▲ 3D시스템즈의 금속 3D프린터 ‘DMP Factory 500’으로 제작한 연료노즐

세계적인 적층제조(AM) 솔루션 기업 3D시스템즈가 우주항공·車·에너지 등 산업에 필요한 유체흐름시스템 부품을 금속 3D프린팅으로 제작을 확대하며 성능개선 및 경량화에 기여하고 있다.

3D프린팅은 설계자유도가 뛰어나 기존 제작방식으로 불가능했던 복잡한 내부 및 기하학적 구조의 부품을 만들 수 있어 유체흐름시스템의 성능개선과 경량화 효과에 기여하고 있다.

3D시스템즈는 자사의 금속 3D프린팅 기술인 DMP(Direct Metal Printing)로 고성능·고효율·고성능 유체흐름시스템을 만들고 있다. 세계 최대입자 충돌가속기인 대형강입자가속기(LHC)를 운영하는 스위스의 유럽 입자물리 연구소(CERN)는 3D시스템즈 어플리케이션혁신그룹(AIG)과 제휴해 LHC 실험을 위한 티타늄 쿨바를 재설계하고 제조했다.

3D시스템즈는 연구용 목적으로 영하 40˚C로 냉각시켜 입자반응을 보존하는데 사용되는 타이타늄 쿨바 부품을 제작하는데 있어 여러 난제를 극복할 수 있도록 지원했다. 가장 큰 난제는 제한된 공간에 들어가면서 충분한 열을 발산할 수 있어야 하며 길이 140m, 폭 2㎜이하의 광검출 스트립의 길이에 걸쳐 온도 균일성을 달성해야 한다는 점이었다.

일반적인 기존 제작방식으로 제작할 수 없는 상황에서 AIG와 CERN은 DMP 프린터를 사용하여 타이타늄 쿨바를 300개 이상 제조했다. 열방출 개선을 위해 각각 0.25mm 벽두께와 누설조임성 및 평탄성 50미크론 등 필요한 사양을 충족했다.

또한 3D시스템즈는 경량화가 매우 중요한 우주항공 추진시스템, 연료인젝터 등에도 DMP 기술을 적용했다. 독일우주센터(DLR)는 3D시스템즈 고객혁신센터와 협력해 30개의 부품을 단일부품으로 통합시켰으며 최종 중량을 최대 10%까지 줄였다. 통합 설계는 기존 시스템에 존재하는 고장지점을 제거해 전반적인 시스템 성능 개선에도 기여한다. 3D프린터로 제작한 연료인젝터에는 압력 및 온도센서 채널과 같은 특정 기능도 통합돼 냉각 및 연소성능도 향상시켰다.

DLR에서 인젝터헤드 프로젝트를 관리하고 있는 마르쿠스쿤은 “DMP 기술을 활용해 센서통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염주하면 3D시스템즈 기술은 인젝터헤드의 제조설계 측면에 완벽하게 적합하다고 생각했다”고 설명했다.

기존 절삭공정으로 유체시스템을 제작할 경우 내부채널을 통해 이동하는 유체가 정체된 구역에 갇힐 수 있기 때문에 모서리 부분이 뾰족한 설계를 선호하는데, 이는 압력손실로 이어지고효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 이를 DfAM(적층제조특화설계)를 통해 유체역학에 최적화된 내부채널을 제작할 수 있는데 열교환기의 경우 열전달을 증가시킬 수 있으며 냉동기기, 에너지 생성 등에 활용할 수 있다.

3D시스템즈는 사용자가 교육 및 제조서비스를 통해 유체흐름 어플리케이션용 AM 기술을 최대한 활용할 수 있도록 지원하고 있다. 회사 관계자는 “우리는 수년간의 노하우를 통해 AM 기술이 기존 아키텍처내에서 어디에 어떻게 적합한지 찾아내고 기존 프로세스를 간소화하는 방법에 대해 컨설팅 및 기술지원을 제공하는데 최선을 다하고 있다”고 말했다.

한편 이와 관련한 3D시스템즈의 AM 솔루션은 e-Book(https://ko.3dsystems.com/optimize-fluid-dynamics?utm_source=&utm_medium=Article&utm_campaign=7012T000001dL4c&utm_content=FY20_ADDITIVEPRODUCTION-METAL_Q4_APAC_PLAY_Fluid_flow_amenews)을 통해 확인할 수 있다.