트

4월, 미국 육군은 '조인트리스 헐 프로젝트' 계약을 체결했습니다. 이 프로젝트의 야심 찬 목표는 군사용 트럭 외장을 하나의 거대한 조각으로 만들 수 있을 만큼 큰 3D 금속 프린터를 개발하는 것입니다. 임무는 30피트 x 20피트 x 12피트 크기의 단일 조인트리스 전투 차량 선체를 니어 넷 사이즈(Near-net size)로 생산할 수 있는 대규모 도구를 개발하는 것입니다.

기뢰 제거 임무

미 해병대는 로켓 모터용 헤드캡을 3D 프린팅하여 M58 기뢰 제거 라인 차지(MICLIC) 폭파에 활용함으로써 기뢰 제거 임무를 지원했습니다.

MICLIC은 로켓으로 발사되는 폭발 라인 차지로, 전장의 지뢰밭과 기타 장애물을 관통하는 통로를 만듭니다. 헤드캡 생산에 적층 제조를 활용함으로써 해병대는 전통적 제조 기술의 비용과 시간이 많이 드는 단점을 극복하고, 부품을 더 효율적으로 생산하는 방법을 제공할 수 있었습니다. 헤드캡은 스테인리스강으로 3D 프린팅된 후 애리조나 주 유마 시험장(Yuma Proving Ground)에서 시험되었습니다. 시험 중 3D 프린팅된 헤드캡이 로켓 모터에 장착되어 기뢰 제거 라인 차지를 성공적으로 폭파했습니다.

적층 제조의 이점에 대해 더 알고 싶다면?

적층 제조는 모든 규모의 제조기업에 게임 체인저입니다. 더 빠르고 저렴하게, 더 적은 생산 폐기물과 더 나은 정밀도로 제품을 만들 수 있게 해줍니다. 큰 그림에서 볼 때, AM은 의료 혁신부터 더 안전한 교통과 도로까지 평범한 미국인들의 삶도 변화시키고 있습니다.

오늘 적층 제조로 비즈니스 성장을 시작하세요. 어디서부터 시작해야 할지 모르겠다면, 오늘 우리 전문가들에게 연락하세요! CMTC는 중소 제조기업이 지속 가능하고 영향력 있는 성장을 위해 비즈니스에 영향을 줄 수 있는 솔루션으로 나아갈 수 있도록 안내합니다.