Aerospace & defense

적층제조 (Additive Manufacturing)

Tony Velocci
23 November 2016

적층제조는 한번에 한층씩 겹겹이 쌓아서 고체 구조물을 제조하는 방식으로, 용적이 작은 물체를 다루고 복잡한 설계 구조를 구현하는 동시에 튼튼하면서도 가벼운 구조물을 제작할 수 있다는 장점이 있다. 이 때문에 우주항공 산업에 안성맞춤이다. 하지만 이러한 제조 방식이 널리 보급되려면 응용 범위의 제한이라는 난관을 극복해야 한다.

3D프린팅으로도 불리는 적층제 조(AM)는 오래 전에 시제품 제작에서나 사용되던 수준을 넘어섰다. 오늘날 항공우주 산업에 종사하는 기업 중 대다수는 대형 여객기나 범용 항공 기에 사용되는 기존 부품의 기능성을 개선 하고 비정형 부품을 제조하는데 AM 기술을 응용하고 있다.

열렬한 AM 지지자들은 이 혁신공정이 동체 전체, 날개, 그리고 내장 센서나 기타 전자 장치 같은 복잡한 형상의 중요 엔진 부품을 '프린팅' 하는데 사용될 날이 어서 오길 꿈꾼 다. 그러나 이 같은 파격적인 상상을 실현하 려면 몇 가지 난관을 극복해야 한다고 테네 시 주에 위치한 미국 동력자원부 연구소인 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 입장이다. ORNL은 여러 산업에 종사하는 수백개 기업과 제휴하여 첨단 적층제조 기 법을 개발하고 있다.

미국 동력자원부 ORNL 산하의 MDF (Manufacturing Demonstration Facility)를 책임지고 있는 빌 피터(Bill Peter)는 "신속한 시제품 제작이나 특정 의료 장비처럼 이미 AM을 활용해 많은 부품을 제조한 바 있는 일부 응용 분야에서는 AM 기법의 완성도가 제법 높지만 대부분의 응용 분야에서는 아직 도 걸음마 단계다"라고 설명했다.

품질 보증

매년 약 700개 조직을 대표하는 5,000명 이 상의 방문객이 AM 기법을 비롯한 여러 가 지 기술을 의논하고자 ORNL을 찾는다. 빌 피터는 방문객들은 AM의 최대 난관 중 하 나로 품질 수준 확보 문제를 꼽았다.

“ 신속한 시제품 제작이나 특정 의료 장비처럼 이미 AM을 활용해 많은 부품을 제조한 바 있는 일부 응용 분야에서는 AM 기법의 완성도가 제법 높지만 대부분의 응용 분야에서는 아직 걸음마 단계다. ”

빌 피터
미국 동력자원부 ORNL 산하의 MDF 책임자

예를 들어, 완제품의 성능과 안전에 중대한 영향을 미치는 부품을 AM으로 제조할 때 전통적인 공정으로 제조한 것만큼 자신 있 는 품질 수준을 확보할 수 있느냐의 문제를 지적하는 것이다. 그는 "가장 우려되는 부분 은 AM으로 제조된 부품의 무결성을 확립할 방법이 전혀 없다는 점이다"라고 말했다. 분말형 티타늄이나 니켈 같은 용착 금속의 제조 파라미터와 그 영향을 받는 미세구조 의 사소한 수정만으로도 완제품의 움직임이 엄청나게 달라질 수 있다고 피터는 지적했 다. 그는 "장기적인 측면에서 데이터 분석 프 레임워크와 가상화 시스템을 사용하여 항공 기 제조업체에서 사용하는 복잡한 부품을 필요한 품질 수준으로 일관성 있게 제조할 수 있는 방법을 검증하려고 시도 중이지만 완벽한 해결책을 찾아내기까지는 몇 년 더 소요될 것으로 보인다"고 덧붙였다.

속도가 관건

또 다른 걸림돌은 부품을 인쇄하는데 사용 되는 원자재의 용착 속도다. AM 공정은 컴퓨터를 이용하여 3차원 부품 설계도를 작성하는 일에서 시작된다. 사용자 가 완성된 설계 파일을 적층 장비용 컴퓨터 로 다운로드 하면 컴퓨터가 설계 구조를 엄 청나게 얇은 층으로 분할하고, 적층 장비가 얇고 평평한 금속막을 적층대에 도포한다. 그 후 컴퓨터로 제어되는 레이저나 다른 에 너지원이 원래 3D 설계 구조의 분할 데이터 에 상응하는 경로를 따라가면서 적층대에 도포된 금속 박막을 소결하거나 용해한다. 부품이 완성될 때까지 이와 같은 적층 공정을 반복해야 하는데, 그 과정에서 전통적인 제조 방식보다 더 오랜 시간이 소요될 수 있다. 제조업체들이 생산주기 시간을 단축할 방법 을 지속적으로 모색하고 있는 상황이므로 시 간과 관련된 문제는 중요하다. 피터는 "용착 속도가 개선되면 항공우주 및 기타 산업에서 AM 방식을 응용한 부품 제조 공정의 실효성 도 향상될 것으로 기대된다"고 강조했다. 희소식이 있다면 최근 2년 동안의 발전 양 상이 연구원들에게 고무적이라는 것이다. 예를 들어, ORNL은 미국의 맞춤형 공작 기 계 제조업체인 신시내티인코퍼레이티드 (Cincinnati Incorporated)와 제휴하여 지금 까지 출시된 AM 장비의 보편적인 용착 속 도가 시간당 16~65cm²인데 반해 시간당 16,000cm²에 달하는 용착 속도로 최대 1,000배 더 빠르고 기존의 장비보다 최대 10배 더 큰 강화 중합체 재질의 부품을 인쇄 할 수 있는 대단히 혁신적인 AM 시스템을 개발하고 있다. 피터는 해당 프로젝트 담당 팀이 중합체를 연구하면서 얻은 노하우를 활용하여 분말형 금속을 사용할 때의 용착 속도를 그와 유사한 수준으로 개선하는데 주력하고 있다고 이야기했다.

익숙한 여정

케빈 마이클스(Kevin Michaels)는 ICF International의 항공우주 및 MRO 산업 컨 설팅 사업부 담당 부사장이자, 세계적으로 인정 받는 항공우주 제조 분야 권위자다. 마이클스는 AM이 꾸준히 발전하고 있는 상 황이므로 제조 산업이 다른 혁신적 기술, 특 히 합성 물질 제조 기술을 사용하면서 얻은 경험을 교훈으로 삼아야 한다고 주장했다.

“THE PACE OF INNOVATION AS A WHOLE IS GETTING MUCH FASTER, PRIMARILY BECAUSE ESTABLISHED PLAYERS HAVE REALIZED THE DANGERS OF NOT MOVING FAST ENOUGH.”

ANTOINE GELAIN
AEROSPACE INDUSTRY PRACTICE LEADER, CANDESIC

1970년대부터 합성 물질은 우수한 강도와 내 식성 면에서 널리 호평을 받았지만 완벽해지기까지 수십 년이 걸렸다.

그때만 해도 동 체가 지금처럼 합성 물질로만 제조되는 날 이 올 것이라고는 아무도 예측하지 못했다. 마이클스는 "이와 유사하게 적층제조의 미래 도 지나고 보면 당연해 보일지 모르겠지만 오늘날에는 상상조차 하지 못했던 방향으로 흘러갈 것이다"라고 말했다.

사진에서 보듯이 Cincinnati Inc의 BAAM(Big Area Additive Manufacturing) 장비의 상부에서 아래로 내려온 공구가 Boeing 777x 제트 여객기용 날개 끝을 한번에 한겹씩 제조하고 있다. ORNL의 제조시연장에서 진행된 이 공정 시연을 통해 고품질 대형 물체를 인쇄하는데 3D 프린팅을 응용할 수 있다는 사실이 입증됐다. (사진 제공: 미국 동력자원부 ORNL)

런던에 본사를 둔 독립적인 사모투자전문 기업인 파라곤 유러피언 파트너스(Paragon European Partners)의 경영 이사이자 전략 경영 컨설팅 업체인 Candesic의 항공우주 산업 컨설팅사업부 총책인 앙투안느 젤라인 (Antoine Gelain)은 합성 물질의 발전과 적 층제조의 발전 양상을 비교해 보면 유익한 교훈을 얻을 수 있다고 이야기했다. 그는 "두 기술을 비교해 보면 기술의 실효성 과 시장성 사이에는 엄청난 격차가 있다는 사실을 알 수 있는데, 그 격차를 좁히기까지 수십 년까지는 아니더라도 수년은 족히 걸 릴 것이다"라고 강조했다. AM과 마찬가지로 합성 물질이 제조업체의 신뢰를 얻기까지 많은 시행착오를 거쳐야만 했다. 젤라인은 "항공기 구조물에 합성 물질 을 사용하는 방안에 대한 실효성은 일찌감치 검증됐지만, 인증과 제조 공정에서 유례가 없다는 점 때문에 이를 수용하도록 고객을 설득하는데 많은 시간이 소요되면서 합성 물 질을 이용한 제조 공정이 합리적인 비즈니스 모델로 자리잡기까지 많은 시간이 걸렸다"고 설명했다. 그러나 "디지털 시대에는 혁신적인 기술에 대한 거부감이 더 적은 경향이 있기 때문에 적층제조는 훨씬 더 빠른 속도로 진 전될 가능성이 높다"고 덧붙였다. 마지막으로 그는 결국 비즈니스 과제가 오히 려 AM 발전의 촉진제로 작용하는 셈이라고 강조하며, "전반적으로 혁신 속도가 훨씬 더 빨라지고 있는데, 그 주된 이유는 업계에서 확고한 입지를 구축하고 있는 제조업체들이 한발 앞서 움직이지 않으면 도태될 수 있다 는 판단 하에 더 많은 위험을 감수하고 혁신 적인 기술에 더 많은 비용을 투자하기를 주 저하지 않고 있기 때문이다"라고 설명했다.

Watch the creation of the world’s largest AM part: http://3ds.one/3DPrintBig

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