반도체 산업의 고도화는 곧, 정밀성과 생산성의 전쟁입니다. 

고해상도 리소그래피와 더 작아지는 마이크로칩 패키지를 뒷받침하기 위해, 장비 제조사들은 더욱 정밀하고 복잡한 금속 부품을 필요로 하고 있습니다. 

이에 정밀 가공 전문기업 Wilting은 적층 제조(AM) 분야의 글로벌 선두주자 3D Systems와 협력해 고성능 금속 부품을 빠르게 생산하고 있습니다.

Wilting은 복잡한 반도체 부품의 설계 및 생산 과정에서 3D Systems의 금속 3D 프린팅 기술과 엔지니어링 컨설팅을 적극 활용해, 

기존 제조 방식 대비 성능과 신뢰성을 크게 향상시킨 부품을 개발했습니다. 

특히 매니폴드와 같은 유체 흐름 부품은 적층 제조를 통해 유체 교란력을 90% 줄이고, 무게는 최대 50%까지 경량화하는 성과를 달성했습니다.

핵심 협력 요소

1. 응용 설계 컨설팅

3D Systems의 애플리케이션 엔지니어와 협업하여, Wilting은 복잡한 부품을 더 빠르게 반복 설계하고 생산성을 확보할 수 있었습니다. 

이는 특히 반도체 장비의 제한된 공간 내에서 부피와 성능을 동시에 고려한 설계에 적합합니다.

2. 제작 및 품질 지원

3D Systems의 고객 혁신 센터를 통한 생산은 청정도 기준을 충족하며, 리소그래피 및 웨이퍼 처리에 적합한 금속 부품 제작을 가능하게 합니다. 

이는 클린룸 기반 반도체 제조 환경에 필수적인 요건입니다.

3. 금속 적층 제조 기술

Wilting은 자체적으로 DMP Flex 350 프린터를 도입하여 고품질 티타늄, 스테인리스강, 니켈합금 부품을 생산하고 있습니다. 

산소 함량 <25ppm의 불활성 분위기에서 정밀도를 높인 DMP 기술은 반도체 장비의 핵심 요구를 충족합니다.

4. 기술 이전 및 역량 내재화

3D Systems는 장비 운용, 설계, 지지구조 최적화, 후처리 등 전반적인 노하우를 Wilting에 전수했습니다.

이로써 Wilting은 생산성과 신뢰성을 동시에 확보하면서도, 신규 사업 개발을 위한 확장 기반을 갖추게 되었습니다.

 

 

금속3D프린터: DMP350 도입 효과

• 성능 향상: 유체 흐름 개선으로 진동 최소화 및 1~2nm의 정확도 향상
• 생산성 증대: 경량화 부품으로 더 많은 웨이퍼 처리, 시스템 속도 증가
• 비용 절감: 조립 공정을 줄여 제조 비용 및 오류 가능성 감소
• 출시 시간 단축: 검증된 설계와 기술 이전으로 개발 리드타임 단축

 

Wilting과 3D Systems의 협업 사례는 금속 적층 제조 기술이 단순한 시제품 제작을 넘어, 실제 생산성과 수율을 높일 수 있는 실용적 솔루션임을 입증합니다. 

복잡한 금속 부품의 정밀한 생산이 요구되는 반도체 산업에서, 적층 제조는 이제 선택이 아닌 필수 기술로 자리잡고 있습니다.

 

본 사례는 금속 3D프린팅 기술이 고도화된 산업 분야에 어떻게 실제 성능 개선을 가져올 수 있는지를 보여주는 훌륭한 참고 자료입니다. 

반도체, 항공, 방산 등 고정밀 부품이 필요한 산업에 AM 도입을 고민하고 있다면, Wilting과 3D Systems의 성공 사례를 주목해보시기 바랍니다.

 

 

 그 외에 금속 3D프린터 반도체 응용 분야

 

▲ DMP 유체 매니폴드는 액체로 인한 교란력을 90%까지 줄여 시스템 진동을 줄이고 정확도를 1~2nm까지 향상 시킵니다. 

 

 

 

▲ DMP가 구현한 적응형 냉각 채널과 표면 패턴은 이 DMP실리콘 웨이퍼 히트싱크 6x의 열관리를 개선하여 안정성을 5배 향상시켰습니다. 

 

 

▲ DMP 를 적용하여 무게를 50% 감소시키고, 관성을 줄였습니다. 강성을 높이면 공진주파수가 23%높아지고 진동이 감소하여 속도화 생산성이 향상됩니다. 

 

 

적층 제조가 점점 더 생산 공정이 됨에 따라 이에 대한 전문 지식을 갖춘 올바른 공급업체를 찾는 것이 중요합니다.

적층 제조(AM)는 정밀도와 정확한 공차가 중요하지 않은 프로토타이핑 및 설계 작업에 여전히 자주 사용됩니다. 이러한 유형의 활동은 기술에 대한 입문 지식을 가진 많은 사람들이 수행할 수 있습니다. 이 프로세스는 정형외과용 임플란트와 같은 보다 정교한 장치에 사용되기 때문에 전문 지식은 성공을 보장하기 위해 훨씬 더 중요한 필수 요소입니다.

더 많은 정형외과 기기 제조업체가 더 많은 제품에 대해 AM에 관심을 보임에 따라 문제는 더욱 증가합니다. 확장성과 같은 측면뿐만 아니라 이러한 기계로 다양한 기술을 저렴하게 생산해야 할 필요성도 작용합니다. 그 결과, 기업들은 정형외과용 임플란트, 기구 및 기타 장치에 대한 AM에 대한 전문 지식을 유지하는 경험 많은 공급업체를 찾고 있습니다.

다행히 Cretex Medical | rms의 적층 운영 이사인 Troy Olson은 다음 Q&A에서 이 주제를 둘러싼 다양한 문의에 대한 통찰력을 제공했습니다. 그는 의료기기 회사가 적층 제조 제품에 대해 공급업체와 협력할 때 염두에 두어야 할 사항, 경험 많은 파트너와의 협력의 이점 및 종종 간과되는 몇 가지 요소에 대해 설명합니다.

Sean Fenske: 적층 제조라고 하면 대부분의 사람들은 플라스틱을 사용한 3D 프린팅을 떠올립니다. 정형외과 기기 부문에는 어떤 AM 기술과 기술이 사용됩니까?

Troy Olson: 의료 기술 분야에서 정형외과를 위한 적층 제조(AM)는 일반적으로 이식 가능한 금속의 프린팅을 의미합니다. 우리는 파우더 베드 융합 기술을 사용하여 티타늄 TI6AI4V 등급 23으로 장치 구성 요소를 만듭니다. 우리는 수년 동안 이식 가능한 장치에 사용해 왔기 때문에 이 재료와 기술에 대한 상당한 전문 지식을 얻었습니다.

Fenske: AM은 설계 도구에서 완성된 임플란트 제조 옵션으로 빠르게 발전했습니다. 오늘날 어떤 다른 유형의 정형외과 기술에 사용되고 있습니까?

AM은 인트라바디 스페이서를 생산했습니다.

올 슨: 원래 AM은 주로 융합 케이지와 체내 스페이서를 위한 척추 공간에서 사용되었습니다. AM으로만 생성할 수 있는 다공성 및 격자 구조는 골유착 또는 뼈 성장을 촉진해야 하는 제품에 이상적입니다.

AM 제품의 긍정적인 결과와 함께 AM 산업의 전문성이 성장함에 따라 보다 정교한 정형외과 기기에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 우리는 이제 어깨 재건, 발 및 발목, 맞춤형 임플란트를 포함한 해부학의 여러 부분으로 확장하고 있습니다. AM은 또한 특수 계측 및 드릴 가이드를 만들 때 매우 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

Fenske: 말씀하신 AM을 다른 지역과 시장으로 확장하려면 당연히 더 많은 대량 생산이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 수용하기 위해 AM을 성공적으로 확장하려면 어떻게 해야 합니까?

Olson: 모든 것은 고객의 요구 사항을 철저히 이해한 다음 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 무엇이 필요한지 결정하는 것에서 시작됩니다. 우리가 처음 AM 분야에 진출했을 때, 그것은 우리가 이미 뛰어났던 절삭 가공, 세척, 레이저 마킹 및 후처리 작업과 같은 기존 제조 능력을 보완했기 때문입니다. 처음부터 고객의 양과 정교함 요구를 충족하는 AM 제품을 생산하려면 단순히 AM 프린터를 추가하는 것 이상이 필요하다는 것이 분명했습니다.

필요한 생산 규모에 도달하기 위해 우리는 적층 제조의 확장 및 개발에만 전념하는 엔지니어들로 구성된 전담 인력을 갖춘 자체 AM 사업부를 개발했습니다. 그들은 전체 AM 프로세스 흐름을 검토하여 고객 요구에 부합하는 모범 사례를 결정하고 구현할 수 있었습니다.

Fenske: AM을 제공하는 공급망 파트너와 협력할 때 기업은 어떻게 증가하는 생산 요구 사항에 가장 잘 대비할 수 있는 계획을 세워야 합니까? AM 공급업체에 특정 요구 사항을 전달해야 합니까?

Olson: 모든 외부 공급업체와 전략적 파트너십을 구축하는 것이 성공의 열쇠입니다. Cretex Medical과 같이 생산 공정의 많은 단계를 수직적으로 통합할 수 있는 회사에서도 각 공급업체에 대해 매우 신중해야 합니다. 생산 공정을 감안할 때 재료 공급업체 및 열처리 공급업체와 관계를 구축해야 합니다. 한 공급업체에서 문제가 발생할 경우 모든 외부 공급업체와 이중 공급을 통해 생산 중단을 최소화할 수 있습니다. 이러한 중복 요소를 공급망에 구축하는 것이 중요합니다.

Fenske: 대량으로 작업하기 위해 확장할 때 AM의 어떤 측면이 종종 간과되거나 적절하게 고려되지 않습니까? 염두에 두어야 할 요소는 무엇입니까?

Olson: 적층 제조에서 종종 간과되는 가장 큰 요소는 생산 일정입니다. 시간과 자원을 적절하게 할당하는 것은 복잡한 작업입니다.

각 AM 기계에는 각 빌드마다 감소하는 티타늄 분말의 정해진 부피가 있다고 가정합니다. 각 기계에서 부품 높이가 얼마가 되는지, 얼마나 많은 티타늄 분말이 필요한지 이해해야 합니다. 몇 주에 걸쳐 빌드를 구성할 때 각 시간 간격에서 파우더 수준과 파우더 수명이 얼마가 될지 염두에 두어야 합니다. 분말을 사용함에 따라 고려해야 할 약간의 분말 분해가 있습니다. 이를 통해 분말을 체질하거나 교체할 수 있도록 각 기계를 오프라인으로 전환해야 하는 시기를 계산할 수 있습니다. 이를 알면 빌드 주기 동안 사용 중인 프린터와 오프라인 프린터를 시차를 두고 더 잘 계획할 수 있습니다.

생성하는 용량 계획 및 일정은 하루 24시간, 주 7일 실행되는 수십 개의 생산 프린터에서 이 모든 것을 고려해야 합니다. 또한 이 계획은 2,500시간의 레이저 사용 후 필요한 예방적 유지 보수를 고려해야 하며, 신중하고 관리 가능한 방식으로 프린터의 안정성을 모니터링하고 유지 관리할 수 있는 적절하고 잘 훈련된 인력을 확보해야 합니다. 이러한 모든 움직이는 부분을 조정하는 데 수반되는 복잡성은 대부분의 ERP 시스템의 기능보다 큽니다. 이는 우리가 수년간의 운영 경험을 통해 관리하는 방법을 배운 생산의 한 측면입니다. 우리의 전문 지식은 이러한 작업을 수행하면서 시간이 지남에 따라 형성되었습니다.

Fenske: AM 프로젝트를 엉망으로 만들 수 있는 문제는 무엇이며, 이를 어떻게 처리하시나요?

Olson: 이러한 기계를 작동하는 데 필요한 인재를 찾고 교육하는 것은 어려울 수 있습니다. 이것은 일반적으로 숙련된 기계공을 찾는 것보다 더 어렵습니다. 그냥 들어와서 이러한 기계를 교체하는 작업을 할 수 있는 인쇄 기술자는 많지 않습니다. 우리는 신입 사원이 완전히 적응하기 전에 약 6개월의 실무 교육이 필요하다는 것을 발견했습니다. 배워야 할 것은 기술과 이해뿐만 아니라 호흡기를 포함한 개인 보호 장비를 착용해야 하는 환경에서 티타늄과 같은 반응성 물질을 다루는 뉘앙스도 배워야 합니다. 이러한 유형의 경험이나 과정에 대한 후보자를 교육하는 기술 학교는 없습니다.

이러한 규모의 AM 생산을 처리할 수 있는 시설을 구축하는 것도 비용이 많이 들고 복잡한 작업입니다. 쿤 래피즈(Coon Rapids) 시설에서는 AM 시설을 위한 고유한 화재 진압 시스템을 개발하기 위해 지역 소방관과 긴밀히 협력해야 했습니다. 표준 스프링클러 시스템은 H3 반응성 재료 제조 영역과 호환되지 않았을 것입니다.

운영에 대한 위험 평가를 수행했을 때 외부 정전의 가능성이 잠재적으로 매우 비싸다는 것을 확인했습니다. 표준 3일 빌드 중 정전이 발생하면 90일 동안 생산이 지연될 수 있습니다. 이것이 바로 우리가 적층 제조 장치를 무기한 중단 없이 운영할 수 있도록 백업 발전기와 배터리 시스템에 150만 달러를 투자한 이유입니다.

고객은 우리가 노하우를 가지고 있으며 약속을 지키고 적시에 사양에 따라 제품을 제공할 수 있도록 계획을 완료했다고 신뢰할 수 있습니다.

Fenske: 논의한 주제를 바탕으로 공유하고 싶은 추가 의견이나 정형외과 기기 제조업체에 전하고 싶은 말이 있습니까?

Olson: 우리가 생산하는 많은 부품은 후처리 및 기계 가공이 필요합니다. 성공의 열쇠 중 하나는 수직적 통합입니다. 우리는 부품 제거, 플레이트 재조정, 기계 가공, 블라스팅, 생산 관리, 청소 및 포장을 사내에서 수행할 수 있습니다. 많은 경쟁업체가 이러한 기능을 아웃소싱해야 하기 때문에 프로세스에 시간과 비용이 추가됩니다.

또한 당사의 고유한 비즈니스 모델을 통해 CT 스캔과 같은 기술에 투자할 수 있으며, 이를 통해 비파괴 품질 검사를 수행할 수 있어 프로세스의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

적층 제조된 부품을 대규모로 생산하는 것은 누구나 하룻밤 사이에 할 수 있는 일이 아닙니다. 크레텍스 메디컬 | 우리는 AM 기능을 처음부터 구축했습니다. 처음 몇 년은 도전과 가파른 학습 곡선으로 가득 차 있었습니다. 그것은 우리의 회복력, 전문 지식을 습득할 수 있는 능력, 그리고 성공을 위한 추진력에 대한 시험이었습니다. 그러나 이러한 성장통이 없었다면 AM 제조의 과제를 극복하는 방법을 배우지 못했을 것입니다.

우리는 연간 300,000개 이상의 AM 의료 기기 및 임플란트를 생산하기 위해 70명의 직원이 24/7 근무하는 지점에 도달한 것을 자랑스럽게 생각합니다.

타의 추종을 불허하는 성능과 혁신으로 열 관리의 재정의

Microsoft의 최첨단 기술을 통해 극한의 CPU 냉각을 위한 세계에서 가장 강력한 AI 설계 및 금속 3D 프린팅 액체 질소(LN2) 방열판의 개발로 이어졌다는 사실을 발표하게 된 것을 자랑스럽게 생각합니다. 이 획기적인 혁신은 SkatterBencher와 ElmorLabs의 유명한 오버클러킹 전문가의 요청으로 개발되었습니다. 이러한 혁신을 통해 우리는 열 관리의 새로운 기준을 세웠습니다.

 

 

타의 추종을 불허하는 성능과 효율성

액체 질소를 사용하는 극한의 CPU 냉각은 원하는 극한의 클럭 속도를 가능하게 하는 데 필요한 극도로 낮은 온도를 허용하기 때문에 컴퓨터 오버클러킹의 표준이 되고 있습니다. 엔지니어링 팀은 Diabatix의 ColdStream 플랫폼의 최첨단 기능을 활용하여 액체 질소 냉각의 열 성능을 재정의하는 방열판을 만들었습니다.

ColdStream은 세계에서 가장 정교한 알고리즘과 함께 2상 끓는 물리학을 활용하여 3D 프린팅 제조 가능성을 활용하면서 열 전달을 극한까지 극대화하는 구조를 생성했습니다. 초기 테스트에서는 0.011K/W의 낮은 열 저항으로 놀라운 결과가 입증되었습니다. 이는 CPU 전력 100W당 히트싱크 베이스와 액체 질소 사이의 온도 차이가 1.1°C인 것으로, 세계에서 가장 강력한 히트싱크 중 하나로 자리매김했습니다.

이 방열판은 390W/mK의 우수한 열전도율을 위해 인증된 무산소 구리를 사용하여 3D Systems의 DMP(Direct Metal Printing) 기술을 사용하여 제작되었습니다. 이 최첨단 접근 방식은 기존 제조 방법으로는 달성할 수 없는 형상을 통해 성능에 최적화된 구성 요소를 생산할 수 있습니다.

인쇄 중 구리 분말의 순도를 유지하는 것이 가장 중요한데, 구리 매트릭스의 산소는 열전도율에 해로운 영향을 미치기 때문입니다. 3D Systems의 고유한 진공 챔버 개념은 프린팅 작업 전에 진공 프리사이클을 통해 빌드 챔버와 분말에서 공기와 수분을 능동적으로 제거할 수 있습니다. 이 사이클이 끝나면 챔버는 고순도 아르곤 가스로 채워집니다. 이 매우 효율적이고 효과적인 진공 프리사이클은 매우 낮은 산소 환경을 달성하는 데 도움이 됩니다. 또한 진공 챔버의 누출 방지 설계는 산소가 빌드 챔버로 누출되지 않도록 하고 인쇄 중 아르곤 소비를 매우 낮춥니다. 이 진공 챔버 개념은 분말 공급 원료에 의한 산소 포집 위험을 제거하는 데 도움이 되며, 그 결과 안정적인 분말 화학 작용이 가능하고 인증된 무산소 구리 분말 배치 재사용성이 크게 향상됩니다.

초기 물리적 테스트

LN2 방열판은 개발 후 성능을 검증하기 위해 ElmorLabs의 초기 물리적 테스트를 거쳤습니다. 상세한 초기 평가를 통해 예측된 방열판의 탁월한 냉각 기능을 확인할 수 있습니다. 특히, 오늘날 시장에서 가장 인기 있는 제품 중 하나인 Volcano LN2 쿨러에 비해 3배 빠른 쿨다운 동작이 테스트 중에 두드러졌습니다. AI 설계와 화산은 1.7kg의 동일한 질량을 가지고 있고 둘 다 구리를 기본 재료로 사용하기 때문에 이러한 차이는 표면에서의 향상된 열 전달과 구리 내부의 더 나은 열 전달에서 비롯될 수 있습니다.

테스트 결과 LN2 컨테이너는 최대 7.5GHz 클럭의 P 코어로 Core i9-14900KF를 쉽게 처리하여 600W의 전력을 소비할 수 있음을 보여주었습니다. Volcano LN2 쿨러와 비교했을 때 방열판 기본 온도 차이가 11°C인 반면, 총 가열 온도는 9°C에 불과한 AI 설계는 동일한 기본 온도에서 두 배 이상의 전력을 전달할 수 있는 잠재력을 가지고 있음이 입증되었습니다. 따라서 AI 디자인은 멋진 색상으로 테스트를 통과하였고 더 높은 성능에 도달하는 데도 크게 기여하였습니다.

 

열 관리의 한계를 뛰어넘다

이 선구적인 프로젝트는 오버클러킹 커뮤니티의 주요 권위자인 SkatterBencher와 ElmorLabs의 요청으로 시작되었습니다. 그들의 전문 지식과 통찰력은 개발 프로세스를 안내하는 데 중요한 역할을 했습니다. 그들의 야망은 열 관리에서 가능한 것의 한계를 넓히려는 우리의 약속과 매우 잘 맞습니다. 이 혁신적인 LN2 방열판은 획기적인 솔루션을 만들기 위해 기술을 활용하려는 우리의 헌신을 보여주는 분명한 예입니다. 우리는 이 세계적 수준의 제품과 업계에서 새로운 표준을 제시하게 되어 기쁩니다. 그러나 현재의 디자인은 협업의 시작점일 뿐입니다. 제품의 상용화를 위한 공급망을 준비하는 동시에 이미 추가 변형을 준비하고 있습니다. 목표 목록의 맨 위에는 물리적 테스트에서 2000W를 넘어서는 것이 있습니다. 계속됩니다!

 

독일 항공우주 센터(DLR), 3D Systems로 액체 로켓 엔진 인젝터 설계

유럽연합(EU)의 Horizon 2020 프로젝트인 "SMall Innovative Launcher for Europe"(SMILE 프로젝트라고도 함)은 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 전송하는 소형 위성 발사체를 설계하는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) 구조 및 설계 연구소는 14개 참여 기관 중 하나로, SMILE 프로젝트 발사대용 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당하고 있습니다. 이 연구소가 액체 추진 시스템에 초점을 맞추는 이유는 시스템 개조 및 재사용이 가능하기 때문에 소형 위성 발사대에 보다 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있기 때문입니다.

"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다."

- Markus Kuhn 및 Ilja Müller, DLR 인젝터 수석 프로젝트 관리자

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도전 과제

액체 로켓 엔진을 위한 매우 복잡한 인젝터 헤드 개발 및 생산

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 인젝터 헤드 구성 요소가 매우 복잡하다는 점을 감안하여 DLR은 벨기에 루벤에 있는 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 가능하게 하는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 Leuven CIC는 고객이 제품을 개발, 검증 및 상용화하는 데 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 가속화하는 데 전념하는 전 세계 4개 센터 중 하나입니다.

EU Horizon 20/20 SMILE 프로젝트를 위한 금속 3D 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터

금속 프린팅 인젝터 헤드는 부품 수를 30:1로 줄이고 무게를 10% 줄입니다.

솔루션

성공을 위한 파트너십

DLR은 동축 인젝터 헤드를 3D 프린팅하기로 선택함으로써 모놀리식 설계를 통한 부품 수 감소, 전체 추진 시스템의 성능 향상을 위한 냉각 채널 등의 주요 기능 통합 등 적층 제조의 여러 주요 이점을 활용하고자 했습니다.

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 항공우주 응용 분야를 위한 금속 3D 프린팅 분야에서 3D 프린팅 회사의 성공적인 실적을 감안하여 3D Systems를 파트너로 선택했다고 말합니다. Kuhn은 "DMP와 관련된 우주 관련 이니셔티브의 성공을 바탕으로 3D Systems가 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두에 두고 인젝터 헤드의 제조를 위한 설계 측면을 제공하는 데 완벽하게 적합하다고 생각했습니다"라고 말합니다.

 

SMILE Project 발사대 열화시험

3D 프린팅된 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다. 이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.

 

01 연료 인젝터 설계 최적화 및 부품 수 감소

로켓의 인젝터는 연료와 산화제가 연소실로 들어가는 부분입니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 로켓을 움직이는 데 필요한 연소를 생성하기 위해 적절하게 분무되고 혼합되도록 하는 방식으로 이러한 구성 요소를 배출합니다.

3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts에 따르면, DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해 고유하게 구현된 몇 가지 성능 향상 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능 및 냉각에 대한 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 조립 및 생산을 일관되게 단순화하려는 욕구, 쉽게 반복할 수 있는 프로세스는 모두 프로엑스 DMP 320®"라고 Huybrechts는 말합니다.

DMP를 사용한 금속 3D 프린팅 DLR은 다음을 수행할 수 있습니다.

• 연료 및 냉각수 분배를 위한 새로운 기회를 통해 부품 성능을 최적화합니다.
• 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널을 쉽게 구현할 수 있습니다.
• 중간 생산 및 조립 단계를 제거합니다.
• 전통적인 제조 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화합니다.
• 조립 실패 지점을 피하고 모놀리식 설계로 품질 측면을 향상시킵니다.
• 가공 단계를 줄여 고집적 다기능 인젝터를 생산합니다.

DLR은 금속 3D 프린팅을 사용하여 동축 인젝터의 설계 방법론을 크게 변경하고 여러 하위 구성 요소의 필요성을 피할 수 있어 생산 시간과 비용을 크게 절감할 수 있었습니다. 부품 수를 30개에서 1개로 줄임으로써 최종 중량을 10% 줄였으며 체결 부위에서 알려진 고장 지점을 제거하여 관련 품질 관리 조치를 완화하고 시스템 성능을 개선했습니다.

유량이 있는 DMP 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터의 3D 모델 단면

인젝터 헤드 유량: 파란색 = LOX; 주황색 = 등유; 빨간색 = 필름 층; 녹색 = 증산 냉각.

 

02 정밀 금속 인쇄로 부품 통합

3D Systems의 응용 분야 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 프린팅할 인젝터 헤드 파일을 준비했습니다. 3DXpert는 전체 금속 적층 제조 공정을 포괄하는 올인원 소프트웨어입니다. 3D Systems는 후처리에서 파우더를 쉽게 제거할 수 있도록 사전 프린팅 작업을 수행했으며, 부품이 복잡하지 않게 제작될 수 있도록 프린팅 가능성을 확인했습니다.

최종 부품은 3D Systems의 Leuven CIC에서 3D Systems ProX DMP 320 금속 프린터로 프린트되었습니다. 레이저폼 Ni718 (A)®, 산화 및 부식 방지 인코넬 합금. LaserForm Ni718 (A)은 최대 700°C의 극저온에서 인장, 피로, 크리프 및 파열 강도가 우수하여 고온 응용 분야에 이상적입니다.

프린팅이 완료되면 3D Systems 팀은 부품 내부에서 사용하지 않는 재료를 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전 가공(EDM)을 사용하여 빌드 플레이트에서 부품을 제거했습니다.

액체 로켓 엔진 인젝터의 구성 요소

3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems) 및 세라믹 연소실을 사용한 LOX/등유 로켓 엔진 설정.

 

03 공구가 필요 없는 생산으로 설계 주기 단축

3D Systems의 적층 제조 전문 지식과 DMP를 통해 DLR은 시간이 많이 걸리는 툴링 없이 설계 변경 사항을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했는데, 인젝터 헤드 프로토타입의 1단계 설계 및 테스트에 단 몇 주의 리드 타임이 소요되었기 때문입니다.

"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn과 Müller는 말합니다.

금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 엘리먼트와 함께 동축 분사 기술을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제-연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 두 가지 다른 냉각 솔루션이 구현되었으며, 각 솔루션은 최소 피처 크기가 0.2mm이고 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 이 설계는 또한 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 인젝터에서 직접 필름 질량 유량을 조정할 수 있도록 합니다.

금속 3D 프린팅 인젝터 헤드 디자인 내부 보기

인젝터 헤드 내부의 모습은 금속 3D 프린팅으로 구현된 복잡성을 보여줍니다.

 

04 더 낮은 비용으로 더 높은 성능

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기술을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있도록 함으로써 추가적인 성능 향상을 실현했습니다. 인젝터 내부에 적용하면 연소실의 뜨거운 내부에 냉각수 피막이 형성되어 높은 열유속으로부터 벽 구조를 보호합니다. 이러한 유형의 시스템은 기존의 회생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.

DLR 및 3D Systems에서 개발한 설계 및 제조 접근 방식은 세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 재료와 함께 인젝터 헤드용으로 개발된 구조 및 시스템을 여러 번 재사용하고 기술을 다른 응용 분야로 이전할 수 있도록 할 수 있습니다.

새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분포 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 콜드 플로우 테스트에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 간에 양호한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드에 대한 고온 연소 테스트는 DLR이 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 함께 우수한 혼합 및 연소 효율성을 보여주었습니다.

앞으로 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계 및 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유도, 시장 출시 시간 단축을 위한 생산 단계 감소, 재료 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 인젝터의 수명 연장을 위한 향상된 구조적 무결성을 지속적으로 제공할 것으로 예상됩니다.

Müller는 "3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합 기능이 우수하고 기존 방법을 통해 제조된 최첨단 동급 부품과 비교할 때 생산 시간과 비용이 더 낮다고 자신 있게 말할 수 있다고 생각합니다.

결과

최종 부품 성능 향상 및 생산 효율성 향상

최적화된 부품 기능

더 나은 성능 도입

30:1 부품 수 감소

설계와 적층 제조를 통합할 수 있는 능력을 통해

중량 10% 감소

기존 설계 대비

설계 주기 단축 및 생산 비용 절감

툴링 제거

항공우주 분야의 금속 첨가제

금속 3D 프린팅은 중량 감소, 연료 절약, 운영 효율성 향상, 부품 통합, 시장 출시 시간 단축, 부품 보관 요구 사항 감소 등 업계의 주요 우선 순위와 이점을 일치시킴으로써 항공 및 항공 우주 분야의 핵심 기술로 추진력을 얻었습니다.

항공우주 시장에서 3D Systems의 DMP 기술의 효능을 입증한 최근 프로젝트는 다음과 같습니다.

• 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터는 상업용 통신 위성에서 사용할 수 있도록 테스트 및 검증되었습니다. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계에 비해 무게를 50% 줄였습니다.
• 기존 방식으로 제조된 티타늄 브래킷보다 25% 더 가볍고 강성 대 중량 비율이 더 우수한 티타늄 브래킷은 Thales Alenia Space와 3D Systems의 협업을 통해 도입되었습니다.
• 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 제작한 엔진 부품으로, 무게를 줄이고, 조립을 간소화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계 설계를 더 쉽게 조정할 수 있습니다.
• 토폴로지적으로 최적화된 항공기 브래킷은 무게를 70% 줄이면서 모든 기능 요구 사항을 충족하고 GE Aircraft 과제를 충족합니다.

응용 분야를 위한 DMP에 대한 자세한 내용은 당사로 문의하십시오.

이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.

유럽우주국(ESA)은 제조 서비스 팀과 함께 DMP(Direct Metal Printing)를 통해 이중 추진제 통신 위성 엔진을 대표하는 인젝터, 연소실 및 팽창 노즐을 생산했습니다.

이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 더욱 개선할 수 있는 잠재력을 평가할 수 있습니다. 또한 ESA와 전문가들은 DMP의 설계 기회를 활용하여 앞서 언급한 위성 엔진 부품에 대한 기능적으로 분리된 설계 대안을 설계했습니다. 예를 들어, 모놀리식 연소실 설계는 얇은 벽 압력 용기와 지지하는 외부 구조 비계를 통합합니다. DMP는 무게를 줄이고, 조립을 단순화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계의 설계 조정을 지원합니다. ESA와의 협력은 우주 및 항공우주 제조 우수성을 지원하는 고유한 노하우를 제공합니다.

혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화할 수 있습니다.

DMP의 현재 상태

통신위성은 모바일 인터넷과 은행 간 안전한 금융 통신, TV 직접 방송, 일기예보를 위한 지구 관측에 필수적입니다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것입니다. ESA는 내부 자금 지원 프로그램의 일환으로 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하고 향후 엔진 개발에 비추어 잠재력과 성숙도를 평가하고 있습니다.

 

▲ 혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화 할 수 있습니다.

 

혁신적인 인젝터 매니폴드

"DMP는 추진제 밸브에서 연소실까지의 흐름을 최적화하기 위해 혁신적인 매니폴드를 제공합니다"라고 Simon Hyde는 말합니다. 설계 자유도를 통해 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조에서 5개 이상에서 1개로 줄일 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 유압 분사 작업을 달성하는 데 필요한 많은 위험한 밀봉 용접을 제거합니다. 비용과 위험을 상당히 줄입니다. 3D Systems는 AM 생산 공정을 완벽하게 제어함으로써 티타늄을 포함한 금속 및 합금의 수가 증가함에 따라 최대 99.98%의 상대 밀도를 가진 균일한 미세 구조를 달성합니다.

 

▲ 130미크론 해상도의 X선 이미지로 판단할 때 DMP는 

인젝터 제조에 대한 실용적인 접근방식 입니다.

 

DMP는 열이 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체로 다시 스며드는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 수립하는 데에도 적합합니다. 툴링 접근 제약이 없기 때문에 대신 금속 스캐폴드를 사용하여 전도도를 제어하여 열 스탠드오프를 재설계할 수 있습니다. 비행 가능한 티타늄 소재(Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요구 사항과 로켓 모터 설계자의 설계 요구 사항에 근접하고 있습니다.

분리된 챔버 기능

소형 우주 위성 엔진의 연소실은 일반적으로 지지되지 않는 노즐 출구가 있는 수렴 발산 노즐로 구성됩니다. 추진제 반응은 배기 가스가 목구멍 수축을 통해 발산 부분으로 흐르기 전에 수렴 섹션에서 완료되어 초음속으로 팽창합니다. 기존 챔버는 발사와 관련된 비작동 하중을 견디도록 설계되었으며, 더 두꺼운 벽은 이러한 과도 하중에 반응합니다. 일단 스테이션에 있고 작동하면 챔버는 그렇게 두꺼운 벽이 필요하지 않습니다.

 

 

 

 

Simon Hyde는 DMP를 통해 챔버 기능을 작동 부하 케이스와 비작동 부하 케이스로 분리할 수 있었다고 말합니다. 직관적으로, 이것은 얇은 연소기 벽과 팽창 노즐 부착을 위한 용접 플랜지를 지지하는 스트럿 워크 리브로 해석됩니다.  조잡한 스트럿 작업 대신 서포트 구조물을 저밀도 메쉬로 제작한 결과 체적 밀도가 12%로 낮기 때문에 DMP는 잠재적으로 연소실 무게를 크게 줄이거나 구조적 안전 마진을 개선할 수 있습니다.

Ti6Al4V 소재로 제작된 진정한 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위한 내화 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 및/또는 레늄 기반)입니다. 이 혁신적인 연소실 설계에 대한 추가 조사에는 응력 필드에서 메쉬의 등방성과 상세한 열 영향에 대한 연구가 포함됩니다. 이 메쉬는 유효 표면 방사율을 증가시키므로 챔버 주변의 열유속에 확실히 영향을 미칩니다.

대규모 DMP

ESA 엔지니어들은 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 조사했습니다. DMP 생산량에 대해 말하자면,  275 x 275 x 450mm 상자에 맞는 모든 부품 형상을 생산할 수 있습니다. 노즐의 응력은 비교적 낮으며 오버행 질량을 최소화하는 것은 캔틸레버 엔진 설계의 마진을 높이는 데 중요합니다. 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 생산했으며, 이 노즐은 팽창 노즐의 기계적 및 열적 요구 사항을 대부분 충족합니다.

Hyde에 따르면, DMP는 모든 설계 유연성을 없애는 시트 재료의 기존 스핀 성형에 비해 뚜렷한 제조 이점을 제공합니다. 이를 통해 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 공정 후반까지 많은 설계 옵션을 열어 둘 수 있습니다.