항공우주 금속 적층제조, 소재·후공정 개발로 지속 성장 중

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 장비

3)플라스틱 적층제조 장비

4)바이오메디컬 적층제조 기술

5)우주항공분야 적층제조 기술

6)금속분말 제조 및 응용분야

7)플라스틱 소재와 응용분야

8)좌담회-적층제조기술의 미래 발전 방향

COVID-19의 영향으로 2019년 이후 2년 만에 개최된 이번 폼넥스트(Formnext) 2021 전시회에 출품 부스는 2019년 대비 1/4 로 축소되고, 참석자들의 규모도 절반으로 줄었으나, 적층제조의 전체 공정과 관련된 장비 및 재료의 최신 기술을 선보이며 적층제조의 응용 분야가 계속 확장되고 있음을 보여줬다.

또한 양산을 위한 대량생산, 안전한 프로세스, 효율성 및 지속 가능성과 같은 시급하고 중요한 미래 문제에 대한 솔루션을 제공하여 지난 전시에 비해 적층제조 산업군의 기술이 진보하고 있고 열기 또한 뜨거움을 느낄 수 있었다.

2019년 초에 민간 우주사업에 대한 관심이 높아지며 한국항공우주연구원의 주최로 뉴스페이스 포럼이 처음 열리고, 항공기 제조사에서도 적층제조 기술에 대한 개발 로드맵을 만들어 국내에서도 항공우주분야의 금속 적층제조에 대한 본격적인 기술개발이 시작되었다. 2년 반정도 지난 현 시점에서 항공우주분야의 금속 적층제조 기술의 동향 및 미래 성장 잠재력에 대해 정리하였다.

항공우주 분야에서 적층제조를 사용하는 주요 동기 중 하나는 기존 제조 방식에 비해 상당한 비용 절감과 리드 타임 개선이 가능하기 때문이다. 이 리드 타임은 다양한 검사 및 추적 가능성 요구사항으로 인해 복잡하고, 공정 전반에 걸쳐 재료 및 부품은 설계 의도를 충족하면서 안전하게 제조되고 표준 및 인증을 충족하도록 엄격한 프로세스를 따라야 한다.

적층제조는 분말에서 빌드 및 후공정에 이르기까지 전체 공정을 엄격하게 관리해야 하며 이 인증 프로세스는 적층제조의 모든 단계에 걸쳐 방법론과 추적 가능성을 모두 포함하도록 설계해 프로세스 초기에 결정되어야 한다. 이는 새로운 부품 설계에 해당하는 것이지만 생산이 중단된 예비 부품 또는 교체 부품의 경우 더 중요할 수 있다. 이러한 단순화 된 공급망과 물류 이점을 포함한 리드 타임 단축은 비용을 절감할 수 있는 상당한 기회를 제공하여 적층제조의 향후 많은 발전가능성을 기대할 수 있다.

항공우주 분야의 금속 적층제조는 국제 표준 ISO/ASTM 52900에 의해 분류된 DED(Directed Energy Deposition) 및 PBF(Powder Bed fusion) 공정 방법을 주로 사용하고 있으며, 두 방식을 통해 거의 고밀도로 금속 구성 요소를 제조할 수 있다. PBF 방식은 파워소스에 따라 레이저 방식과 전자빔(E-beam) 방식으로 분류된다.

▲ PBF 방식 적층제조 제품(GE/트럼프)

이번 전시회에서 레이저 방식의 장비 제조사로는 GE Additive(Concept Laser), 트럼프(Trumpf), 3D시스템즈(Systems), EOS, Velo3D 등의 업체가 출품해 전시하였고, 전자빔 방식의 제조사로는 GE Additive(Arcam), Pro-beam, JEOL 등의 업체가 참가하여 적층제조로 제작한 다양한 제품들을 선보였다.

후공정 분야에서는 파우더제거 자동화 업체인 SOLUKON과 신규업체인 Addiblast가 적층 제조 분야에 전념하는 FerroECOBlast의 새로운 브랜드를 출시하며 적층제조를 위한 가장 진보된 후처리 솔루션을 선보였다. 사용된 재료에 관계없이 보다 효율적인 분말 제거, 분말 재활용 및 3D프린팅 제품의 표면 처리를 위한 핵심 프로세스의 최첨단 자동화 솔루션을 제시하였다. 그리고 MMP Technology社의 디버링과 폴리싱 공정은 균일하고 반복 재현이 가능한 고품질의 표면처리가 적층제조에 있어 얼마나 중요한지 보여줬다.

▲ 디파우더링 시연 및 폴리싱 전 후 비교 시연(Addiblast/MMP)

공급망 단순화·물류 이점 등 리드타임 단축 비용 절감 효과적
Ti·Ni·Al 등 전용 소재 출시 확대, 품질관리 핵심 후공정 자동화 트렌드

3D프린팅용 금속 재료는 다양하지만 현재 사용되는 가장 일반적인 금속은 알루미늄, 타이타늄, 니켈 및 철 기반 초내열 합금, 구리합금, 코발트합금, 내화합금 및 스테인리스강 등이 있다. 이들 대부분은 합금분말 또는 와이어 형태로, 원하는 부품 용도에 따라 특정 용도 및 성능이 다른 재료에 비해 더 많이 요구된다.

전시회 첫날 방문한 캐나다 퀘백에 위치한 테크나(TEKNA)는 최적의 생산 비용으로 높은 유동성, 고밀도 및 고순도가 장점인 적층제조용 고품질 분말을 생산한다. 이는 지난 30년 동안 테크나가 개발하고 특허를 확보한 RF 플라즈마 기술이 기반이 된다. 보잉이 적층제조 분말에 대해 처음으로 인증한 공급업체로 에어버스社에도 타이타늄 합금분말을 공급한다. 이번 전시회에서 새롭게 선보인 파우더 공급용 컨테이너는 분말 공급에 대한 새로운 방안을 제시했다.

▲ RF 플라즈마 기술로 제조한 분말의 높은 유동성 시연 및 파우더 공급용 컨테이너(테크나)

또한, 전시회에 참가한 여러 분말 공급업체들의 타이타늄 및 니켈 기반 초내열합금 외의 다양한 재료는 적층제조 및 후처리 방법을 강조하면서 새로운 기술들을 선보였으며, 특히 알루미늄 합금에 대한 참가업체들의 제품들은 눈여겨 볼만 하였다.

캐나다 equispheres社의 고성능 알루미늄 분말은 레이저 파워를 1kw, 적층두께 120um의 최적 공정파라미터를 적용하여 더 많은 부품을 더 강력하고 더 가볍고 빠르게 프린팅하여 부품 생산 비용을 50% 절감할 수 있다고 한다. 러시아 최대의 알루미늄 분말 생산업체인 RUSAL은 러시아 항공기 제작업체에 주로 공급하고 있다고 하며 다양한 조성 및 특성의 고강도 알루미늄 분말합금을 선보였다.

프랑스 파리에 본사를 두고 있는 Constellium은 군용 항공기 및 비즈니스 제트기 제조업체로서 프랑스 항공우주 회사인 Dassault Aviation과의 협업을 통해 항공우주 복합 금속 부품의 적층 제조를 위한 산업용 파일럿 라인을 개발, 인증 및 구현하는 것을 목표로 적층제조한 알루미늄 시편을 다양하게 표면처리해 전시했다.

▲ 적층제조 된 알루미늄 시편의 아노다이징 샘플(Constellium)

지난 8월 NASA의 마셜 우주비행센터와 공동으로 개발한 기술 실증 임무인 Redwire Regolith Printer(RRP) 프로젝트가 포퓰라 사이언스의 우주항공부에서 혁신적인 기술과 제품으로 선정되었다. 이 프로젝트는 국제우주정거장(ISS)에 있는 RRP 장비를 사용하여 레골리스 공급원료 재료를 사용한 융합 증착 모델링 3D프린팅 프로세스의 핵심 구성요소를 시연한 것이다.

달의 표토 혹은 먼지와 흡사한 실리카+알루미나분말로 무중력 상태의 우주정거장에서 미래 달기지 건축에 필요한 벽돌을 제조하는데 성공했다고 한다. RRP 기술은 궁극적으로 지역 재료를 사용하여 달 표면에서 인프라 및 임무에 필요한 장비를 제조함으로써 향후 Artemis 임무를 위한 발사 무게를 줄이는 것을 목적으로 한다. 이것은 NASA가 생각하는 것으로 지역 재료를 사용하여 달에서의 필요한 구조물들을 3D프린팅 하면 3D프린터와 기타 소모품만 우주선으로 배송하면 되는 것이다.

▲ 필요한 물품을 우주에서 적층제조하는 Redwire Regolith Print(RRP)

지난 수십 년 동안 적층제조기술은 기존 제조 방식보다 훨씬 리드 타임으로 복잡한 부품을 직접 제조할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 그러나 이러한 새로운 공정에 사용된 소재가 항상 현재의 기술에 적합하다고 할 수는 없다. 향후 적층제조 기술에 적합한 소재가 개발되면 미래 성장 가능성은 무궁무진 할 것으로 기대한다.

▲ DED 및 WAAM 방식 적층제조 제품(laserline)