항공우주 분야에서 찾은 3D 프린팅 응용 분야 9가지

항공우주 산업은 3D 프린팅 또는 적층 제조가 발명되었을 때 이를 가장 먼저 상업적으로 채택한 산업 중 하나였습니다. 실제로 많은 OEM, 공급업체 및 정부 기관이 이미 수십 년 동안 3D 프린팅을 사용해 왔으며 최신 세대의 상업용 비행기는 1000개 이상의 3D 프린팅 부품을 비행에 사용합니다.

그러나 기존의 산업용 3D 프린터는 가장 큰 규모의 자금력을 갖춘 조직을 제외하고는 대게 가격이 엄청나게 비싸게 느껴지는 장비입니다. 지난 10년 동안 고성능 3D 프린터의 가격이 크게 하락하고 재료 과학의 혁신으로 다양한 고성능 애플리케이션을 구현할 수 있게 되었습니다. 이제 3D 프린터는 합리적인 가격으로 소규모 조직에서 사용할 수 있으며, 이전에는 중앙 집중식 프로토타입 제작소에 격리되어 있던 3D 프린터를 대기업의 새로운 지사에서도 사용할 수 있게 되었습니다. Formlabs 3D 프린터는 더 많은 최종 사용자에게 적층 기술을 제공함으로써 더 많은 항공우주 엔지니어와 연구자들이 해당 분야의 한계를 뛰어넘을 수 있도록 지원합니다.

설계에서 제조에 이르기까지 항공우주 산업 전반에 걸쳐 3D 프린팅이 혁신을 주도한 9가지 주요 방법을 알아보세요.

Gravity Industries는 공상과학 영화에나 나올 법한 제트 슈트를 개발하고 있습니다. 제트 슈트는 헬기가 접근할 수 없거나 안전하게 착륙할 수 없는 수색 및 구조와 같은 작업에 사용할 목적으로 제작된 것입니다. 여러 종류의 3D 프린팅 기술을 시험해 봤고 열경화성 광중합체 레진이 최선의 선택이었던 일부 테스트를 포함하여 시제품 및 테스트 프로세스를 가속화했습니다.

테스트 파일럿이자 수석 디자이너인 샘 로저스는 Clear Resin을 Form 3에서 프린팅하여 와류 냉각 로켓 엔진 점화기 설계를 개발했습니다. 투명한 소재는 테스트 환경에 적합했기 때문에 로저스는 테스트 장비 내부의 연소 패턴을 관찰할 수 있었습니다.

설계 테스트 중에 로저스는 챔버를 모듈식으로 설계하여 챔버와 노즐의 다양한 버전을 혼합하여 사용할 수 있도록 했습니다. "소용돌이치는 산소 방패"가 챔버 벽에서 가장 높은 열을 차단하여 수지 부품이 각각 몇 초 동안 지속될 수 있었습니다. 각 시험 발사는 점화 패턴을 관찰할 수 있을 만큼만 길면 되었기 때문에 충분히 길었습니다.

로저스가 수십 가지 디자인을 금속으로 제작했다면 엄청난 비용이 들었을 것입니다. 대신 테스트 기간이 짧고 파트의 재료비가 매우 저렴했기 때문에 최소한의 비용과 리드 타임으로 고성능 설계를 결정했습니다.

마스텐 스페이스 시스템은 수직 이륙 및 수직 착륙 로켓을 전문으로 합니다. 마스텐은 2014년부터 로켓 엔진을 3D 프린팅하기 시작했으며, 소형 테스트 추진기로 시작해 2016년에는 25,000파운드 추력의 브로드소드 엔진까지 확장했습니다. 플라스틱과 금속을 모두 포함하는 첨가제 경험을 보유하고 있습니다. 마스텐의 연구 및 테스트 엔지니어인 킴벌리 데보어에 따르면, 마스텐은 로켓 엔진을 생산하기 위해 전통적인 기계 가공과 3D 프린팅을 모두 사용해 왔습니다. 마스텐은 여전히 구형 엔진에 전통적인 제조 방식을 일부 사용하고 있지만, 설계 유연성과 생산 속도를 위해 3D 프린팅을 도입했습니다.

“[3D 프린팅]의 장점은 원하는 방식으로 정확하게 모델링할 수 있다는 점입니다. 또한 기존 가공 작업과 동일한 수준의 반복 작업이 필요하지 않습니다. 정말 필요한 방식으로 디자인하기만 하면 됩니다."라고 Devore는 말합니다. "전통적인 방법으로 기계를 가공할 때는 대부분 아주 기본적인 것만 만들어야 합니다. 기능을 하나씩 추가할 때마다 매번 추가 비용을 지불해야 하죠.”

그러나 3D 프린팅을 사용하면 성능을 개선하기 위해 복잡성을 추가하는 데 추가 비용이 들지 않으며 위험을 감수할 필요도 없습니다. 비교적 빠르고 저렴하게 여러 개를 만들 수 있기 때문에 새로운 것을 시도할 수 있습니다. “이런 종류의 작업을 빠르게 반복할 수 있다는 것은 엄청난 일입니다”

A&M Tool and Design은 항공우주, 광학 및 로봇 공학용 부품과 맞춤형 장비를 생산합니다. 이 매장은 수년에 걸쳐 현대화되어 신뢰할 수 있는 기존 기술 및 개조 솔루션 외에도 3D 프린팅을 비롯한 다양한 새로운 장비를 도입했습니다. A&M Tool의 기계 엔지니어인 라이언 리틀은 어떤 3D 프린터가 자신들의 요구 사항에 가장 적합한지 조사한 후 Formlabs 3D 프린터를 선택했습니다.

프로토타입 제작을 위해 3D 프린트를 사용하여 핏과 기능을 테스트하기 시작했습니다. 리틀과 팀은 3D 프린팅을 통해 부품을 훨씬 빠르게 제작하고 하루 중 모든 시간을 활용하여 밤새 프린트를 실행하고 다음 날 파트를 사용할 수 있었습니다. 프린팅은 CNC 기계로 제작하는 데 비용과 시간이 많이 소요되는 형상을 제작하는 데 특히 유용합니다.

리틀은 “프린터는 CAD에 더해진 보조 도구처럼 느껴집니다,”라며 “우리는 다양한 유형의 도구를 여러 개의 프로토타입으로 제작합니다. Form 2가 없었다면 많은 프로토타입이 가공할 준비가 될 때까지 CAD에만 머물러 있을 것이고, 실용적이지 않아서 제작하거나 설계하지 못하는 제품도 있었을 것입니다.”라고 소감을 전합니다.

루프트한자 테크닉은 세계 최대 항공 공급 업체 중 하나이자 유지 보수, 수리, 운영(MRO) 서비스를 제공하는 업체입니다. 자사가 소유권을 주장하는 Guide U 탈출 경로 표시기를 항공기 객실에 애프터마켓을 설치하려고 설계했습니다. 이 혁신적인 바닥 표시 장치는 광발광이며 이는 일반 실내 조명으로 자체 발광하는 색상 안료가 장착되어 전기가 없는 비상 상황에서도 어둠 속에서 계속 빛을 발산할 것임을 의미합니다.

생산 전에 여러 가지 툴링 재료와 제작 공정을 테스트했습니다. 3D 프린팅 맞춤형 압출 노즐은 가장 비용 효율적이고 유연한 제조 방법으로 밝혀졌습니다. Guide U 프로젝트 매니저인 울리히 자스는 "이론적으로는 사출성형으로 파트를 제작할 수도 있었습니다. 하지만 우리는 노즐의 형태와 조절에 관해 이렇게 유연하게 대처해 본 적이 없을 것입니다. 바로 이 점이 3D 프린팅의 큰 장점이라고 생각합니다."라며 만족감을 드러냈습니다

이 생산 도구는 Formlabs 파트너인 마이프린투(myprintoo)와 협력하여 Form 3L로 프린팅했습니다. Form 3L의 빌드 플랫폼은 영역이 넓어 단 한 번의 프린팅으로 72개의 노즐을 생산할 수 있습니다. 다양한 Formlabs 소재를 테스트했으며 안정성과 표면 품질이 훌륭할 뿐만 아니라 루프트한자 테크닉이 지속적으로 생산 공정을 최적화하는 데 도움이 될 Clear Resin을 선택했습니다.

자스와 그 팀은 이 작은 부품을 사내에서 3D 프린팅하여 생산 공정에서 엄청난 시간과 비용을 절약했습니다. 이러한 유형의 툴링 시스템을 제작하는 기존의 방법과 비교해보면 그들은 또한, 수량이 큰 최소 주문량을 피하고 공정 최적화에서 훨씬 더 유연해질 수 있었습니다.

AMRC의 통합 제조 그룹은 산업 파트너와 협력하여 첨단 기술을 결합하고 통합 시스템을 개발합니다. AMRC는 유럽 최대의 항공 산업 제조 업체 에어버스(Airbus)와 탄소 섬유, 알루미늄, 티타늄 구성 요소를 고수준 공차 드릴링과 기계 공작과 연계하여 진행하는 프로젝트를 진행했습니다. AMRC의 프로젝트 엔지니어인 조지 슬리스(George Sleath)는 "하나의 구멍을 뚫고 다음 구멍으로 이동한 후 생성된 스크랩이 두 번째 구멍을 교차 오염시키지 않도록 첫 번째 구멍을 덮어야 했습니다."라고 합니다.

팀은 먼저 작은 고무 O-링이 있는 알루미늄 조각을 사용하려고 했지만 문제를 제대로 해결하지 못했습니다. 그리고 어려운 점이 두 가지 더 생겼습니다. 캡은 다양한 크기로 필요했고 마감일을 맞추기 위해 총 500개의 캡을 소싱하는 데 10일밖에 남지 않았던 것입니다.

3D 프린팅 외의 이렇게 짧은 기간 안에 맞춤형 제품 제작이 가능한 다른 제조 옵션은 없다고도 볼 수 있습니다. AMRC의 내부 작업 능력을 확신할 수 없었던 슬리스는 세 개의 외부 프린팅 대행 업체에 견적을 요청했지만 비용이 메우 비쌌습니다.

슬리스는 “그런 다음 저는 디자인 및 프로토타이핑 그룹의 마크 커킹(Mark Cocking)과 이야기하여 사내에서 제조할 수 있을지 물었습니다. 실제로 저는 24시간 동안 아무런 연락을 받지 못했지만 답을 받았을 때는 '예, 이미 절반은 프린팅했습니다.'라는 답이 돌아왔습니다. 24시간 만에 250개의 드릴링 캡을 제조하다니, 3D 프린팅의 처리 능력이 놀라웠습니다."라며 그 날을 회상했습니다.

결국 코킹은 이틀 만에 모든 파트를 제조할 수 있었고, 캡은 현장에서 의도한 대로 정확하게 작동했습니다. 슬리스는 “이를 설치한 작업자로부터 받은 피드백은 환상적이었습니다. 거의 모든 파트가 의도한 대로 정확하게 작동했으며 작동 중 파손된 파트는 없었습니다.”라며 자신감을 드러냈습니다.

엘립티카는 무선 주파수(RF) 및 마이크로파 제품 및 솔루션의 설계 및 개발을 전문으로 합니다. 이 회사는 자동차, 방위, 의료, 교육 분야의 연구 개발에 사용되는 맞춤형 필터와 안테나를 설계합니다. 무선 주파수 설계자인 궨달 코셰와 알렉산드르 만첵은 복잡한 형상을 구현하고, 비용을 낮게 유지하며, 신속하게 설계를 제공해야 했습니다. 이러한 까다로운 매개 변수를 달성하기 위해 기존의 제조 기술을 넘어서는 방법을 배웠습니다. 

광조형(SLA) 3D 프린팅 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅으로 프린팅한 파트는 표면이 매끄럽기 때문에 전기도금에 가장 적합하다는 사실을 발견했습니다. 코셰씨는 "파트를 3D 프린팅한 후 서포트를 제거하고 표면을 세척한 다음 경화시켜야 합니다. 그런 다음 프린팅된 파트에 화학 공정을 거쳐 구리층을 얇게(약 3µm) 도금합니다. 마지막으로 파트에 더 두꺼운 주석 층과 같은 표면 마감을 할 수 있습니다.”라고 설명합니다.

엘립티카는 단 두 번의 작업으로 Formlabs 3D 프린터에서 긍정적인 투자수익률(ROI)을 달성했습니다. 외부 공급업체에서 부품을 제작할 경우 약 3000유로의 비용이 들지만, 자체적으로 안테나를 3D 프린팅하고 전기도금하는 데 드는 재료비와 인건비는 20유로에 불과합니다. 

업무 속도도 빨라졌습니다. 기존 제조 기술로는 안테나 하나를 제작하는 데 길게는 3개월이 걸릴 수 있습니다. 코셰씨는 “인하우스 3D 프린팅을 사용하면 이틀 만에 작동하는 파트를 손에 쥘 수 있습니다. 하루는 프린팅, 하루는 도금, 그리고 작동하는 거죠. 그래서 훨씬 더 짧습니다."라고 했습니다.

NASA 연구원들은 전기 도금된 SLA 파트가 우주에서 어떻게 작동하는지 연구하고 있습니다. NASA 고다드 우주비행센터의 엔지니어들은 폼랩스 프린터로 3D 프린팅하고 전기 도금을 한 브래킷을 설계하여 2022년 여름 국제우주정거장(ISS)으로 향하는 SpaceX 상용 재보급 서비스(CRS-25) 임무를 통해 우주로 보냈습니다.

NASA 고다드 우주비행센터의 엔지니어들은 폼랩스 프린터로 3D 프린팅하고 전기 도금을 한 브래킷을 설계하여 2022년 여름 국제우주정거장(ISS)으로 향하는 SpaceX 상용 재보급 서비스(CRS-25) 임무를 통해 우주로 보냈습니다. 결과는 NASA와 다른 항공우주 제조업체가 전기 도금 및 적층 제조를 잠재적인 미래 제품 계획에 통합할 수 있는 방법을 알려줄 수 있습니다.

전 세계의 교수진과 학생들이 풍동 테스트에 Formlabs 3D 프린터를 사용하여 연구를 진행하고 있습니다.

Texas A&M Oran W. Nicks 저속 풍동은 다양한 프로젝트를 위한 풍동 테스트를 수행하고 있습니다. Texas A&M 풍동 실험실의 관리자이자 엔지니어인 Lisa Brown은 연구원들이 테스트 계획을 개발하고, 모델을 설계하고, 관련 데이터를 수집하는 데 도움이 되는 코드를 만들 수 있도록 지원합니다. 브라운의 팀은 3D 프린팅을 사용하여 다양한 물체를 테스트하기 위한 축소 모형을 제작합니다.

브라운은 펄럭이는 헬리콥터 날개를 연구하고 3D 프린팅을 테스트에 도입한 프로젝트를 회상합니다. “충분히 빠른 속도로 날개를 펄럭이면 실제로 날개의 앞쪽 가장자리에서 충격파가 발생합니다. 헬리콥터에서 원하는 것은 그런 것이 아닙니다. 헬리콥터에서 원하는 것은 그런 것이 아닙니다.” 라고 브라운은 말합니다 “앞쪽 가장자리에 작은 프린팅 인서트를 삽입하고 그 안에 몇 가지 센서를 넣었습니다. 그래서 전체 모델은 교체할 수 있는 작은 인서트가 있는 알루미늄 날개였습니다.”

사례 연구에서 Brown이 선택한 소재와 그 소재를 선택한 이유를 알아보세요.

대서양 건너편에 있는 칼스루에 공과대학(KIT)의 풍동에서도 3D 프린팅 파트를 테스트하고 있습니다. 난류 예측 방법을 연구하는 박사 과정 학생 Lars von Deyn이 그 주인공입니다. 그의 연구는 이동성의 마찰을 줄이기 위한 소재 및 디자인 선택에 정보를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

폰 딘은 테스트 부품을 만들기 위해 3D 프린팅을 고려했습니다. "기계 가공 공정으로는 생산하기 매우 어려운 구조물을 연구하고 싶습니다."라고 합니다. 그가 Form 3L을 선택한 이유는 제작 면적이 넓어져 개별 부품 수가 더 적어도 풍동 테스트 영역을 커버할 수 있어 패턴의 중단이 적었기 때문입니다

사례 연구에서 그의 실험 결과를 확인하세요.

미국 해군사관학교는 젊은 남성과 여성이 미 해군 및 해병대의 전문 장교가 될 수 있도록 준비시킵니다. USNA의 부교수인 브래드 베이커(Brad Baker) 대위는 제작 도구를 이용하기 힘든 환경으로 인해 공대 학생들의 반복 작업에 많은 시간이 소요되고, 그에 따라 학습 속도가 저해되고 있다는 사실을 깨달았습니다. 심지어 학생들의 캡스톤(capstone) 프로젝트를 전담하는 기계 공장이 있었지만 각 개인이나 팀이 1년에 서너 번 넘게 반복할 수는 없었습니다.

베이커 교수는 용융 적층 모델링 방식(FDM) 프린터 몇 대를 시작으로 3D 프린터를 기계 공학 커리큘럼에 통합하고 학생들이 캡스턴 프로젝트를 완료하는 데 3D 프린터를 사용할 수 있도록 했습니다.

학생들이 엔지니어링 커리큘럼을 시작하면, CAD 소프트웨어 사용법, FDM, SLA(stereolithography, 광경화성 수지 조형 방식), SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결 방식) 방식의 프린터 작동 방식을 순서대로 배우게 됩니다. 현재 학생들은 3D 스캐닝 방법까지 배우며, 학습한 모든 도구를 사용하여 완전한 리버스 엔지니어링(reverse engineering) 프로젝트를 완료할 수 있습니다.

FDM, SLA 및 SLS 기술을 사용하는 고품질의 안정적인 프린터를 보유함으로써 MakerSpaceUSNA는 모든 USNA 학생에게 다양한 적층 제조 기술을 경험할 수 있는 기회를 제공할 수 있게 되었습니다. 베이커 대위의 실습 교육 철학과 시행 착오를 거치는 학습 접근 방식 덕분에 공대 학생들은 한 단계 더 나아가 미 해군 및 그 외 분야에서 복무할 준비까지 완료하게 됩니다. 

그 어느 때보다 강력하고 접근하기 쉬운 적층 기술을 통해 업계는 더 다양한 기여자들의 기여를 기대할 수 있게 되었습니다. 향후 5~10년 동안 가장 큰 혁신이 OEM, 공급업체, 공공 기관, 스타트업 또는 학계 중 어디에서 나올지 말하기는 어렵지만, 그 어느 때보다 많은 사람들이 3D 프린팅을 직접 체험하게 되면서 이러한 혁신은 그 어느 때보다 빠르게 이루어질 것입니다.

3D 프린팅에 대한 이해가 항공우주 산업에 계속 확산되고 기술과 사용 가능한 재료 기반이 더욱 다양해짐에 따라 적층 기술은 항공기와 우주선을 제작하고 유지 보수하는 방식을 계속 변화시킬 것입니다.