한국생산기술연구원

- 직경 640㎜ 티타늄 고압용기, –196℃ 극저온 환경에서 330bar 입증압 시험 통과

- 실제 운용 조건에서의 3D프린팅 신뢰성 입증, 항공․우주 분야 활용 기대

□ 정부출연연구기관과 대학, 기업으로 구성된 공동 연구팀이 3D프린팅 기술로 제작한 대형 티타늄 합금(Ti64) 용기가 –196℃의 액체질소로 냉각한 극저온 조건에서 330bar의 고압을 견디는 시험에 성공했다.

ㅇ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)은 한국항공우주연구원, 케이피항공산업㈜, ㈜에이엠솔루션즈, 한양대학교와의 공동연구를 통해 개발한 대형 금속 압력용기가 극저온 환경에서 고압 조건의 내압 시험을 세계 최초로 통과했다고 밝혔다. 

□ 우주발사체 및 위성에 탑재되는 고압용기는 액체연료와 추진제의 저장·공급, 자세제어용 가스의 고압 상태를 유지하기 위한 핵심 부품이다.

ㅇ 고강도이면서 가볍고, 추진제 탱크의 극저온 환경에서도 안정적 성능을 유지할 수 있어야 해 티타늄 합금이 주요 소재로 활용된다.

ㅇ 그런데 티타늄 합금 용기를 기존 주조 및 단조 방식으로 제작할 경우 대형 제품 제작 시 소재 수급이 어렵고, 설계상 제약 때문에 비용과 납기가 늘어나는 문제가 있었다. 

□ 공동연구팀은 형상과 크기에 제약 없는 맞춤형 생산체계를 구현해 소재 효율성을 높이고, 후처리 공정과 제작비용을 줄이고자 적층제조 공정을 도입했다. 

ㅇ 먼저 생기원 3D프린팅제조혁신센터 이협 수석연구원 연구팀은 레이저 및 금속 와이어를 사용하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식의 적층제조 공정으로 직경 640㎜, 크기 130L급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다. 

ㅇ 연구팀은 특히 공정 중 실시간 모니터링을 통해 적층 품질을 정밀하게 제어하고, 구조 특성과 열변형을 반영한 적층 경로 최적화 기법으로 대형 용기의 형상 정밀도와 기계적 물성을 동시에 확보했다.

ㅇ 이어 두 개의 반구형 티타늄 부품을 각각 적층 제조한 후 열처리·정밀 가공·용접 공정을 순차 적용해 우주 환경에서의 부품 요구 품질을 만족하는 일체형 고압용기를 완성하는 데 성공했다. 

□ 한국항공우주연구원은 극저온 시험을 주관, 용기 내부를 –196℃의 액체질소로 냉각한 뒤 330bar의 입증 압력까지 단계적으로 가압하는 방식으로 내압 성능을 평가했다.

ㅇ 용기 표면에 부착된 변형률 센서와 온도 센서, 영상 시스템을 활용해 정밀 계측한 결과 구조 해석 수치와 일치하는 용기 성능을 기록한 것으로 나타났다. 

□ 생기원 이협 수석연구원은 “실증을 통해 실제 운용 조건을 모사한 극저온 및 고압 조건에서도 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보할 수 있음을 입증했다”고 말하며, “다양한 우주항공 응용 분야에 적층제조 기술을 적극 활용할 수 있는 기반을 구축했다는 데 의미가 있다”고 밝혔다.

ㅇ 항우연 김현준 책임연구원은 “공동연구팀과 지속적으로 협력해 운용압에서 반복 가압 시험을 진행해 우주부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획이다”라고 밝혔다.