항공우주 제조업에서 3D 프린팅을 도입하다

항공우주 제조업의 본질은 변하고 있으며, 공급 체인 또한 함께 변하고 있다. 이전에 설계도, 감독관 및 조립 라인이 있었던 곳에 이제는 CAD 파일, 예측 분석 및 사이버 물리적 시스템이 자리한다. 디지털 기술이 제조와 공급 체인의 전통적인 작동 방식을 방해하고 있지만, 새로운 효율성이 우리가 한 세대 전에 꿈꿔왔던 그 어떤 것보다 훨씬 더 흥미롭고 포괄적이다.

적층 제조

항공우주 분야의 가장 유망한 발전 분야 중 하나는 적층 제조(AM)이다. 3D 프린팅이라고도 하는 AM은 폴리머, 복합 재료, 금속 및 기타 재료를 사용하여 층별로 객체를 생성하는 제조 방법이다. 디지털 디자인 파일은 개별 레이어로 분할되며, 이 레이어는 최종 객체가 완료될 때까지 다른 레이어 위에 인쇄된다. AM을 사용하여 프린팅한 부품은 대개 후처리 또는 가공이 거의 필요하지 않으며 기존의 제조 방법보다 폐기물이 훨씬 적다.

“추가 제조는 효율적이고 혁신적이며 가벼운 항공기 부품으로 항공우주 제조업체와 공급 체인을 혼란스럽게 하고 있다.”

적층 제조는 새로운 것이 아니다. 1980년대 초반 이후로 어떤 형태로든 존재해 오긴 하였다. 사실, 항공 우주 산업에 새로운 것 또한 아니다. 일찍이 1988년에 항공우주 및 방위산업이 적층 제조 방식을 실험해왔다. 그러나 최근까지 기술이 발전하여 AM이 항공우주와 국방 분야에 중요한 방법으로 사용될 수 있는 방법에 대해 현실적인 대화를 시작할 수 있게 되었다. 항공우주산업이 이미 이 기술을 채택하지 않았다는 뜻은 아니다. 사실, A&D 산업은 AM을 사용하는 가장 큰 단일 산업으로서 2016년 AM의 64억 달러 매출의 약 18%를 차지한다. 그러나 전 세계적으로 약 2조 달러에 달하는 산업 부문의 경우 AM에 10억 달러의 투자는 양동이의 감소를 나타낸다.

항공우주산업이 적층 제조를 사용하는 방법

적층 제조는 신속한 시제품 제작 및 컨셉 모델링을 위해 사용되지만, 상용 애플리케이션은 팔걸이 같은 단순한 내부 부품에서 엔진 구성 요소와 같이 복잡하고 매우 중요한 부품에 이르기까지 매우 다양하다. 이러한 애플리케이션은 널리 보급되어 있지는 않지만, 3D 프린팅 부품을 성공적으로 구현할 때마다 업계 전체적으로 AM이 부가 가치를 제공할 수 있는 기회를 모색할 수 있는 더욱 강력한 사례가 된다.

적층 제조는 A&D 산업에서 상당한 이점을 제공하여 효율성을 높이고 비용을 절감하는 동시에 설계 및 공급망 구조의 유연성을 높일 수 있다.



비용 절감

AM을 사용하여 부품을 생산하면 비용을 최대 50% 절감할 수 있다. 기존 제조 방식은 규모의 경제를 기반으로 하지만 AM은 비용 부족 없이 적은 양으로 운영할 수 있어 이점이 있다. 따라서 AM은 구형 또는 찾기 어려운 교체 부품을 만드는 데 이상적이다. 또한 보다 복잡한 부품을 프린팅할 경우 비용이 증가하지 않으므로 AM의 경쟁력은 매우 높다.

현재 AM의 재료 비용은 기존 제조 방식에 사용된 것보다 상당히 높다. 예를 들어 AM에 사용되는 스테인리스강의 가격은 평방 센티미터 당 약 8달러이며 이는 기존의 제조 방법에 사용된 상업용 스테인리스강의 100배 이상이다. 그러나 AM과 기존의 제조업이 운영하는 부피는 정반대이다. 또한 AM 소재는 사용 범위가 확대되면서 비용이 크게 절감될 것이다.

디자인 혁신 촉진

AM은 기존의 제조 방법을 사용하여 이전에 제작한 부품을 인쇄하고 조립하는 데 그치지 않고, 기존의 제조 기법을 사용하여 생산하기 어렵거나 불가능한 부품을 만드는 기술을 사용하여 재설계한다. LEAP 엔진 라인의 경우, GE 3D 프린팅 연료 노즐은 노즐을 만드는 데 사용되는 구성 요소의 수를 18개에서 1개로 줄였으며, 이로 인해 노즐은 25% 더 가볍고, 5배 더 내구성이 뛰어났으며, 연료 효율이 15% 향상되었다.

중량 감소

적층 가공법은 부품의 무게를 60% 이상 줄일 수 있다. 이것들 중 일부는 가벼운 재료의 사용에 기인할 수 있지만, 큰 요소는 AM이 가능하게 만든 디자인 혁신이다. 레이어별로 부품을 프린팅하면 격자 구조나 벌집형 구조를 활용하고 캐비티를 그대로 유지하여 부품의 총 중량을 크게 줄이는 동시에 동일한 강도와 내구성을 유지할 수 있다. 에어버스는 A350의 모든 가능한 구성 요소를 3D 프린팅하면 항공기의 무게를 1톤 이상 줄일 수 있을 것으로 추정했다.

출시 시기 단축

신속한 시제품 제작에 널리 사용되기 때문에 AM의 가장 강력한 장점 중 하나가 속도라는 사실은 놀랄 일이 아니다. AM은 출시 기간을 최대 64% 단축하는 것으로 나타났다. 적층 가공법을 이용해 세계에서 가장 큰 단일 부품 솔리드 객체라는 점 외에도 Boeing의 777x 윙-트림 공구는 불과 30시간 만에 제작되었으며, 이는 3개월 평균 제작에 비해 엄청난 향상이다.

폐기물 감소, 환경 개선

기존 가공 방식은 폐기물의 양이 매우 많아 고철률이 90%에 이를 수 있다. 적층 제조는 초기에는 원재료를 훨씬 적게 사용하며, 부품을 프린팅하면 공구가 제한되므로 재료 폐기물은 최대 10%까지 줄일 수 있다. Airbus는 AM의 자체 용도에 대한 연구를 논의하면서 3D 프린팅을 사용하면 생산에 사용되는 원료와 에너지를 90%까지 줄일 수 있을 것으로 예상했다.

편리성

가용성과 가격 다음으로, 필요한 부품을 납품할 수 있는 속도는 OEM 또는 MRO의 가장 중요한 결정 요소 중 하나이다. AM을 사용하면 최종 목적지에 가장 가깝고 가장 편리한 시간에 부품을 프린팅할 수 있다.

높은 사용자 지정

적층 가공법을 사용하면 부품을 상당히 쉽게 개조할 수 있으며 각 사용자의 특정 요구에 맞게 완벽하게 조정할 수 있다. 전통적인 제조업에서는 이런 유형의 맞춤화는 불가능하다. AM은 물론 대규모 운영이든 일회 생산이든 간에 상당한 추가 비용이 추가되지는 않는다.

일관된 품질

의심할 여지 없이 항공우주 산업의 최우선 과제는 안전이다. 이것이 엄격한 인증 표준과 강박적인 정밀도 이면에 있다. AM이 진정한 기회를 가지려면 정확성과 재생성이 크게 개선되어야 한다. 다시 말해서, 그것은 완벽에 가까워지고 매번 똑같은 완벽한 결과를 낼 필요가 있다. 현재 대부분의 금속 AM 기계는 30~40미크론의 정확도를 낼 수 있는 반면, 대부분의 항공우주 기업의 허용오차는 10미크론 미만이다. 이러한 경우 초과를 기계로 처리하여 AM 프로세스에 추가 단계를 추가해야 한다.

크기 제한

AM은 소형 부품에서 매우 잘 작동하지만, 누구나 비행기가 대형 부품을 많이 보유하고 있다고 말할 수 있다. AM은 아직 이 분야에서 경쟁력이 없다. AM을 사용해 만든 가장 큰 부품은 길이 17.5피트, 폭 5.5피트, 높이 1.5피트이며, 대형 스포츠 유틸리티 차량의 약 길이로 약 1,650파운드가 나간다. 211피트에 있는 보잉 747기의 날개폭과 비교해보면 꽤 큰 차이가 있다.

이 모든 것 외에도, 업계는 AM 채택을 늘리기 위해 공정이 현재 공급망에 어떻게 적합할 수 있는지 또는 현재의 공급 체인이 어떻게 전환되어야 하는지를 파악해야 한다.

항공우주 분야에서 적층제조(AM)의 가장 가능성이 높은 시나리오는 기존의 제조 방식을 대체하는 것이 아니라 보완하는 것이다. AM 구현에 대한 망설임 중 대부분은 2진법 대화에서 비롯된다. 즉, 기존의 제조 방식이거나 적층 제조 방식이다.

현실은 두 가지 제조 형태 모두에 대한 큰 논쟁이 있고, 두 가지 모두를 동시에 구현함으로써, 산업은 고도로 다양한 사용자 기반의 요구에 더 잘 부응할 수 있으며, 대규모 프로그램을 위한 일관된 대량 생산 부품을 지속적으로 제공할 수 있다는 것이다. 항공 모함 프로그램, 비즈니스 및 민간 항공기 등은 많은 투자를 필요로 하지 않기 때문에 대부분의 제조업체들이 AM 프린터 몇 개를 위한 공간을 마련하면서 기존 장비를 보존할 수 있다. 또한 이를 통해 제조업체는 기술 발전에 따라 AM이 계속 확장될 확률을 명확하게 준비하기 위해 기술의 세부 사항에 더 익숙해질 수 있다.

항공우주 부품 유통업체인 Propositive는 적층 제조 기법이 고객에게 제공할 수 있는 추가적인 가치를 기대하고 있다. 우리는 항공우주 분야의 모든 문제가 독특하다는 것을 알고 있다. AM은 유연하고 맞춤화된 솔루션이 가능한 한 구체적이고 정확하게 각 문제를 해결할 수 있도록 해주는 혁신적인 방법처럼 보인다.

출처: ManufacturingTomorrow
번역: K-SmartFactory