- DfAM 부품 일체화 소형 위성 발사체 무게↓, 韓 발사체 개발 적용

- 車 부품 양산 확대, 전문조직·소재 국산화 및 다양화·생산성 향상 기술 必

금속 3D프린팅이 국내 우주항공·자동차 산업에 필요한 핵심 부품의 효율화·경량화 솔루션으로 적용이 확대되고 있다.

정보통신산업진흥원이 주최하고 3D프린팅연구조합과 3D융합산업협회 주관으로 ‘3D프린팅 기술응용 세미나·네트워킹 데이’가 13일 양재 엘타워에서 개최됐다.

이번 행사는 3D프린팅 기술 최신동향 및 산업별 응용사례에 대한 전문연사를 초청해 최신 정보를 공유하고 3D프린팅연구조합과 3D융합산업협회가 추진 중인 3D프린팅 전문인력 양성교육사업 참여인원에 대한 심화교육을 제공하기 위해 마련됐다.

이에 2023 트렌드 코리아(이준영 상명대학교 소장), 경제 전망과 3D프린팅 동향(김광석 한국경제산업연구원 실장) 등 초청강연을 시작으로, △항공우주 분야에서의 3D프린팅 기술활용(노용오 ㈜비츠로넥스텍 차장) △자동차부문 금속 3D프린팅 개발 및 활용사례(김육진 현대자동차 책임) △3D프린팅 기술을 활용한 문화유산 복원 및 복제 사례(조영훈 공주대 교수) △금속적층제조 원천기술 및 응용사례(김건희 한국생산기술연구원 수석) △3D프린팅을 활용한 핵연료부품 개발 사례(천주홍 한전원자력연료 선임) 등이 발표된다.

과거 중대형 위성 발사는 국가가 주도했지만 저궤도 위성을 활용해 전 지구에서 인터넷과 통신이 가능한 위성 인터넷 등 신사업 등장으로 민간이 주도하는 소형 위성 시장이 급격히 성장하고 있다. 2040년 위성 산업 시장은 약 5천억 달러로 성장할 것으로 전망되는 가운데 선도기업 스페이스 X는 소형 발사체 ‘팰컨9’을 50회 발사에 성공하면서 2,494기의 인공위성을 우주 궤도에 올렸다.

소형 위성을 우주로 올리는 우주 발사체는 무게가 비용에 직접적인 영향을 미치기 때문에 경량화가 필수다. 일례로 민간 우주기업 스페이스 X의 소형 발사체 1kg 탑재물 이송 비용은 약 3,600달러이며 최근 우리나라가 발사에 성공한 한국형발사체 누리호도 4천만원대로 알려져 있다.

이에 용접, 주조 등 기존 제작방식으로 발사체 엔진을 경량화하는데는 한계가 있기 때문에 우주항공업계에서는 DfAM(적층제조특화설계)을 통해 부품 일체화 설계, 3차원 냉각채널 설계, 열효율 향상 설계 등으로 금속 3D프린팅으로 부품을 제작, 경량화는 물론 내구성을 확보하고 있다.

이에 해외 기업에서는 저비용 고효율 발사체를 빠르게 개발할 수 있는 금속 3D프린팅 기술을 적극 활용하고 있다. 스페이스 X는 DRACO 엔진(연소기), 터보펌프 부품 등을 금속 3D프린팅으로 제작했으며 ROCKETLAB도 부품이 아닌 연소기를 일체형으로 금속 3D프린팅으로 제작한 바 있다.

액체로켓엔진 제작기술을 국내 최초로 개발한 바 있는 비츠로넥스텍은 항우연으로부터 제작의뢰를 받아 1톤급 메탄 엔진 연소기를 부품 일체화 설계하고 인코넬 718 소재로 3D프린팅해 납품한 바 있다. 3D프린팅으로만 제작된 이 연소기는 2020년에 실제 연소 시험됐다.

이러한 경험을 바탕으로 회사는 3톤급 메탄 엔진 연소기를 3D프린팅으로 제작했으며 항우연에서 연소 시험을 했다. 노용오 차장은 “엔진을 3D프린팅으로 제작한 결과 기존 절삭가공 및 브레이징 방식대비 제작 기간은 50% 이상 단축시키고 비용은 60% 이상 절감할 수 있음을 확인했다”고 밝혔다.

비츠로넥스텍은 특수 전용소재 개발, 소재 특성분석, 시스템설계, 3D프린팅·전자빔용점 등 제작, 강도·기밀 시험 등 토털 솔루션을 갖추고 한국형 발사체 개발을 앞당기는데 필요한 다양한 기술검증 시제품을 공급하고 있다.

자동차 산업에서는 시제품 개발 및 제작에 있어 3D프린팅을 선제 도입했으며 해외 기업에서는 적기 생산, 경량화, 재고관리 등이 용이한 3D프린팅으로 부품을 양산하는 수준에 이르렀다.

3D프린팅을 가장 활발하게 사용하고 있는 BMW는 플라스틱 및 금속 3D프린터 60대를 80명의 전문인력이 운영하면서 지난 2018년 자동차 업계 최초로 루프 브라켓을 금속 3D프린팅으로 양산해 적용했으며 2019년엔 약 30만개의 부품을 생산한 바 있다.

현대차 전동화시작개발팀에서는 PBF, DED, 바인더 제트 등 3D프린팅 방식으로 EGR 쿨러, 터미널(BUS BAR), 터빈 하우징을 개발했다.

EGR 쿨러는 자동차 엔진에서 배출된 고온의 연소 배기가스의 일부를 저온의 냉각수와 열교환을 통해 냉각시켜 다시 엔진으로 재공급하는 부품이다. 이를 통해 연소실 온도가 낮아지고 이 과정에서 질소산화물(NOx) 배출도 줄어든다.

현대차는 EGR 쿨러의 모듈화, 고성능화, 경량화를 위해 DfAM을 통해 TPMS(삼중주기적 최소곡면) 구조로 재설계하고 금속 3D프린팅으로 제작했다. 그 결과 부품 축소, 브레이징 공정 생략, 열교환면적 증대, 중량 감소 등의 효과를 거뒀다.

또한 터보차저 부품 중 개발기간이 가장 긴 터빈하우징의 제작기간 단축을 위해 기존 해외업체에서 전량 제작해오던 3D프린팅 터빈하우징 시제품을 바인더 제팅 방식 3D프린팅 기술로 국산화했다. 이를 통해 해외업체 제작기간 대비 절반으로 축소시켰다.

3D프린팅이 자동차 부품 양산 기술로 확대되기 위해선 아직 걸림돌이 많다. 김육진 현대차 책임은 그간 3D프린팅 기술을 사용해온 경험을 바탕으로 3D프린팅이 자동차 산업에 적용되는데 있어서 △정규재질과 다른 재질 부품의 평가에 부정적 △3D프린팅 도입시 설계·평가·인증 등 새로운 업무 부담 증가 △5축 가공, 진공주형 등 경쟁 기술 발전 △비싼 소재 및 후처리 비용 △높은 빌드 실패 확률 등 문제가 있다고 진단했다.

그는 자동차 산업에서의 3D프린팅 활성화를 위해 필요한 사항으로 △적용 부품 발굴, 운용 등 3D프린팅 전문 운용조직 구성 △소량 양산적용을 통한 산업 생태계 구축 △국산화를 통한 금속 분말 가격 인하 △다양한 소재 및 파라미터 개발 △서포트 최소화 적층시간 단축 등 지속적인 기술개발 등을 제안했다.

출처 : http://www.amenews.kr/news/view.php?idx=51586