3D 프린터로 제작한 가스 터빈 블레이드

Siemems의 엔지니어들은 효율적인 방법으로 가스 터빈을 제조하고자 노력하였다. 최근 Siemems는 가스 터빈에서 적층가공된 가스 터빈 블레이드를 최대 출력으로 테스트하는 데에 성공하였다.

비테 크리스트만(Beate Christmann)

가스 터빈 블레이드는 혹독한 조건을 잘 견뎌야 하기 때문에, 그에 따른 제작 방법도 상당히 까다롭다. Siemems는 사내 잡지인 ‚Picture of the Furture‘에 3D 프린팅으로 제작한 블레이드를 가스 터빈의 실제 사용 조건에서 테스트하는 데에 성공했다고 기술하였다. 이 적층 가공 가스터빈 블레이드는 터빈 운전 시 발생하는 높은 압력과 극심한 온도 그리고 원심력에도 잘 견딜 수 있다. 이 블레이드는 최대 출력에서 1,600km/h의 속도로 회전하여 Boeing 727보다 두 배 정도 빠르게 비행할 수 있다. 또한 이 블레이드는 11t의 부하를 지탱할 수 있는데, 이는 만석인 런던의 2층 버스 무게에 해당한다. 이 블레이드는 최대 출력으로 터빈 운전 시 1,250°C의 뜨거운 가스로 둘러싸이기 때문에 높은 열에도 잘 견뎌야 한다.

지금까지 가스터빈용 블레이드는 주조 또는 단조 방식으로 제작했었다. 터빈 블레이드를 주조 기술로 제작하면 개별적으로 사전 작업이 진행되어 번거롭고, 시간과 비용이 많이 들었다. AM(Additive Manufacturing, 적층 가공)의 경우는 다르다. AM 방식은 레이저를 금속 분말의 미세한 층에 쏘아 분말을 가열 용융하며, 레이저를 다시 제거하는 방식으로 금속을 소결하여 3D 프린터에서 블레이드 모델이 완성될 때까지 이 절차를 층층이 반복한다. 이때 프린팅되는 터빈 블레이드는 다결정 니켈을 포함한 분말 형태의 내고온성 수퍼 합금으로 제작된다.

Siemems 개발자들은 3D 프린팅으로 제작된 가스터빈 블레이드를 가스 터빈 안에 장착하여 최고 부하에서 테스트하였다.

프로토타입 제작 시간을 줄이다

„3D 적층 기술은 그 동안 우리가 제조하는 유형과 방법을 모두 바꾸었습니다. 이 AM 기술을 이용하면 프로토타입을 최대 90% 더 빠르게 개발할 수 있습니다.“(빌리 마익스너, Siemens Power ans Gas Division CEO) 이 팀은 적층 가공을 통해 설계에서 새 가스터빈 블레이드의 제작까지 2년 걸리던 것을 2개월로 단축하는 목표를 세웠다. „우리는 효율이 좋고 가용성이 향상된 새로운 가스터빈의 개발 시간을 가속화할 수 있었습니다. 뿐만 아니라 고객의 요건에 맞추어 개발하고, 개별적인 예비 부품을 납품할 수 있는 새로운 유연성도 생겼습니다.“

스웨덴의 핀스퐁, 영국의 링컨 그리고 베를린에서 온 Siemems 엔지니어들로 구성된 국제적인 프로젝트 팀은 영국의 3D 프린팅 업체 Materials Solutions와 함께 18개월 안에 가스터빈 블레이드의 적층 가공 프로세스 체인, 즉 개별 콤포넌트 디자인에서 재료 개발과 새로운 품질 점검 방법, 콤포넌트 수명 시뮬레이션에 이르기까지 전체 가공 프로세스 개발을 목표로 하였다. 이들은 적층 가공된 가스터빈 블레이드를 테스트하기 위해 출력이 13MW인 SGT-400 타입 산업용 가스 터빈을 설치하였고, 완전히 개조한 내부 냉각 지오메트리를 갖춘, AM 기술로 제작한 새로운 디자인의 터빈을 테스트하였다.