3D 프린팅이 항공우주 및 방위 산업을 혁신하는 방법

아직 비행에 필수적인 하드웨어는 아니지만, 상업용 및 군용 항공기와 우주선을 위한 3D 프린팅 부품은 무게와 소재 비용을 줄이는 것을 더 쉽게 만들고 있습니다. 즉, 매우 구체적인 사용 사례에서 ROI가 있으며, 절감분이 잘 활용되어 기능적 이득이 있습니다.

적층 제조는 밝은 미래를 가지고 있습니다. 하지만 항공우주 및 방위 산업에 얼마나 밝을까요? 3D 프린팅 부품이 오늘날 어떻게 영향을 미치고 있는지, 그리고 몇 가지 한계점을 살펴봅니다.

3D 시스템즈(3D Systems)와 3D디렉션스(3DDirections)의 엔지니어링 전문가들과 이야기를 나누며 적층 제조와 항공우주 및 방위 분야의 3D 프린팅이 어디로 향하고 있는지 알아보았습니다. 하지만 먼저 이 생동감 있는 수직 산업에서의 업계 진화를 살펴보겠습니다.

항공우주 및 방위 분야 3D 프린팅 및 적층 부품의 역사

항공우주 및 방위 산업, 특히 미군은 3D 프린팅 부품을 일찍 도입했지만, 주로 플라스틱의 내화 및 독성 등급이 비행용 금속(우주와 구름 위 모두) 수준에 미치지 못했기 때문에 테스트와 시뮬레이션용이었습니다.

이 테스트 부품들은 주로 드론과 위성에 사용되었다고 3D 시스템즈의 애플리케이션 엔지니어 브라이언 뉴브라이트(Bryan Newbrite)는 설명합니다. 2008년부터 2013년까지 블루스톤(Bluestone) 같은 적층 제작 플라스틱이 풍동 테스트와 덕팅 부품 등에 사용되었고, 세라믹 수지도 시뮬레이션에 사용되었습니다.

이 사용 사례들은 바람의 흐름을 모방하는 데 좋았습니다. 이 부품들은 절대 사람과 함께 사용되지 않았습니다. 이 시대 이전인 1990년대 중반에는 일부 3D 부품이 퀵 캐스팅(quick casting)에 사용되었습니다.

2007~2013년경부터 변화가 시작되었습니다.

"항공우주 분야에서 가장 큰 변화는 실제로 난연성 선택적 레이저 소결(flame-retardant selective laser sintering)의 개발이었습니다"라고 뉴브라이트는 말합니다. "상업 항공에서 실제로 사용되기 시작한 몇 안 되는 것 중 하나입니다... 기본적으로 나일론 12 또는 나일론 11에 난연제를 첨가하여 내화 테스트를 통과하도록 만들었습니다."

이는 소재가 발화하지 않고 열을 견디며, 독성 가스를 방출하지 않고 빠르게 스스로 진화할 수 있게 되었기 때문에 중요했습니다.

처음에는 위성에 사용되었습니다. 주된 이유는? 투자 수익률(ROI).

"정지궤도에 위성을 올리는 데 킬로그램당 4만~5만 달러가 듭니다"라고 뉴브라이트는 말합니다. "위성의 구조 브래킷이나 내부 부품을 설계하여 몇 킬로그램을 줄일 수 있다면, 적층으로 제작하는 데 드는 추가 비용은 충분히 회수됩니다."

항공우주 3D 프린팅 역사에서 중요한 순간: GE의 LEAP 엔진 연료 노즐

상업 항공용으로 제작된 가장 주목할 만한 적층 부품 중 하나는 GE가 LEAP 엔진용으로 만든 3D 프린팅 연료 노즐이었습니다. 이는 연구 개발의 노력이 결실을 맺고 혁신으로 많은 관심을 끌게 된 빛나는 예입니다.

"GE가 이 프로젝트에서 성공한 방식은 무식하게 밀어붙여서 실현시킨 것이었습니다. 즉, 수천 개의 노즐을 제작하여 프린팅 가능한 실행 가능한 부품으로 인증받게 만든 것"이라고 3D디렉션스의 사장이자 설립자인 크리스 바렛(Chris Barrett)은 설명합니다. 그는 유니버설 테크놀로지 코퍼레이션(Universal Technology Corporation)의 연구 과학자이자 오하이오 영스타운 주립대학교(Youngstown State University) 박사 과정 후보입니다.

"이전 제작 방식은 기본적으로 다양한 유형의 호일 층을 수톤 쌓아 압착하는 것이었습니다"라고 바렛은 말합니다. "그게 필요한 복잡성을 얻는 유일한 방법이었습니다. 3D 버전으로는 동일한 레이어드 접근 방식을 사용했지만, 수동으로 하는 것을 상상해 보세요."

GE에 따르면 3D 프린팅 노즐은 "이전 모델보다 5배 더 내구성이 강하고" 적층 접근 방식은 "엔지니어들이 더 단순한 설계를 사용하여 브레이징과 용접 수를 25개에서 단 5개로 줄일 수 있게 했습니다."

3D 프린팅 및 적층 제조의 공통 주제: 부품, 단계, 무게의 감소

바렛과 뉴브라이트 모두 오늘날 항공우주 및 방위용 3D 프린팅 부품의 대부분이 비행에 필수적이지 않다고 지적합니다. GE의 연료 노즐 진출에도 불구하고 대량 생산은 문제입니다.

"시간이 지나면 적층 기술과 접근 방식이 따라잡을 것이라 확신합니다"라고 뉴브라이트는 말합니다. "하지만 비용 면에서는 현재 생산에서 많이 보이지 않습니다. 대형 상업용 항공기는 매우 효율적이 되었습니다. 현재 대부분의 사용 사례는 무게가 정말 중요한 군용, 드론, 무인 항공기, 위성에 집중되어 있습니다."

첨단 정밀 CNC 기계를 이용한 전통적인 제조 방식이 여전히 가장 비용 효율적이기 때문에 업계를 지배할 것입니다.

"보통 전통 방식의 10~100배 비용이 듭니다"라고 바렛은 말합니다. "그래서 결국 부품으로서 10~100배의 개선을 보여줘야 합니다."

그럼에도 오늘날 사용 중인 일부 애플리케이션과 평가 중인 많은 애플리케이션이 있습니다. 보잉, 에어버스, 허니웰, GE, 록히드 마틴 등 대형 상업 및 방위 OEM들이 적층 제조 연구에 막대한 투자를 하고 있습니다.

바렛은 GE의 또 다른 R&D 프로젝트를 지적합니다. 비행기 엔진의 대부분 부품을 프린팅하려 시도한 것인데, 티타늄 초합금을 사용하여 성공했습니다.

"GE는 855개 부품으로 만들어진 엔진을 약 12개로 줄였습니다"라고 바렛은 말합니다. "엔진 무게를 100파운드 줄이고 연료 효율을 20% 높였습니다."

무게 감소로 이전 모델 대비 10% 출력 향상도 가능해졌습니다. 이 엔진은 텍스트론 에비에이션(Textron Aviation)의 세스나 데날리(Cessna Denali) 비행기에 생산 적용될 예정입니다.

항공우주 및 방위 분야 3D 프린팅: MRO 및 예비 부품

3D 프린팅의 더 흥미로운 사용 사례 중 하나는 C-130과 B-52 같은 구형 항공기의 예비 부품 제작입니다. 이 항공기들은 오래되었지만 여전히 화물과 병력 수송에 사용되며, 부품 교체가 점점 더 어려워지고 있다고 바렛은 설명합니다.

문제는? 부품 부족으로 항공기가 장기간(때로는 수년) 접지될 수 있다는 것입니다. 일부 항공기는 50년 전 것으로, 회사들이 더 이상 부품을 만들지 않거나 폐업했습니다. 부품을 만들 의향이 있는 회사들도 완료하는 데 수년이 걸릴 수 있습니다.

"이 연구를 시작했을 때, 이 부품들 중 일부가 수십 년 동안 비행기 안에서 구르면서 비행기가 늘어나고 뒤틀림에 따라 함께 늘어나고 뒤틀렸다는 것을 발견했습니다"라고 바렛은 말합니다. "그래서 각 부품이 조금씩 다릅니다. 지금 90도 회전은 더 이상 90도가 아니고 85도일 수 있습니다. 음, 이런 모든 차이를 설명하는 하나의 주조 금형을 만들 수는 없습니다. 그래서 3D 프린팅에 완벽한 사례가 됩니다."

3D 시스템즈 같은 회사들은 3D 스캐너를 비행기에 가져가 디지털 파일을 만들고, 각 부품을 현재 상태의 형상과 기하학에 맞게 맞춤 제작하여 프린팅할 수 있습니다.

이 레거시 예비 부품 프로젝트는 공군 연구소가 자금을 지원하는 '저비용 유지보수를 위한 첨단 제조 성숙도 향상(MAMLS)'이라는 이니셔티브를 통해 여러 공공 및 민간 조직이 참여하고 있습니다.

C-130 비행기에서 진전을 이룬 제조사 중 하나는 2018 국제 제조 기술 전시회에서 Better MRO에 소개된 메트로 에어로스페이스(Metro Aerospace)입니다. 메트로 에어로스페이스는 군에 마이크로베인 부품을 납품해 왔습니다. 마이크로베인은 유리와 나일론 비드를 포함한 가볍고 비부식성이며 내구성 있는 폴리머 복합재로 만들어집니다.

"항공우주 분야에서 3D 프린팅 부품을 시장에 내놓는 방법" 기사를 읽어보세요.

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