항공 우주 분야의 기술에 적용된 ‘Renishaw 적층 제조 시스템’

우주선 개발은 항상 새로운 첨단 기술에 의존해 왔다. 예를 들어 ‘적층 제조(AM)’는 항공우주 엔지니어에게 설계의 자유와 신속한 프로토타입 제작을 제공한다. 항공 우주 산업의 엄격한 요구 사항을 충족하면서 인공위성용 부품을 개발하는 데 필요한 역량을 갖추고 있다. 이에 따라 항공우주 벤처 캐피털 스타트업인 ‘Velontra’라는 기업은 우주 애플리케이션용 극초음속 추진 시스템을 개발하고자 할 때 Renishaw의 AM 시스템을 사용하는 ‘Innovative 3D Manufacturing’을 선택했다.

2016년에 설립된 Innovative 3D Manufacturing은 항공우주에서 의료에 이르기까지 다양한 산업 분야의 제조업체에 다양한 전문 프로토타이핑 서비스를 제공하는 기업이다. 이 회사는 AM을 사용하여 CNC 가공과 같은 기존 방법을 사용할 때보다 더 복잡한 부품을 개발하는 것이 가능하다. 또한 AM을 사용하여 여러 부품을 하나의 부품으로 결합하여 최종 제품의 무게를 줄이고 있다.

Innovative 3D Manufacturing의 최근 고객 중 하나인 오하이오에 본사를 둔 Velontra는 초음속 엔진을 개발하기 위해 혁신적인 기술을 사용하는 항공우주 시장의 스타트업이다. 이 회사는 추진 설계 주기의 비용을 줄이면서 개발 속도를 높이는 것을 목표로 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 초음속 추진 시스템을 설계, 프로토타입 및 제작하고 있다.

도전과제
 

Velontra의 CTO인 Joel Darin은 “초소형 극초음속 추진 시스템은 우주 회사들이 많이 찾고 있기 때문에 경쟁력을 유지하려면 부품을 빠르게 개발해야 한다”며 “항공우주 분야에서는 특히 새로운 기술을 가장 먼저 출시하고 싶다면 직접 해보는 것이 가장 좋은 학습 방법이다”고 말했다. 그는 이어 “혁신은 사람들이 아이디 어를 계속 반복하고 성공할 때까지 테스트하는 것을 필요로 한다. 라이트 형제를 예로 들면, 테스트 터널을 만들어 비행기를 반복해서 시험했고, 그 결과 성공에 이르렀다. 이에 우리 기업도 제품을 개발할 때 이와 같은 태도를 취한다”라고 덧붙였다.

Bronco 엔진을 개념에서 제품으로 성공적으로 전환하기 위해 Velontra는 작고 빠른 추진 시스템의 신속한 프로토타입을 생산 하는 동시에 자원 사용을 줄이고, 품질 요구 사항과 제조 공차를 충족하며, 비용을 낮출 수 있는 방법이 필요했다. AM의 이점을 이해하고 있었지만, Velontra는 원하는 시간 내에 프로세스를 개발할 수 있는 사내 전문 인력이 없다는 것이 한계였다.

▲ RenAM 500Q는 인코넬, 티타늄, 알루미늄 등 다양한 항공우주 등급의 재료를 가공할 수 있다
 

솔루션

AM에 경험이 있는 팀과 협력하여 AM 부품을 개발하기 위해 Velontra는 Innovative 3D Manufacturing에 연락했다. 이 프로토타이핑 전문업체는 최근 작업 규모를 확장하여 현재 4대의 Renishaw RenAM 500Q 멀티 레이저 시스템을 운영하여 생산성을 향상하는 동시에 Velontra를 비롯한 다양한 고객에게 고품질 부품을 지속적으로 공급하고 있다.

Innovative 3D Manufacturing은 AM을 위한 설계 기술을 활용 하여 Bronco의 추진 시스템을 포함한 부품을 개발했다. 이 부품의 설계 과정에는 최적의 벽 두께, 캐비티 설계 및 흐름 경로를 고려하는 것이 포함됐다. 그런 다음 Innovative 3D Manufacturing 은 RenAM 500Q를 사용하여 부품 반복 작업을 수행하여 부품이 기계의 제작 용량을 100% 사용할 수 있도록 했다.

Velontra는 추진 시스템뿐만 아니라, Innovative 3D Manufacturing 과 협력하여 추진 시스템용 맞춤형 부품을 제작한다. 예를 들어, 적층 제조 방식으로 제작된 램젯 프로토타입과 애프터버너(afterburner) 하드웨어 등이 있다. AM을 사용함으로써, Velontra는 Innovative 3D Manufacturing과 협력하여 복잡하면서도 가벼운 부품을 개발하고, 디자인을 파트너에게 보내고, 다음 날 프로토타입을 받아 개발 주기를 단축할 수 있었다.

▲ 이 애프터버너(afterburner) 케이스는 AM을 활용하여 여러 구성 요소를 하나의 부품으로 결합한다.

Innovative 3D Manufacturing의 운영 관리자이자 소유주인 Chris Beck은 “우리는 창립 초기부터 Velontra와 협력하여 항공우주 산업에서 적층 제조 설계에 대한 전문 지식을 공유해 왔다. 엔지니어들은 3D 프린팅을 위한 형상 설계, 최적의 부품 두께 선택, 올바른 재료 선택의 중요성을 이해함으로써 추진 시스 템을 개발하고 개선할 수 있었다. 멀티 레이저 금속 AM 시스템인 RenAM 500Q를 사용하여 훨씬 빠른 속도로 시제품을 프린트하는 동시에 장비의 온보드 시빙 기능을 활용하여 전체 프로세스를 더욱 효율적으로 만들고 부품 처리 시간을 단축할 수 있었다”라고 설명했다.

RenAM 500Q는 전체 파우더 베드 표면에 동시에 접근할 수 있는 4개의 고출력 500W 레이저를 갖춘 레이저 파우더 베드 융착 시스템으로, 사용자는 빌드 플레이트 전체를 사용할 수 있어 생산 성을 높일 수 있다. 또한 이 시스템은 자동화된 파우더 및 폐기물 처리 시스템을 갖추고 있어 일관된 공정 품질을 유지하고 작업자 개입 시간을 줄이며 높은 수준의 시스템 안전을 보장한다.

결과
 

Velontra의 CTO인 Joel Darin은 “AM 기술을 사용하여 강력하 면서도 작고, 길들여지지 않은 추진 시스템을 만들 수 있었다”라고 강조하며 “최근 인디애나주 Purdue University의 풍동에서 Bronco를 테스트한 결과 긍정적인 결과를 얻었다. 앞으로도 적층 가공을 활용하여 Bronco를 지속적으로 개발하고 개선할 계획 이다”라고 밝혔다.

Purdue University의 풍동에서 마하 4.5 이상의 속도와 10만 피트 상공을 시뮬레이션한 결과, Bronco가 마하 5 이상의 추력을 낼 수 있다는 사실이 입증됐다. 이는 음속의 5배 이상이며, Velontra에 따르면 이로써 이 엔진이 동종 최초의 엔진이 됐다는 설명이다.

Velontra는 Bronco 초음속 추진 시스템을 소형 차량에 통합하여 상업용 및 산업용 초음속 차량으로 만드는 것을 목표로 하고 있다. 또한 위성을 발사하는 플랫폼으로 사용할 수 있는 무인 우주 선을 만들 계획이다.

Renishaw의 도움으로 Innovative 3D Manufacturing은 고품 질의 부품을 제공하고 다양한 분야의 고객 납기를 맞추는 명성을 유지하고 있다. RenAM 500Q에 탑재된 온보드 시빙 및 4개의 레이저 시스템은 프로토타이핑뿐만 아니라 생산에도 적합하여 Innovative 3D Manufacturing이 제조 프로젝트를 수행할 수 있도록 지원한다.

자료제공: Renishaw(www.renishaw.com)