유럽우주국(ESA -European Space Agency-)은 3D Systems와 협력하여 주문형 부품제 제조 서비스 팀과 함께 DMP(Direct Metal Printing)를 사용해 이중 추진 통신 위성 엔진에 중요한 인젝터, 연소 챔버, 팽창 노즐을 생산했습니다.

 

이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 추가로 개선할 잠재력을 평가할 수 있습니다. 또한 ESA와 3D Systems 전문가들은 DMP 설계를 활용하여 앞서 언급한 위성 엔진 부품과 기능적으로 구별되는 설계 대안을 제작했습니다. 

 

예를 들어, 지지 외부 구조 스캐폴드가 적용된 얇은 벽 압력 용기를 통합한 모놀리식 연소 챔버 설계가 있습니다. DMP는 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 지원합니다. 

 

ESA와의 협력은 3D Systems가 우주 및 항공우주 제조 우수성을 지원하여 자사의 고유한 노하우를 제공하는 전략에 부합합니다.

 

                                                                                                    

혁신적인 DMP 매니폴드를 통해 밸브에서 연소 챔버까지 추진제의 흐름을 최적화할 수 있습니다.

 

 

DMP의 현재 상태

 

 통신 위성은 모바일 인터넷과 은행 간 보안 금융 통신, 직접 TV 방송, 일기 예보를 위한 지구 관측에 필수입니다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것입니다. 

 

내부 자금 지원 프로그램의 일부로 ESA는 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하면서 향후 엔진 개발에 있어 그 잠재력과 성숙도를 평가하고 있습니다.

 

연구 프로그램의 일환으로 ESA는 3D Systems를 선택했습니다. 그 이유는 이 회사가 제공하는 기술 전문성과 고객 서비스 때문입니다. 

 

3D Systems는 세 개의 중요 엔진 부품의 현재 설계와 DMP 지원 기능 설계 변형 대안을 제작했습니다. 

 

위성 엔진의 인젝터 부품은 두 개의 추진제를 제어된 방식으로 모아서 자연 발화시키고 지속적으로 연소시킵니다. 

 

벤튜리 형상의 연소 챔버는 화학적 배기 가스를 가속하여 위성이 올바른 궤도를 돌도록 합니다.

 

팽창 노즐은 다운스트림의 가스 흐름에 영향을 줌으로써 모션 특성에 영향을 미칩니다.

 

"DMP는 혁신적인 매니폴드를 제공하여 추진제 밸브에서 연소 챔버까지 흐름을 최적화합니다."

 

 

                                                                                                                                                    

130마이크론 해상도의 x-레이 이미지로 판단할 때 DMP는 인젝터 제조에 실용적인 방법입니다.

 

 

혁신적인 인젝터 매니폴드

 

 "DMP는 혁신적인 매니폴드를 제공하여 추진제 밸브에서 연소 챔버까지 흐름을 최적화합니다"라고 Simon Hyde 씨는 말합니다. 

 

자유로운 설계 덕분에 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조의 5개 이상에서 1개로 줄였고 안정적인 유압 분사 작동을 달성하는 데 필요한 위험한 실링 용접 작업을 많이 없애 비용과 위험을 크게 감소시켰습니다. 

 

AM 생산 공정을 완전히 제어함으로써, 3D Systems는 티타늄을 비롯한 점차 증가하는 금속과 합금에서 균일한 미세 구조와 최대 99.98%의 상대 밀도를 달성하고 있습니다.

 

 

DMP는 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체에 열이 다시 흡수되는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 확립하는 데도 적합합니다. 

 

공구 세공 액세스 제약이 없으므로 금속 스캐폴드를 대신 사용해 전도율을 제어하여 열 스탠드오프를 재설계할 수 있습니다. 

 

비행 가능한 티타늄 소재((Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요건과 로켓 모터 디자이너의 설계 요구에 접근하고 있습니다.

 

 

분리된 챔버 기능

 

소형 우주 위성 엔진의 연소 챔버는 일반적으로 노즐 출구가 지지되지 않는 수렴 발산 노즐로 구성됩니다. 

 

추진제 반응은 배기 가스가 목 수축을 통과해 발산 영역으로 흘러 들어가 초음속으로 팽창하기 전에 수렴 영역에서 완료됩니다. 

 

기존 챔버는 이러한 일시적 부하에 반응하는 두꺼워진 벽으로 발사와 관련된 비작동 부하를 견디도록 설계되었습니다. 

 

일단 안정 궤도에 들어가고 작동이 가능해지면 챔버에는 이와 같은 두꺼운 벽이 필요하지 않습니다.

 

 

                                                                                                                                   

 

 

 

Simon Hyde 씨는 DMP로 챔버 기능을 작동 및 비작동 로드 케이스 간에 분리할 수 있었다고 말합니다. 

 

직관적으로 이것은 팽창 노즐의 부착을 위해 얇은 연소기 벽과 용접 플랜지를 지지하는 스트러트 작업 리브로 변환됩니다. 

 

거친 스트러트 작업 대신 3D Systems는 지지 구조를 저밀도 메시로 제작했습니다. 

 

부피 밀도가 최저 12%까지 낮기 때문에 DMP는 연소 챔버 중량을 크게 줄이거나 구조적 안전 허용 범위를 개선할 수 있습니다.

 

 

Ti6Al4V 소재로 제작된 실제 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위해 내화성 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 및/또는 레늄에 기반함)일 수 있습니다. 

 

이처럼 혁신적인 연소 챔버 설계에 관한 추가 조사에는 응력 장에서 메시의 등방성과 상세한 열 충격에 대한 연구가 포함됩니다. 

 

이 메시는 유효 표면 방사율을 높이므로 챔버 주위의 열 플럭스에 분명한 영향을 미칠 것입니다.

 

 

                                                                                                                                              

 

유망한 설계 기회를 통해 엔진 연소 챔버의 얇은 벽을 지지하는 방사 표면에 저밀도 메시가 만들어졌습니다.

대규모 DMP

 

또한 ESA 엔지니어는 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 검사했습니다. 

 

DMP 생산량과 관련해서 3D Systems는 275 x 275 x 450mm 상자에 맞는 모든 부품 기하형상을 생산할 수 있습니다. 

 

노즐의 응력이 비교적 낮아서 돌출부 질량을 최소화하는 것이 캔틸레버 엔진 설계의 여지를 늘리는 데 중요합니다. 

 

3D Systems는 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 제작했고 이는 팽창 노즐의 기계적 및 열적 요구 사항을 대부분 충족합니다.

 

Hyde에 따르면 DMP에는 설계의 유연성을 모두 제거하는 기존 회전 성형 판금에 비해 분명한 제작 이점이 있습니다. 

 

엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 후기 공정까지 여러 설계 옵션이 남아 있을 수 있습니다.

 

 

                                                                                                                                                

 

DMP는 기존 회전 성형 판금에 비해 설계 유연성을 높여주므로 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있습니다.

 

                                                                                                                                                     

출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐

 

 

 

 

영국 포츠머스의 Airbus Defence and Space 제조 팀은 3D Systems의 AM 자문 및 제조 지원과 함께 전환 어셈블리 네트워크의  적층 제조 (AM)를 위한 혁신적 설계를 개발하였습니다. 

 

무선 주파수(RF) 수신 하드웨어는 주요 위성 통신 서비스 공급업체인 Eutelsat의 궤도에 합류할 Eurostar Neo 우주선 2대용으로 선정되었습니다.

 

 

이 프로그램 발표와 함께 Airbus의 HOTBIRD 페이로드 관리자인 Gareth Penlington은 다음과 같이 말했습니다. 

 

"[DMP]를 활용해 처음으로 대규모의 RF 제품을 공급하면서 Airbus는 RF 부품을 생산하는 기술 분야에서 업계를 선도하는 기업으로 거듭나게 되었습니다."  

 

Airbus와 3D Systems는 여러 해 동안 협력해 왔으며, 3D Systems는 초기부터 이 프로젝트에 참여해 애플리케이션 개발 및 프로토타입 제작을 위한 입력 및 지원을 제공하고 인증 및 산업화로 계속해서 참여하고 있습니다. 

 

 

AM은 설계의 자유, 중량 감소, 부품 성능 최적화로 인해 이 프로젝트에 선정되었습니다. 

 

Airbus는 AM을 선택함으로써 팀이 더 부가 가치 작업에 집중하도록 하고 필요한 개별 부품 수를 크게 줄임으로써 조립 노동력을 상당히 줄였다고 언급했습니다.

 

 

고정밀 요구 사항과 더불어 전환 어셈블리 네트워크는 얇은 벽과 큰 질량 농도를 결합했습니다. 

 

3D Systems 애플리케이션 혁신 그룹 (AIG) 의 전문가들은 수십 년 동안 DMP(Direct Metal Printing) 응용 분야를 위한 적층 제조 및 후처리 디자인에 대한 전문성을 제공해 왔습니다. 

 

AM 산업의 선구자이자 사내 항공우주 분야 전문가를 둔 AIG는 Airbus 의 설계 및 엔지니어링 전반에 걸쳐 분석 을 돕고 위험을 회피합니다. 

 

3D Systems는 Airbus를 도와 최초의 대규모 배포가 가능하도록 효율적이고 신뢰할 수 있는 부품 제조 흐름을 개발했습니다.

 

 

3D Systems 애플리케이션 혁신 그룹의 항공우주 분야 개발 관리자인 Koen Huybrechts는 또 다른 숨겨진 성공 원인을 다음과 같이 설명했습니다.

 

"Airbus는 신규 RF 프로젝트마다 생각의 규모를 키웠고 우리는 정확히 그 점이 좋았습니다. 두 회사의 협력은 자연스럽게 진정한 파트너십으로 발전했습니다. 우리는 우리의 기술이 제공하는 기회와 한계를 안내함으로써 고객에게 투자합니다. Airbus처럼 호기심 많은 고객에게 이런 방식은 지속적인 공동 개발 및 혁신으로 이어집니다."

 

최종 전환 어셈블리 네트워크는 벨기에 루벤의 3D Systems 고객 혁신 센터에 있는 DMP Factory 350 장비를 통해 LaserForm® AlSi10Mg 알루미늄 소재로 인쇄되었습니다. 

 

이 시설은 항공우주 품질 시스템 표준(AS9100D)으로 인증되었으며 이번 프로젝트와 같은 대규모 산업화 프로젝트를 지원할 수 있는 인재 및 리소스를 갖추고 있습니다.

 

 

3D Systems의 AIG 전문가는 전문성을 갖춘 생산에 단계별 접근 방식을 통해 기업이 체계적이고 검증된 절차를 통해 AM 생산 워크플로를 마련하고 제어할 수 있도록 돕습니다. 

 

3D Systems의 DMP 솔루션은 하드웨어, 소프트웨어, 소재를 결합해 최고의 인쇄 품질 및 신뢰성을 제공합니다. 

 

3D Systems의 DMP 장비가 제공하는 불활성 인쇄 대기는 동급 최고 산소 함량(<25 ppm)으로 화학적 순도가 높고 소재 품질 안정성이 오래 지속됩니다.

 

 

복합 메탈 AM 부품 산업화 실현을 위한 협력

 

Airbus와 3D Systems의 협력은 계속됩니다. 이 프로젝트의 핵심 내용은 다음과 같습니다.

 

• DfAM 자문 및 공동 엔지니어링
• 산업화 최적화 RF 부품 협력
• 복합 금속 AM 부품 다량 공급

 

 

 

 

 

 

 

'유럽형 차세대 소형 발사체'(SMall Innovative Launcher for Europe, SMILE 프로젝트라고도 함)라는 유럽연합(EU) Horizon 2020 프로젝트는 소형 위성 발사체를 설계하여 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 보내는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일항공우주센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 또는 DLR) Institute of Structures and Design은 참여 기관 14곳 중 하나로 SMILE 프로젝트 발사체의 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당합니다. 이 기관이 액체 추진 시스템에 중점을 두는 이유는 시스템 개조 및 재사용 가능성 때문입니다. 따라서 소형 위성 발사체에 높은 비용의 효율적인 솔루션을 제공합니다.

 

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 고도로 복잡한 인젝터 헤드 부품을 고려하여 DLR은 벨기에 루벤에 위치한 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 지원할 수 있는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 루벤 CIC는 고객이 제품 개발과 검증, 상용화에 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 전문으로 가속화하는 세계적인 센터 네 곳 중 하나입니다.

 

<금속 프린팅 인젝터 헤드의 특징은 30:1 부품 수 감소와 10% 중량 감소>

 

성공의 파트너

 

동축 인젝터 헤드를 3D 프린트로 제작 하기로 선택할 때 DLR은 적층 제조의 여러 핵심 이점을 활용하고자 했습니다. 예를 들면 모놀리식 설계를 이용해 부품 수를 줄이고 냉각 채널과 같은 주요 기능을 통합하여 전체적인 추진 시스템의 성능을 개선하는 것입니다.

 

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 3D Systems를 파트너로 선정한 것은 이 3D 프린팅 회사가 항공우주 응용 분야의 금속 3D 프린팅 부문에서 이룬 성공적인 실적을 고려했기 때문이라고 말합니다. "DMP와 관련된 우주 관련 사업의 성공에 근거했을 때, 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배의 새로운 가능성을 생각하는 3D Systmes가 인젝터 헤드의 제조 측면을 위한 설계를 제공하는 데 딱 들어맞는다고 생각했습니다", Kuhn 씨는 설명합니다.

 

<3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.>

 

연료 인젝터 설계 최적화와 부품 수 감소

 

로켓 인젝터라는 부품을 통해 연료와 산화제가 연소 챔버로 들어갑니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 적절하게 원자화 및 혼합되어 로켓이 움직이는 데 필요한 연소를 만들어낼 수 있는 방식으로 이러한 구성 요소를 분사합니다.

 

3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts 씨에 따르면 DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해서만 가능했던 여러 성능 개선 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능과 냉각의 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 일관되고 쉽게 반복할 수 있는 공정으로 어셈블리와 생산을 간소화하려는 바람이 모두 합쳐져 ProX® DMP 350을 만나게 되었습니다"라고 Huybrechts 씨는 말합니다.

 

DMP를 사용한 금속 3D 프린팅으로 DLR에서 다음이 가능해졌습니다.

 

• 연료 및 냉각수 분배의 가능성을 통해 부품 성능 최적화
• 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널의 손쉬운 구현
• 중간 생산 및 어셈블리 단계 제거
• 기존 제작 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화
• 모놀리식 설계로 어셈블리 실패 지점을 방지하고 품질 측면 향상
• 기계 가공 단계를 줄여 고도로 통합된 다기능 인젝터 생산 

 

금속 3D 프린팅을 사용하여 DLR은 동축 인젝터의 설계 방법을 크게 변경할 수 있었고 여러 하위 구성 요소가 필요 없게 되어 생산 시간과 비용을 현저히 줄였습니다. 30개에서 1개로 줄어든 부품 수로 최종 중량이 10% 감소하고 고정 위치에서 알려진 실패 지점을 제거해 관련 품질 관리 조치를 완화하고 시스템 성능을 개선했습니다.

 

정밀 금속 프린팅으로 부품 통합

 

3D Systems의 응용 프로그램 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 인젝터 헤드 파일의 프린팅을 준비했습니다. 3DXpert는 올인원 소프트웨어로 금속 적층 제조 공정 전체를 포괄합니다. 3D Systems는 후처리에서 분말 제거가 용이하도록 사전 프린팅 작업을 수행하였고 부품이 복잡한 과정 없이 제작되도록 프린트 가능성 검사도 실행했습니다.

 

3D Systems의 루벤 CIC에서 최종 부품은 내산화 및 내부식성 소재인 인코넬 합금 LaserForm® Ni718(A)를 사용하여 3D Systems ProX DMP 350 금속 프린터로 제작 되었습니다. LaserForm Ni718(A)의 특징은 최대 700°C 극저온에서 인장, 피로, 크리프, 파열 강도가 우수하다는 것입니다. 따라서 고온 응용 분야에 이상적입니다.

 

<인젝터 헤드 유량: 파란색 = LOX, 주황색 = 등유, 빨간색 = 필름 레이어, 녹색 = 증산 냉각>

 

일단 프린트되면 3D Systems 팀은 사용되지 않는 소재를 부품 내부에서 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전가공(EDM)을 사용하여 제작판에서 부품을 제거했습니다.

도구 없는 생산으로 설계 주기 가속화

 

3D Systems의 적층 제조 전문성과 DMP를 사용하여 DLR은 많은 시간이 걸리는 공구 세공 없이 설계 변경을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했습니다. 인젝터 헤드 원형의 1단계 설계와 테스트를 위한 리드 타임이 단 몇 주 밖에 없었기 때문입니다.

 

"ProX DMP 350과 3D 프린팅 설계에 관한 3D Systems의 지식을 결합하여 저희는 훨씬 짧은 기간에 더 많은 디자인 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn 씨와 Müller 씨는 말합니다.

 

금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 요소로 동축 사출 기법을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제 연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 냉각 솔루션은 두 가지가 구현되었고 각각 최소 선폭 0.2mm, 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 또한 설계에서는 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 필름 질량 유속을 인젝터에서 직접 조정할 수 있습니다.

 

<3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems)와 세라믹 연소 챔버가 적용된 LOX/등유 로켓 엔진 배치>

 

<인젝터 헤드 내부 뷰는 금속 3D 프린팅으로 가능해진 복잡성을 보여줍니다.>

 

저비용으로 뛰어난 성능 개선

 

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 추가적인 성능 개선을 끌어내 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기법을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있게 했습니다. 인젝터 내에서 적용될 때 냉각수 필름은 높은 열 플럭스로부터 벽 구조를 보호하는 연소 챔버의 뜨거운 내측에 형성됩니다. 이러한 유형의 시스템은 기존 재생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.

 

세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 소재와 함께 DLR과 3D Systems에서 개발한 이 설계와 제조 방법으로 인젝터 헤드용으로 개발된 구조와 시스템은 여러 번 재사용되고 그 기술이 다른 응용 분야에 전달될 수도 있습니다.

 

새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 관한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분배 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 비발화 시험에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 사이에 우수한 상관관계를 보여주었습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 실시된 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 DLR에서 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 결합하여 훌륭한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.

 

더 나아가 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계와 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유, 생산 단계 감소로 출시 시간 단축, 소재 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 강화된 구조적 무결성을 계속 제공하여 인젝터의 수명을 연장할 것으로 기대됩니다.

 

"기존 방법으로 제조된 동등한 최첨단 부품과 비교했을 때 3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합된 기능이 월등히 우수하고 제작 기간과 비용이 절감된다고 확실히 말할 수 있습니다", Müller 씨의 설명입니다.

 

항공우주 분야에서 금속 적층

 

금속 3D 프린팅은 항공학 및 항공우주 분야의 핵심 기술로 인기를 얻고 있습니다. 경량화, 연료 절감, 작동 효율 개선, 부품 통합, 출시 기간 단축, 부품 보관 요건 감소 등 업계의 주요 우선순위와 3D 프린팅의 이점이 일치하기 때문입니다.

 

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

• 상업용 통신 위성에서 사용하기 위해 테스트 및 검증된 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계보다 중량 을 50%까지 줄였습니다.
• 기존 방법으로 제조된 것보다 더 나은 중량 대비 강성 비율에 25% 더 가벼운 티타늄 브래킷. Thales Alenia Space와 3D Systems의 협력을 통해 도입되었습니다.
• 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 만든 엔진 부품. 이 부품은 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 쉽게 할 수 있습니다.
• 중량을 70%까지 줄이면서 모든 기능적 요구 사항과 GE Aircraft 과제를 충족하는 토폴로지 최적화된 항공기 브래킷

 

 

 

 

 

 

 

Rodin Cars, 3D 프린팅을 사용해 최고 성능의 하이퍼카에 적합한 티타늄 기어박스 제작

 

- 3D Systems 의 DMP Factory 500은 최대 제작 크기와 프리미엄 소재 기술을 사용해 새로운 하이퍼 성능 Rodin FZERO 자동차에 숨겨진 과학을 한 단계 발전시켰습니다 

 

뉴질랜드에 위치한 자동차 제조사인 Rodin Cars는 3D Systems의 대규모 DMP Factory 500 금속 3D 프린터를 사용해 새로운 맞춤형 레이싱 자동차인 Rodin FZERO의 티타늄 구성품을 제작하고 있습니다. 성능과 품질을 중심으로 엔지니어링 결정을 내린 끝에 주로 탄소 섬유와 티타늄을 사용해 제작됩니다. Rodin Cars는 업계 최초인 8단 시퀀셜 기어박스를 포함해 크기에 상관없이 모든 부품의 설계와 성능을 한층 개선하여 복잡한 티타늄 구성품까지 생산할 수 있는 방법으로 3D Systems의 금속 적층 제조(AM)를 선택했습니다.  

 

"우리는 모든 자동차 구성품을 어디에서도 손색이 없는 최상의 제품으로 제작하는 것이 목표였습니다. 그래서 Rodin FZERO는 오직 적층 제조로만 제조가 가능합니다.”

- Adam Waterhouse, Rodin Cars의 책임 엔지니어

     

 

티타늄 소재의 프린팅으로 양산 부품 달성

1인승 Rodin FZERO ("무한계'를 의미함)는 650kg에 불과한 최종 중량을 목표로 하고 있으며, 4,000kg의 다운포스를 형성하여 오늘날 그랑프리 포뮬러 1 경주용 자동차보다 더욱 빠르게 서킷 랩타임을 기록할 수 있도록 설계되었습니다. Rodin Cars는 업계의 판도를 바꿀 수 있는 엔지니어링을 모든 구성품에 적용하여 각 부품마다 최고의 구성품을 제작할 수 있는 최적화에 전념했습니다.

 

자동차 전체에 티타늄 적층 제조 기술을 사용하려고 했지만 특히 대형 부품에서 크기가 증가하면서 문제가 발생했습니다. 예를 들어 기어박스 같은 구성품을 사양에 맞게 제작하려면 커다란 제작 용적이 필요했지만 대부분 금속 프린터의 기술로는 부족했습니다. 그렇다고 마그네슘을 사용해 기어박스를 주조하는 기존 제조 방식으로 돌아갈 수도 없었습니다. 이러한 제조 방식과 소재는 Rodin Cars의 목적에 부합하지 않기 때문입니다. Rodin Car는 궁극적인 하이퍼카를 제조할 목적으로 적층 제조 기술을 사용해 중량과 기능을 최적화하는 데 가장 높은 우선순위를 두었으며, 이러한 가치를 고려하여 시간이 지나도 최고의 성능과 형태를 유지하는 프리미엄 내부식성 소재로 티타늄을 사용했습니다.

 

Rodin Cars는 중량과 기능을 최적화하는 데 가장 높은 우선순위를

두고 시간이 지나도 최고의 성능과 형태를 유지하는 내부식성 소재를 사용했습니다.

 

 

솔루션

01 경량 기어박스 제작을 위한 혁신 기술 

기어박스 최적화의 첫 단계는 유명한 기어박스 제조사인 Ricardo와 함께 맞춤형 설계를 제작하는 일이었습니다. Rodin Cars 는 처음 적층 제조 도입 후 3D Systems와 폭넓게 협력하면서 습득한 지식을 Ricardo와 공유했을 뿐만 아니라 적층 제조 기술을 이용해 설계하고 제조했을 때 얻을 수 있는 고유 이점을 알렸습니다. 매우 구체적인 기어비와 케이스 치수가 필요했고, 이러한 설계를 제작하려면 반드시 적층 제조를 사용해야 한다는 사실을 알고 있었기 때문입니다. 과잉 질량을 제거하는 일도 매우 중요해서 일부 영역에서 측면 벽 두께를 2mm까지 줄였습니다. 두 회사는 Rodin Cars가 원하는 기하형상 최적화를 중심으로 부품을 설계하는 데 협력했고, 내부 유로와 유체 채널을 내장하여 최종 기어박스의 크기를 400 x 650 x 300mm로 줄이는 데 성공했습니다. 

 

Rodin Cars는 필요한 치수와 정밀 피처에 따라 티타늄 AM 부품을 제작하기 위해 독자적인 대형 포맷 기술과 검증된 품질 및 반복성으로 잘 알려진 3D Systems의 DMP (Direct Metal Printing)를 선택했습니다.

 

02 검증된 티타늄 워크플로

고성능 차량에서 중량 대비 출력 비율의 최적화는 매우 중요합니다. 따라서 최고 성능이라는 Rodin Car의 사명을 실현하는 동시에 전체적으로 중량을 최대한 줄이려면 복잡한 금속 구성품도 티타늄 소재로 프린트할 수 있어야 합니다. 또한 티타늄은 부식을 방지하는 무결점 소재이기 때문에 시간이 지나면서 변형이나 성능 저하가 일어나지 않아 Rodin Car의 설립자인 David DIcker에게도 의미가 컸습니다.

 

Rodin Cars에서 엔지니어 팀장을 맡고 있는 Adam Waterhouse에 따르면 볼트를 제외한 모든 금속 구성품을 3D 프린팅 할 수 있다는 점이 효과적입니다. Waterhouse는 "기어박스에 연결되는 브래킷을 모두 프린팅 했습니다. 프린트 할 수 있는 부품의 범위가 엄청나게 넓습니다. 시스템 대부분이 3D 프린팅으로 제작되었으니까요."라고 밝혔습니다. 최종 티타늄 기어박스는 LaserForm Ti Gr23 (A)로 프린트되어 강재 내장품까지 포함해도 중량이 68kg에 불과합니다. 

 

3D Systems의 종합 금속 솔류션에는 금속 프린팅 워크플로를 준비하고, 최적화하고 관리 할 수 있는 올인원 소프트웨어인 3DXpert가 포함되어 있습니다. 이 소프트웨어에는 포괄적으로 개발된 프린트 파라미터가 있어서 3D Systems의 LaserForm 소재에 적합할 뿐만 아니라 3D Systems 엔지니어의 전문성을 워크플로에 그대로 반영할 수 있습니다. 그 밖에도 3D Systems의 DMP 장비는 독자적인 시스템 구조를 바탕으로 소재를 성능 저하 없이 모두 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

 

03 대규모 금속 3D 프린팅

Rodin Cars는 처음에 기어박스를 더욱 작은 구성품들로 분할하여 사내에서 기존 ProX DMP 320 장비를 사용해 프린트할 계획이었습니다. 하지만 엔지니어링 팀은 3D Systems 의 DMP Factory 500에 대해 학습하여 이러한 수고를 덜 수 있다는 생각에 매우 기뻐했습니다. 이 플랫폼은 유일하게 확장이 가능한 금속 적층 제조 솔루션으로서 대형 부품도 최대 500 x 500 x 500mm까지 원활한 고품질 생산이 가능합니다. 새로운 플랫폼을 사용한 덕분에 이제는 구성품 4개를 한 번에 프린트 할 수 있는 어셈블리로 기어박스 제작이 가능합니다.

 

DMP Factory 500은 유일하게 확장이 가능한 금속 적층 제조 솔루션으로서

대형 부품도 최대 500 x 500 x 500mm까지 원활한 고품질 생산이 가능합니다.

DMP Factory 500은 동종 제품 중 가장 낮은 산소 농도 (< 25ppm)와 불활성 프린팅 환경을 자랑하여 높은 화학적 순도로 강도와 정확도가 우수한 부품을 제작할 뿐만 아니라 양산에 필요한 반복성까지 보장합니다. Waterhouse에 따르면 측면 벽 두께가 2mm로 매우 얇은 기어박스 케이스를 사용해 이러한 품질 테스트를 마쳤습니다.

 

Waterhouse는 "이 솔루션을 사용한 프린트의 정확도는 매우 우수한 것으로 확인되었습니다. 우리는 정말 가장 커다란 구성품을 제작하면서 뒤틀림이 0,2도에 불과하다는 사실에 놀랐습니다. 그 뿐만 아니라 내부 채널과 엄청나게 얇은 측면 벽으로 적층 제조의 이점을 모두 활용하고 있습니다. 다른 방법을 사용했다면 상상조차 못할 일이죠."라고 강조했습니다.

 

 

04 Application Innovation Group의 금속 전문성

Rodin Cars는 DMP Factory 500을 사내에 설치하기 전에 대규모 금속 프린팅에 더욱 빠르게 익숙해질 수 있도록 3D Systems의 AIG (Application Innovation Group)와 협력하여 첫 번째 티타늄 기어박스를 프린트 했습니다. 3D Systems의 AIG는 풍부한 경험과 기술을 바탕으로 여러 산업에서 적층 제조 응용 분야를 지원할 수 있는 글로벌 리소스로서 응용 분야 개발과 프론트엔드 엔지니어링부터 장비 검증, 공정 검증 및 부품 인증에 이르기까지 어떤 단계에서든 프로젝트에 대한 자문과 지원을 제공합니다.

 

3D Systems는 Rodin Cars의 적층 제조 기술 도입 이후로 전문 지식과 기술 이전을 지속적으로 제공하면서 Rodin Cars가 성공적인 적층 제조 설계 및 생산에 필요한 원리를 이해할 수 있도록 지원했습니다. 하지만 대규모 프린팅 체제로 전환하려면 새로운 모범 사례까 필요했습니다. 3D Systems의 AIG는 엔지니어링 및 응용 분야 개발 서비스를 제공하여 Rodin Cars가 4가지 기어박스 구성품을 최종적으로 프로그래밍하거나, 첫 번째 기어박스를 프린트하는 등 개념을 입증할 수 있도록 도왔습니다. 또한 프로그래밍된 제작 파일과 기술 이전을 제공하여 Rodin Cars의 생산 현장에 DMP Factory 500을 설치한 후 성공적인 댁ㅍ모 금속 프린팅에 빠르게 접근할 수 있도록 길을 닦아주었습니다.

     

결과

1. 적층 제조를 통한 고성능 자동차의 엔지니어링 개선

2. 티타늄을 활용하여 400 x 650 x 300mm 크기로 프린트된 기어박스

3. 업계 최초 강재 내장품 포함

4. 산소 농도 < 25ppm

5. 최고의 기계적 부품 품질과 완전한 소재 사용

6. 2mm 두께의 케이스 측면 벽

7. 높은 정확도와 반복 작업으로 프린트

 

 

             

 

                                                        

                                                                                                                                                                         

 

3D Systems 의 지원으로 RF 부품의 적층 제조 공급하게 된 Airbus 

 

영국 포츠머스의 Airbus Defence and Space 제조 팀은 3D Systems의 AM 자문 및 제조 지원과 함께 전환 어셈블리 네트워크의  적층 제조 (AM)를 위한 혁신적 설계를 개발하였습니다. 

무선 주파수(RF) 수신 하드웨어는 주요 위성 통신 서비스 공급업체인 Eutelsat의 궤도에 합류할 Eurostar Neo 우주선 2대용으로 선정되었습니다.

이 프로그램 발표와 함께 Airbus의 HOTBIRD 페이로드 관리자인 Gareth Penlington은 다음과 같이 말했습니다. 

"DMP를 활용해 처음으로 대규모의 RF 제품을 공급하면서 Airbus는 RF 부품을 생산하는 기술 분야에서 업계를 선도하는 기업으로 거듭나게 되었습니다." 
  (Gareth Penlington / Airbus HOTBIRD 페이로드 관리자)

Airbus와 3D Systems는 여러 해 동안 협력해 왔으며, 3D Systems는 초기부터 이 프로젝트에 참여해 애플리케이션 개발 및 프로토타입 제작을 위한 입력 및 지원을 제공하고 인증 및 산업화로 계속해서 참여하고 있습니다. 

AM은 설계의 자유, 중량 감소, 부품 성능 최적화로 인해 이 프로젝트에 선정되었습니다. Airbus는 AM을 선택함으로써 팀이 더 부가 가치 작업에 집중하도록 하고 필요한 개별 부품 수를 크게 줄임으로써 조립 노동력을 상당히 줄였다고 언급했습니

다.

고정밀 요구 사항과 더불어 전환 어셈블리 네트워크는 얇은 벽과 큰 질량 농도를 결합했습니다. 

3D Systems 애플리케이션 혁신 그룹 (AIG) 의 전문가들은 수십 년 동안 DMP(Direct Metal Printing) 응용 분야를 위한 적층 제조 및 후처리 디자인에 대한 전문성을 제공해 왔습니다. 

AM 산업의 선구자이자 사내 항공우주 분야 전문가를 둔 AIG는 Airbus 의 설계 및 엔지니어링 전반에 걸쳐 분석 을 돕고 위험을 회피합니다. 

3D Systems는 Airbus를 도와 최초의 대규모 배포가 가능하도록 효율적이고 신뢰할 수 있는 부품 제조 흐름을 개발했습니다. 

3D Systems 애플리케이션 혁신 그룹의 항공우주 분야 개발 관리자인 Koen Huybrechts는 또 다른 숨겨진 성공 원인을 다음과 같이 설명했습니다. 

                                                                                                                                 

                                                                                                                                                  최종 전환 어셈블리 네트워크는 벨기에 루벤의 3D Systems 고객 혁신 센터의 

                                                                                                                                                  DMP Factory 350 장비를 통해 알루미늄 소재로 인쇄되었습니다.

 

 

"Airbus 는 신규 RF 프로젝트마다 생각의 규모를 키웠고 우리는 정확히 그 점이 좋았습니다. 두 회사의 협력은 자연스럽게 진정한 파트너쉽으로 발전했습니다. 

우리는 우리의 기술이 제공하는 기회와 한계를 안내함으로써 고객에게 투자합니다. Airbus처럼 호기심 많은 고객에게 이런 방식은 지속적인 공동 개발 및 혁신으로 이어집니다."- Koen (항공우주 분야 개발 관리자) 

최종 전환 어셈블리 네트워크는 벨기에 루벤의 3D Systems 고객 혁신 센터에 있는 DMP Factory 350 장비를 통해 LaserForm® AlSi10Mg 알루미늄 소재로 인쇄되었습니다. 

이 시설은 항공우주 품질 시스템 표준(AS9100D)으로 인증되었으며 이번 프로젝트와 같은 대규모 산업화 프로젝트를 지원할 수 있는 인재 및 리소스를 갖추고 있습니다.

3D Systems의 AIG 전문가는 전문성을 갖춘 생산에 단계별 접근 방식을 통해 기업이 체계적이고 검증된 절차를 통해 AM 생산 워크플로를 마련하고 제어할 수 있도록 돕습니다. 

3D Systems의 DMP 솔루션은 하드웨어, 소프트웨어, 소재를 결합해 최고의 인쇄 품질 및 신뢰성을 제공합니다. 3D Systems의 DMP 장비가 제공하는 불활성 인쇄 대기는 동급 최고 산소 함량(<25 ppm)으로 화학적 순도가 높고 소재 품질 안정성이 

오래 지속됩니다. 

복합 메탈 AM 부품 산업화 실현을 위한 협력 

Airbus와 3D Systems의 협력은 계속됩니다. 이 프로젝트의 핵심 내용은 다음과 같습니다. 

- DfAM 자문 및 공동 엔지니어링 

- 산업화 최적화 RF 부품 협력

- 복합 금속 AM 부품 다량 공급