위상최적화와 DMP(Direct Metal Printing) 기술의 융합으로 재해석된 GE의 항공기 엔진 브라켓

Frustum Inc.의 기술과 3D Systems의 Direct Metal Printing 전문기술이 융합되어 재설계한 항공기 브라켓이 기술적인 요구사항을 충족하면서 중량을 70% 경량화하였다.

감수: 3D Systems 전효승 기술지원 엔지니어

산업 혁명 이래 파트의 설계와 제조상의 제약조건 사이의 균형을 잡는 난제는 항상 존재해 왔다. 현존하는 제조 기술로 복잡한 구조나 파트들이 서로 유기적인 요소를 갖춘 형상을 만들어 내는 데에는 비용적인 측면에서 제한적인 성능을 가지고 있기 때문에, 설계 엔지니어들은 종종 기능이냐 성능이냐의 사이에서 기능과 성능을 균형적으로 설계하여야 했다. 또한 생산 제조 엔지니어와 관리자들은 성능과 생산공정 단축이라는 전제조건에 따라 제한적인 선택적 결정과 생산을 하게 된다.

DMP(Direct Metal Printing)라는 3D 프린팅 기술은 형상의 복잡성에 따른 비용 증가와 제품 구현의 난제 같은 기존 제조기술이 가진 제약적 조건을 봉인해제하고 자유로운 설계와 실현 가능한 제조 방법의 대안으로 자리잡았다. 이에 따라 최근에, 최종 제품 양산을 목적으로 “설계 최적화“과정을 거친 설계 부품을 “금속 프린팅”으로 양산하는 공정이나 성능 검증 프로젝트들이 시도되어 그 실현 가능성과 효율성을 입증하고 있다. 즉, 3D프린팅을 이용한 첨삭가공을 통해 모델링이 곧 제조품이 되는 것이다.

항공분야는 헬스케어 인더스트리어에 이어 두 번째로 3D 프린터를 이용한 첨삭 가공 기술과 공정의 도입이 가장 활발한 산업군이다. 보잉, GE 항공(GE Aviation), 록히드 마틴, 에어버스, BAE 시스템즈 등은 항공 및 우주 부품의 고부가가치 부품을 플라스틱 또는 금속 첨삭 가공으로 제작하여 기능, 성능, 생산 효율성을 검증하는 테스트베드 프로젝트로 성과를 만들어가고 양산계획들을 단계적으로 실현해 가고 있다.

세계 최대규모의 항공엔진을 생산하는 GE의 경우 가장 적극적으로3D 프린터 기반의 첨삭가공기술 기반 생산혁신을 구현해 나가고 있다. 2013년 500억을 투자하여 알라바마에 AM Plant(첨삭 가공 공장)를 구축했다. 알라바마에 위치한 GE Excellence는 금속 3D프린터를 이용한 연료 노즐 생산 성능과 공정을 검증하는 테스트베드 프로젝트를 운영하고 차세대 LEAP 엔진의 연료 노즐을 코발트 크롬 재료를 이용한 3D 금속 프린터로 양산을 계획하고 있다. 2020년까지 10만개 연료노즐 양산을 목표로 두고 있다. 또한, 올해 피츠버그에 300억을 투자해서 최초로 3D프린팅 생산 공장(additive manufacturing center)을 오픈했다. GE의 생산혁신을 위한 이러한 광폭행보에는 잠재적인 기술의 가능성을 현실화하는 다양한 테스트베드 프로젝트 운영과 혁신을 이끄는 적극적인 투자가 함께 한다.

 

GE 항공 엔진 브라켓의 최적화 설계 및 생산 도전

GE는 항공기 연료 노즐 생산을 기존공법에서 3D프린팅 가공방식으로 변경하면서 설계 최적화 기술을 적용하여 20개가 넘는 부품을 단일 부품화하고, 연료 효율성을 높였다는 평가를 발표했다. 이어 항공기에 들어가는 많은 부품 중 Engine bracket(엔진 브라켓)을 경량화하면서 강성과 내구성을 높이는 프로젝트를 시행하였다. 엔진 브라켓은 제트 엔진의 중요한 부품 중 하나로 엔진의 중량을 바쳐주는 역할을 할 뿐만 아니라 운항 중에는 상당한 진동을 견뎌 내야 하는 부품이다. 항공기의 많은 부품들이 주조 생산되면서 엄청난 중량은 안고 운항하게 되는데, 중량의 문제는 단순 생산 원가의 문제뿐 아니라 항공기 운영 연료비를 포함한 전체적인 제품 생명 주기의 기계 장치의 전체 운영과 관리비용 증가 유발 요인이 되고 있다. 65 Metric Ton중량으로 비행하는 보잉737에서 1파운드만 경량화되어도 연간 수 십만 달러를 절약하는 경제 효과가 유발된다. 보잉의 추정 계산에 의하면 중요 부품 하나의 디자인 변경으로 산업전반에 걸쳐 천 만 달러의 절약 경제 효과를 도출 할 수 있다고 한다.

jet-engine-ge-bracket-challenge-2 (Maschinenmarkt)

GE의 오픈 프로젝트로 진행된 “ 항공기 브라켓 도전”과제는 항공기 브라켓의 하중을 줄이면서 동시에 이송과 엔진 가동 중에 항공기의 하중을 지탱하고 운항 중에 발생하는 진동을 견디는 기능적 요구사항을 만족할 수 있도록 일정한 강도를 유지해야 했다. GE의 항공 엔진 브라켓 최적화 설계 및 제조라는 도전에는 최적화 소프트웨어 업체인 FRUSTUM과3D 프린터 제조사인 3D SYSTEMS가 함께 팀웍의 진가를 발휘했다.

GE의 항공기 브라켓의 경우, Frustum의 소프트웨어에서 원본 CAD File을 가지고 Topology Optimization(위상 최적화)작업을 수행하고 STL 파일을 만들었다.

위상 최적화 용도의FRUSTUM 소프트웨어를 이용해서 브라켓의 로딩 컨디션과 인터페이스 설정을 구속조건으로 스트레스 응력을 부분적으로 줄이면서 형상과 중량간의 최적화 함수를 찾아 최적의 기하형상을 최소중량으로 구현할 수 있는 블라켓 형상을 도출할 수 있었다. 추가적으로 양산을 위한 최적화 형상의 도출을 위해3D SYSTEMS의 제조 전문 서비스팀인 Quick Parts 전문 엔지니어가 함께 참여하였다. 금속 프린팅의 경우 플라스틱 프린터보다는 출력 파라미터의 조건들이 복잡하여 실제로 선정된 재료의 특징과 형상의 특징에 따라 제조 파라미터를 다양하게 대응할 필요가 있다. 3D 프린팅 과정에서 응력으로 인한 파트의 변형 또는 간섭 현상으로 인한 크래쉬를 예방할 수 있는 추가적인 설계 조정 작업을 착수하였다. 3D Systems는 파트가 최적의 물성과 허용 공차에서 생산될 수 있도록 변형의 잠재적 요인을 파악하고 공정과 재료 선정, 그리고 최적의 성형 방향에 대한 제조 자문을 제공했다. 제품은 3D Systems의 ProX™ DMP 320 시스템으로 티타늄재료를 이용하여 제조되었다.

 

2016년 1월 초에 출시된 ProX DMP 320과 Quick Parts팀은 항공기 브라켓의 하중과 강도의 관계를 최적화하는데 다양한 역량을 발휘했다. 50만 번이 넘는 부품 제조 테스트를 거쳐3D Systems가 개발한 프리셋 제조 파라미터를 이용해서 거의 모든 형상에서 예측 가능하고 일관성 있는 프린트 품질을 제공할 수 있었다. ProX DMP 320은 완전히 새로운 구성의 금속 프린터 시스템으로 기존 금속 프린터들의 복잡한 구성을 상대적으로 단순화하였고, 티타늄, 스테인레스 강, 니켈 초합금 등의 다양한 금속재료를 이용하여 파트 형상 제조를 지원한다. 가장 중요한 점은 프린트된 모든 파트가 검증된 물성과 밀도, 화학적 순도를 가질 수 있도록 진공 챔버를 정밀하게 제어하고 챔버 내의 산소 포화도를 25mmp로 일정하게 관리하여 금속 부품의 양산을 위한 최적의 대기 조건을 제공한다. 특히 브라켓과 같은 다양한 항공기 부품의 경우 주로 티타늄과 같은 리액티브 재료를 가지고 부품을 양산하는데 이러한 대기 조건의 관리는 부품의 품질과 안전 문제와 연결되어 더욱 중요하다. 듀얼 피딩시스템 또한 재료 공급과 레이어링 과정을 두 배로 빠르게 진행하여 브라켓의 가공 속도를 다른 프린터 보다 상대적으로 신속하게 진행하는데 도움이 되었다.