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금속 3D프린팅 기술로 우주 발사체용 추진제 탱크 제작 가능해진다

- 생기원 3D프린팅제조혁신센터가 시제품 제작, 항우연 성능평가 마쳐

- 지난해 10월 체결한‘생기원-항우연 항공우주부품 제조자립 업무협약’결실

□ 최근 진입장벽이 높다고 여겨졌던 항공우주부품 분야에도 3D프린팅과 같은 첨단 제조기술 적용이 늘고 있다. 3D프린팅은 부품제작 비용과 시간을 줄이면서도, 복잡한 형상 제작에 적합하기 때문이다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원) 3D프린팅제조혁신센터 손용박사 연구팀이 금속 3D프린팅 기술로 우주 발사체용 추진제 탱크의 시제품 제작에 성공했다.

ㅇ 해당 제품은 한국항공우주연구원(원장 이상률, 이하 항우연) 미래발사체연구단의 성능평가에 합격하면서 상용화 기대감을 높였다.

ㅇ 이는 지난 2020년 10월 16일에 한국생산기술연구원-한국항공우주연구원간 체결된 ‘항공우주부품 제조자립 업무협약’의 성과다.

□ 생기원이 개발한 시제품은 금속 3D프린팅 기술을 적용해 두 개의 탱크를 한데 합친 공통격벽*(두 개의 구(球)형이 위아래로 겹쳐진 형상) 형태로 구현해 냈다.

ㅇ 기존의 발사체용 추진제 탱크는 ‘산화제’와 ‘연료’ 탱크를 별도로 제작해 이어붙인 ‘숫자 8’의 형태로, 불필요한 여백이 생기고 부피도 커서 공간 효율성이 떨어졌다.

ㅇ 손 박사 연구팀은 하나의 탱크 벽면 위에 또 다른 탱크를 바로 겹쳐 쌓아 올리는 제작 기법을 고안했다. 이는 소형발사체 상단 설계 시 공간 효율성은 12% 높이고, 부품무게는 27% 낮춰 경량화에 크게 기여했다.

□ 연구팀은 복잡한 형상 구현을 위해 DED*(Directed Energy Deposition, 직접 에너지 적층)방식의 금속 3D프린팅 기술을 적용했다.

ㅇ DED방식은 공정 시간이 길어질 경우 열 누적으로 인해 제작품의 열변형을 일으킬 수 있어, 기존에는 주로 소요시간이 짧은 파손 부품의 보수 등에만 사용되어 왔다.

ㅇ 이번에는 DED방식에 실시간으로 공정 모니터링을 더해, 공정 변수를 적절히 제어하는 기술을 적용함으로써 제작시간이 긴 추진제 탱크 부품을 고품질로 제작하는데 성공할 수 있었다.

* DED*(Directed Energy Deposition, 직접 에너지 적층): 금속 분말이나 와이어를 공급하고 레이저를 이용해 급속 응고시켜 적층하는 방법

□ 생기원이 개발한 공통격벽 구조의 축소된 추진제 탱크는 항우연 미래발사체연구단의 30bar의 내압 성능평가에서 합격점을 받았다.

ㅇ 이는 3D프린팅 기술이 시제품 제작 수준을 넘어서 실제 현장에 적용하는 상용화 단계까지 도달했음이 검증된 것이다.

ㅇ 향후 3D프린팅 기술이 성형, 용접 및 절삭 등의 전통적 우주발사체 탱크 생산방식을 대체하고, 구조 설계의 자유도 향상, 공정 자동화, 제작 기간 단축 등의 효과를 이끌어 낼 것으로 기대된다.

□ 생기원 손용 박사는“국외에서는 이미 다품종 소량생산의 맞춤형 항공우주부품 제작에 3D프린팅 기술이 적극적으로 활용되고 있다.”며, “점차 고성능 엔진, 대형 구조 부품 등으로 그 적용 범위가 확대되는 가운데 생기원과 항우연의 지속적 협력을 통해 3D프린팅 기술을 적용한 항공우주 부품 개발과 제조산업의 혁신을 앞당길 것”이라고 밝혔다.