금속 프린터 활용한 유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

적층 제조 기술(AM)을 최대로 활용한다는 것은 단순히 프린터를 잘 작동하는 것만을 의미하지는 않습니다.

 

다른 기술과 마찬가지로, 공정에 대한 지식이 깊을수록 프로세스 과정에서 더 많은 것을 얻을 수 있고 관련된 응용 프로그램을 더 많이 개발할 수 있습니다.

 

자동차와 모터스포츠, 항공우주, 에너지 및 그 외 적층 제조(AM) 기술 채택을 주도하고 있는 다양한 산업에서, 유체 흐름 애플리케이션보다 역동성을 더 잘 보여주는 분야는 없을 것입니다.

 

적층 제조(AM) 기술로 성능, 효율성, 신뢰성 면에서 우수한 유체 흐름 시스템을 만들 수 있다. 최근 3D시스템즈는 무료로 다운 가능한 eBook에서 유체 흐름 시스템용 적층 기술 어플리케이션을 소개하고 성능 개선에서 경량화에 이르는 다양한 분야에서의 광범위한 이점을 소개하였습니다.

 

      

                                     
                                               DMP 금속 프린터로 제작한 연료 노즐

 

 

디자인 자유도

 

유체 흐름 에플리케이션을 위한 적층 제조의 다양한 이점은 설계 와도 밀접한 관련이 있습니다. 

 

적층 제조(AM)는 기존 절삭 방식 제조에 비해 설계 자유도가 뛰어나 복잡한 내부 및 기하학적 구조와 특징을 가진 부품을 제작할 수 있습니다. 

 

요약하자면, 이는 우리가 이제 유체 흐름 적용을 위하여 혁신적이고 더 뛰어난 디자인을 구상할 수 있다는 것을 의미합니다.

 

세계 최대 입자 충돌 가속기(세계 최고 대형 기계)인 거대 하드론 충돌기(LHC)를 운영하는 스위스에 본사를 둔 유럽 조직 CERN은 3D시스템즈 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)과 제휴해 LHC 실험을 위한 티타늄 쿨 바를 재설계하고 제조했습니다. 

 

적층 제조 기술(AM)은 연구용 목적으로 검출 영역을 -40˚C로 냉각시켜 입자 반응을 보존하는 데 사용되는 금속 부품 제작과 관련된 여러 난제를 극복할 수 있도록 지원했습니다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

 

                        LHCb 어셈블리용 3D 프린팅 쿨 바를 설계한 CERN 및 3D 시스템즈

 

 

가장 큰 도전은 제한된 공간이었습니다. 

 

충분한 열을 발산하면서도 제한된 공간에 맞춘 쿨 바를 제작해야 했고 검출기 효율성 및 해상도를 위해 평탄도 사양을 맞추는 동안 길이 140m, 폭 2㎜ 이하의 광 검출 스트립의 길이에 걸쳐 온도 균일성을 달성해야 했습니다.

 

이러한 요건을 바탕으로 완벽한 부품 설계를 구상했다. CERN의 LHCB SciFi Tracker 프로젝트의 리더인 안토니오 펠레그리노는 해당 문건에서 ‘이 디자인은 매우 아름다웠지만, 일반적인 기존 제작 방식으로 제작할 수 없었다’고 설명했습니다.

 

3D 시스템즈의 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)과 CERN은 DMP(Direct Metal Printing) 프린터를 사용하여 티타늄 쿨바를 300개 이상 제조할 수 있었는데, 각각 0.25mm 벽 두께(열 방출을 개선하기 위한 것), 누설 조임성 및 평탄성 50미크론 등 필요한 사양을 충족했습니다.

                                  라멜라 열교환기 설계

 

 

유체 흐름 시스템에서 적층 제조(AM)의 이점은 CERN을 훨씬 넘어 열 교환기에서 통합 냉각, 추진 시스템 및 연료 인젝터, 유체 다지관 및 마이크로 유체 공학에 이르기까지 광범위합니다. 

 

AM은 이러한 모든 유체 흐름 애플리케이션에 대해 한 가지 이상의 방법으로 효율성 향상을 실현하고 있습니다.

 

한편 적층 제조는 기하학적 구조 최적화 덕분에 더 경량화된 구조물을 생산할 수 있다. 이는 중량의 요인으로 운영비가 증가될 가능성이 있는 추진 시스템과 연료 인젝터와 같은 응용 분야에서 특히 중요합니다.

 

예를 들어 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계할 때, 독일 우주 센터(DLR)는 3D 시스템즈 고객 혁신 센터와 협력하여 30개의 부품을 단일 부품으로 통합할 수 있었고, 최종 중량을 최대 10%까지 줄일 수 있었습니다.

 

여기에 통합 설계는 기존 시스템에 존재하는 고장 지점을 제거해 전반적인 시스템 성능을 개선했습니다. 

 

3D 프린터로 제작한 연료 인젝터에는 압력 및 온도 센서 채널과 같은 특정 기능도 통합되어 있어 냉각 및 연소 성능이 우수했다. 이러한 성능 향상 기능은 3D Systems의 DMP(Direct Metal Printing) 기술을 통해 실현 가능했습니다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

 

                                                         DLR의 발화 테스트

 

 

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하고 있는 마르쿠스 쿤은 같은 자료에서 ‘DMP 기술을 활용한 우주 연구 성공을 바탕으로 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두 했을 때 3D 시스템즈 기술은 인젝터 헤드의 제조 설계 측면에 완벽하게 적합하다고 생각했다’고 설명했습니다.

 

단순하고 더 뛰어난 흐름성

 

적층 제조(AM)는 또한 유체 역학을 직접적으로 개선함으로써 유체 흐름 애플리케이션의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 

 

대부분의 기존 제조 공정은 내부 채널을 통해 이동하는 유체가 정체된 구역에 갇힐 수 있기 때문에 모서리 부분이 뾰족한 설계를 선호하는데, 이는 문제가 될 수 있습니다.

 

이는 결국 압력 손실로 이어지고 효율을 떨어뜨린다. 적층 제조(AM)를 위한 설계는 이러한 골치 아픈 설계 특징을 없애고 유체 역학에 최적화된 내부 채널을 만들 수 있습니다. 

 

이러한 이점은 반도체 기계의 유체 다 지관과 연구소에 사용되는 마이크로 유체 소자에서 가장 명확하게 볼 수 있습니다.

 

마찬가지로, 최대 냉각을 달성하기 위해 의도적인 난류를 가진 유체 흐름 시스템을 설계할 수 있습니다. 

 

예를 들어 열 교환기의 경우 내부 난류는 열 전달을 증가시킬 수 있으며, 이는 냉동 기기, 에너지 생성 및 기타 많은 용도에 유용하게 사용됩니다. 

 

전체적으로 적층 제조(AM)는 엔지니어와 유체 흐름 전문가가 제조상의 제약이 아닌 유체 역학으로부터 설계의 기반이 됩니다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

 

                                                 3D 프린터로 제작한 유압 매니폴드

 

 

적층 제조는 유체 흐름 애플리케이션의 상태를 보다 개선하여 부품 통합을 통한 제조 가능성 향상, 중량 감소 및 혼합 효율을 통한 뛰어난 효율성 및 공간 활용도를 제공하고 있습니다. 

 

이는 LHC용 3D 프린팅 금속 쿨바, 연료 인젝터 또는 작은 채널이 있는 플라스틱 마이크로 유체 소자 등 사실상 모든 유체 역학 영역에 해당됩니다.

 

그럼에도 연구 곡선은 새로운 제조공정뿐만 아니라 완전히 새로운 설계 방식까지 포괄하기 때문에 상당히 가파르다고 할 수 있다. 다행히 적층 제조(AM) 기술 도입 장벽 화를 위해 전문가들이 손을 잡고 있습니다.

 

* 출처: http://www.kidd.co.kr/news/219947

    

 

 

 

 

 

 

                                             

 

 

 

3D Systems의 발전된 소재에 대한 접근 가속화 - 새로운 응용 분야 개척

 

- Direct Metal Printing 플랫폼에서 인증된 scalmalloy (A) 및 인증된 M789 (A)의 고강도 내식성 부품의 적층 제조 용이하게 함

- Application Innovation Group 은 고객이 소재를 인증할 수 있도록 지원하는 서비스를 제공하여 혁신 가속화와 출시 기간 단축 실현

 

록힐, 사우스캐롤라이나, 2021년 9월 2일 - 3D Systems (NYSE : DDD) 오늘 업계를 선도할 재료 포트폴리오에 Certified Scalmalloy (A) 및 Certified M789 (A) 를 추가하였습니다. 이 두 가지는 항공 우주, 모터스포츠 및 자동차, 반도체, 에너지 및 금형 제작과 같은 시장에서 추가 응용 분야를 위한 까다로운 산업용 고강도 내식성 부품의 제작을 용이하게 합니다. 이번 새로운 재료의 출시를 통해 고객은 DMP (Direct Metal Printing) 플랫폼에서 금속 적층 제조에 최적화된 고성능 재료를 사용할 수 있습니다. 또한, 3D Systems 는 소재 제조업체인 APWORKS 및 voestalpine BOHLER Edelstahl 과 협력하여 금속 3D 프린팅 기술과 함께 사용할 수 있도록 이러한 소재를 인증했습니다. 이제 고객은 회사의 AIG (Application Innovation Group) 와 협력하여 DMP Flex 350 및 DMP Factory 350 프린터와 함께 사용하기 위해 이러한 소재를 효율적으로 인증할 수 있으며, 그로인해 출시 기간이 단축되어 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다.

Scalmalloy^®

 

Scalmalloy 는 520MPa 의 인장 강도와 480MPa 의 항복 강도를 가진 고강도 알루미늄 합금으로 기준 소재인 AlSi 10Mg 보다 훨씬 더 강력합니다. Scalmalloy 의 고강도는 중량 효율적인 하중 지지 부품을 적층 제조하는 데 이상적입니다. 제조업체는 이 소재를 사용하여 회사의 DMP Flex 350 및 DMP Factory 350 금속 3D 프린터용 3DXpert  소프트웨어에서 사욜할 수 있는 완전히 개발된 빌드 스타일을 통해, 고강도 부식 방지 알루미늄 부품을 생산할 수 있습니다. 또한, Scalmalloy를 사용하여 생산된 부품은 최적의 표면 품질을 가지는 최종 부품을 만들기 위해, 후처리공정 중에 표면 잔여물을 제거하여 화학적으로 세척될 수 있습니다.

이 재료의 이상적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 항공우주 : 수동 RF 부품 (예 : 필터, 도파관 등), 경량 구조 부품
• 모터스포츠 및 자동차 : 금속 구조 부품 (예 : 서스펜션 브래킷, 변속기 케이스), 에너지 및 유페 관리
• 반도체 : 유체 흐름 (예 : 매니폴드), 열 관리 (예 : 냉각 노즐, 웨이퍼 테이블) 

                                                                                                                                           

3D Systems DMP Flex 350 금속 프린터의 Certified Scalmalloy (A) 로 제작된 서스펜션 로커.

 

강도가 높은 이 알루미늄 소재 (금속 적층 제조용으로 특별히 개발됨) 는 고객이 금속 구조 부품의 질량을 더욱 줄일 수 있도록 합니다. 

 

"Scalmalloy의 부품을 적층 제조하는 기능을 당사 포트폴리오에 추가하는 것은 중요한 발전이며, 특히 항공우주 분야에 매우 적합한 것입니다."라고 3D Systems 의 항공우주 및 방위 부문 부사장인 Dr. Michael Shepard 가 말했습니다.  

"Scalmalloy 는 매우 매력적인 강도 대 중량 비율을 가지며 기존의 많은 고강도 알루미늄 합금보다 3D 프린팅에 더 적합합니다. 

이러한 성능 특성은 항공우주 응용 분야에 이상적이며 고객이 3D 프린팅된 Scalmalloy 구성 요소를 사용하여 한계를 혁신으로 계속해서 확장하는 방법을 보게 되어 기쁩니다."

M789 (BÖHLER M789 AMPO)

M789를 사용하면 최대 52HRC 까지 경화될 수 있을 뿐만 아니라, 코발트가 포함되지 않은 고강도 금형 및 툴링을 생산할 수 있습니다. 

3D Systems 는 파트너인 GF Maching Solutions 와의 협력을 통해 DMP 플랫폼에 대한 M789 인증을 획득하여 확장된 적용 분야를 조성하기 위해 단단하고 내부식성인 공구 강철에 대한 고객의 요구를 받아들였습니다. 

출력된 부품은 반복적인 제조 공정의 혹독함과 습도가 높은 지역에서의 사용 모두를 견딜 수 있는 장기적인 사용에 최적입니다.

이 소재의 이상적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 금형 제작 : 등각 냉각 기능이 있는 금형 인서트
• 에너지 : 드릴 비트, 절삭 공구
• 자동차 : 타이어 금형, 구동 트레인 부품, 차축 부품

                                                                                                                                                          

M789(A) 무코발트 공구강에서 금속 적층 제조로 생산된 통풍구용 고강도 몰드 인서트

 

통합된 등각 냉각 채널은 열 방출을 관리하고 균일한 냉각을 달성하며 뒤틀림 및 변형을 줄이면서 전반적인 사출 성형 경제성을 향상시킴

3D Systems 의 운송 및 모터 스포츠 부문 리더인 Kevin Baughey 는 "자동차 업계의 고객들은 혁신을 앞당기고 가속화하기 위해 적층 제조에 점점 더 의존하고 있습니다. 

M789 를 금속 3D 프린팅의 솔루션의 일부로 포함시키면 자동차 고객에게 더 높은 정확도를 제공할 수 있습니다. 

이를 통해 등형 냉각 및 타이어 접지면 금형이 장착된 금형 인서트와 같이 더 높은 정확도와 더 얅은 벽체가 필요한 응용 분야에 기술을 사용할 수 있으며, 경쟁 우위를 제공할 수 있습니다." 라고 말했습니다.

 

9월 13일부터 15일까지 시카고의 McCormick Place 에서 개최되는 RAPID+TCT 2021 에서 참석자들은 부스 E7601 의 3D Systems 를 방문하여 이러한 소재의 장점을 더 자세히 알아볼 수 있습니다. 

방문객들은 이러한 새로운 소재를 사용하여 생산된 부품을 볼 수 있을 뿐만 아니라, 3D Systems 의 응용 분야 전문가와 이야기하여 Scalmalloy 및 M789 를 사용한 고유의 응용 분야 문제들을 해결할 수 있는 방법을 알아볼 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                     

 

 

 

Figure 4 부품으로 더 나은 퍼포먼스 핏 시스템에 전념하는 BOA

 

- 세밀한 고내구성 3D 프린트 부품으로 신발에 직접 테스트..퍼포먼스 핏 시스템 향상

 

투르 드 프랑스에 참가하는 사이클리스트들은 알든 모르든 절반 이상이 코스에서 장거리를 달려나갈 때 BOA® Fit System을 이용합니다. 또한 BOA 제품은 작업복, 의료용 보조기, 골프와 스노우보딩, 트레일 러닝 같은 스포츠에서도 공통적으로 활용하는데, BOA의 특허 제품으로서 3개 부품으로 구성된 피팅 시스템을 각자의 고성능 제품에 통합해 작업자와 선수의 집중력 유지를 돕습니다.

 

BOA Fit System은 다양한 업계에서 사용자에게 가장 뛰어난 성능을 선보이기 위해 BOA와 제휴하는 시장의 선도적 브랜드마다 자사의 제품에 통합하고 있습니다. 스포츠의 강도와 제품에 필요한 잠금장치의 힘에 맞게 설계되어 다양한 단계로 힘을 전달 할 수 있는 BOA의 성능 시스템은 빠르고 손쉬우면서도 정확한 피팅을 선보이도록 고안되었습니다.

고기능성 3D 프린팅 소재를 향한 여정

BOA Fit System의 주요 구성품 중 하나는 바로 다이얼입니다. 다이얼은 피팅된 기어로 발생하는 레이스 (lace) 장력에 따라 힘을 3단계로 전달 할 수 있도록 설계되었습니다. 여기에 포함되는 제품으로는 더욱 줄어든 기어로 하이 토크를 실현함으로서 2001년 BOA의 성공 가도를 열어 준 하이 파워 스노우보드 다이얼을 들 수 있습니다. 다니엘 힙우드 씨는 BOA의 수석 설계 엔지니어로서, 이와 같은 제품의 기계 설계 연구에 많은 시간을 쏟고 있습니다.

 

BOA에서는 수년간 3D 프린팅을 원형 제작에 활용해 왔지만, 힙우드 씨는 BOA의 응용 분야와 여기에 필요한 소재 성능을 일치시키는 것은 계속된 과제였다고 말합니다. BOA 제품은 소형인 데다 기계적 속성이 무엇보다 중요하기 때문에 상당수의 3D 프린팅 소재는 개념 검증과 미학적 부분 외에는 BOA에 도움이 되지 못했습니다.

 

힙우드 씨는 기존에 BOA에서 프린트했던 부품은 시간이 지나면 상태를 유지하지 못하고 취약해졌다고 설명하면서 다음과 같이 이야기합니다. "이용 가능한 소재 문제로 어려움이 정말 많았습니다. 개념을 잡고 3일 뒤 회의 때 데스크에서 떨어뜨려 보면 산산조각이 나곤 했죠. 필요한 해상도로 유사 열가소성 성능을 보이는 소재를 찾기가 정말 까다로웠고, 그와 같은 속성을 유지할 수 있으면서도 저희가 원하는 규모의 부품을 실제로 3D 프린트하기도 어려웠습니다."

 

당분간 BOA의 워크플로에 소량의 사전 제작 사출 성형 부품이 여전히 포함되기는 하겠지만, 이 업체는 툴링 공정을 시작하기 전에 설계의 한계와 속도를 한층 끌어올리고 자신감을 더할 수 있도록 3D 프린트 부품의 내구성과 최종 생산되는 사출 성형 부품의 차이를 메우고자 했습니다. 그리고 BOA는 ㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇ연구 끝에 3D Systems의 Figure 4 기술과 소재를 발견했습니다. 

 

Figure 4 로 더욱 신속한 테스트

자동차Figure 4 는 비접촉 박막을 이용해 정확도와 놀라운 수준의 디테일 충실도를 초고속 프린팅과 함께 선보이는 투영 기반 적층 제조 기술입니다. BOA는 3D Systems의 생산 등급 Figure 4 소재와 더불어 Figure 4® Standalone 을 이용해 생산 부품의 성능을 초기에 통찰할 수 있게 되었습니다. 기계로 가공하는 부품은 대개 3주나 기다려야 하지만, 현재 BOA는 Figure 4 를 활용해 당일 오후에 설계를 실제로 제작하고 있습니다.

 

BOA에서는 3D Systems의 Figure 4 소재 몇 가지를 이용하며, 가장 선호하는 소재는 Figure 4® PRO-BLK 10 입니다. BOA가 이전에 시험 삼아 이용해 본 다른 적층 소재와 달리 해당 고정밀 생산 등급 소재는 장기적 환경 안정성과 유사 열가소성 현상이 우수합니다. 이 소재는 유용성이 매우 크다고 입증되었고 자체 속성을 유지할 역량과 함께 해상도와 성능을 선보일 만한 소재를 찾던 BOA에 해답을 제시했습니다. 소재의 기능은 BOA의 목적에 아주 잘 맞았고, 이 업체는 최종 생산 부품과 Figure 4 부품 간의 상관관계 테스트를 계속 진행해 생산 단계로 넘어가기 전에 필요한 임계 성능 요건을 파악하고자합니다. 힙우드 씨는 "말 그대로 1대 1로 상응하는 경우도 있기 때문에, 성능이 당사의 사출 성형 구성품과 일치합니다."라고 이야기합니다.

 

                                                                                                                              

Figure 4 는 BOA에 필요한 해상도로 유사 열가소성 성능을 보장합니다.

BOA는 제품 개발의 일환으로 현실성 있는 원형 제작품을 신발에 일찍 적용해 설계 공정에 투입함으로서 테스트 담당자가 이를 접해 볼 수 있도록 하고자 합니다. 설계물이 최종 생산 단계까지 가지 못하더라도 BOA는 신발에 다이얼을 부착하고 루틴에 따라 과용 (abuse)함으로서 무엇이 제대로 기능하고 또 그렇지 못한지를 설계 및 성능 데이터로 수집할 수 있습니다. 다이얼을 금형된 구멍 없이 섬유에 꿰매기 위해서는 이와 같은 형태의 테스트가 필요합니다. 힙우드 씨에 따르면 기존의 플라스틱 중에서는 균열 없이 기능할 만한 UV 경화 소재를 찾는 일은 고사하고 스티칭이 가능한 소재를 찾기도 어려웠습니다." 플라스틱을 바늘로 뚫으려면 인성 (toughness)이 문제가 됩니다. 복원력이 우수할 뿐 아니라 다른 용도로도 쓰일 수 있을 만큼 충분한 강성을 유지하는 소재가 필요합니다. 이를 위해서는 부품 수를 줄이는 것이 매우 중요합니다. 그래야만 스티칭된 구성품이 고강성 플라스틱 소재를 요하는 다른 중요한 기능을 발휘할 수도 있을 테니까요." 힙우드 씨의 설명입니다. Figure 4 PRO-BLK 10은 이러한 방법으로 원형 제작에 사용할 수 있어 BOA에 큰 도움이 되었는데, 시간과 비용을 절약함으로써 최고의 성능을 위한 신속한 설계 반복이 가능했습니다. 

 

                                                                                                                                                   

BOA에서는 Figure 4 PRO-BLK 10 부품을 신발에 꿰매어 테스를 진행

 

BOA는 자사의 피팅 시스템과 더불어 평생 보증 정책인 The BOA Guarantee로도 잘 알려져 있습니다. 최초의 제품 품질은 그 무엇보다도 중요하고, 힙우드 씨와 BOA의 엔지니어링 팀은 기능적인 프린트 부품을 확보함으로써 설계 주기를 한층 단축하고 툴링 제작 후의 구성품 재설계를 줄이면서 혁신적인 신제품을 제공합니다. "모두가 자사의 제품을 축소하고 최적화하는데 힘을 쏟고 있으며, 따라서 금형이 이미 제작된 다음에야 문제를 찾는 일이 없도록 설계 공정에서 가급적 신속히 약점을 파악하는 것이 매우 중요합니다."

 

BOA에서 추가로 이용 중인 소재에는 고내구성의 회색 원형 제작 소재인 Figure 4® TOUGH-GRY 15 와 탄성 원형 제작 소재인 Figure 4® ELAST-BLK 10 이 포함됩니다. BOA에서는 레이스 다이얼 시스템 내의 소형 기계 부품만 아니라 심미적 개념 증명, 최종 사용 고정 장치, 고무 그립 오버몰드 또한 Figure 4 Standalone으로 프린트합니다.

 

성공적인 사업 성과

힙우드 씨의 설명에 따르면 BOA 가 3D Systems의 기술에 투자하게 된 데는 두 가지 요인이 있습니다. 첫 번쨰 요인은 3D Systems에서 선보인 지원 서비스와 전문성의 수준, 그리고 3D Systems 팀과의 논의가 BOA에 좋은 경험으로 기억되었다는 점입니다. 두 번째 요인은 3D Systems의 사업 성과에 있습니다. 3D 프린팅 업계의 문을 처음연 업체로서 탄탄하게 쌓아 올린 포트폴리오를 보유하고 있기에, BOA는 3D Systems와 손을 잡는다면 투자가 오래 지속될 수 있겠다는 확신을 얻었습니다. 힙우드 씨는 "다른 업체의 설명을 살펴봤더니 테스트를 제대로 거치지 않은 알파 버전이나 베타 버전의 제품 같았습니다." 라고 말합니다. 3D Systems는 혁신과 적층 제조 향상에 명확하게 집중하고 있으며, 그에 따라 업계에서 돋보일 수 있었습니다.

  

BOA에서는 Figure 4를 활용해 생산 부품의 성능을 초기에 활용

 

BOA는 Figure 4 도입 결정에 크게 만족하고 있습니다. 힙우드 씨는 "사내에서 상당수의 인원이 각자의 작업 검증에 프린터가 어떻게 유용하게 쓰이는지 설명할 수 있다."고 전합니다.

 

결과

1. 설계 검증 소요 시간이 3주에서 당일로 단축

2. 고내구성 PRO-BLK 10 소재를 신발에 직접 꿰매어 테스트 가능

3. Figure 4 원형 제작품과 생산 부품의 지속적 비교를 통해 최종 부품 성능 예측 가능

 

 

 

                                                          

 

유럽우주국(ESA -European Space Agency-)은 3D Systems와 협력하여 주문형 부품제 제조 서비스 팀과 함께 DMP(Direct Metal Printing)를 사용해 이중 추진 통신 위성 엔진에 중요한 인젝터, 연소 챔버, 팽창 노즐을 생산했습니다.

 

이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 추가로 개선할 잠재력을 평가할 수 있습니다. 또한 ESA와 3D Systems 전문가들은 DMP 설계를 활용하여 앞서 언급한 위성 엔진 부품과 기능적으로 구별되는 설계 대안을 제작했습니다. 

 

예를 들어, 지지 외부 구조 스캐폴드가 적용된 얇은 벽 압력 용기를 통합한 모놀리식 연소 챔버 설계가 있습니다. DMP는 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 지원합니다. 

 

ESA와의 협력은 3D Systems가 우주 및 항공우주 제조 우수성을 지원하여 자사의 고유한 노하우를 제공하는 전략에 부합합니다.

 

                                                                                                    

혁신적인 DMP 매니폴드를 통해 밸브에서 연소 챔버까지 추진제의 흐름을 최적화할 수 있습니다.

 

 

DMP의 현재 상태

 

 통신 위성은 모바일 인터넷과 은행 간 보안 금융 통신, 직접 TV 방송, 일기 예보를 위한 지구 관측에 필수입니다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것입니다. 

 

내부 자금 지원 프로그램의 일부로 ESA는 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하면서 향후 엔진 개발에 있어 그 잠재력과 성숙도를 평가하고 있습니다.

 

연구 프로그램의 일환으로 ESA는 3D Systems를 선택했습니다. 그 이유는 이 회사가 제공하는 기술 전문성과 고객 서비스 때문입니다. 

 

3D Systems는 세 개의 중요 엔진 부품의 현재 설계와 DMP 지원 기능 설계 변형 대안을 제작했습니다. 

 

위성 엔진의 인젝터 부품은 두 개의 추진제를 제어된 방식으로 모아서 자연 발화시키고 지속적으로 연소시킵니다. 

 

벤튜리 형상의 연소 챔버는 화학적 배기 가스를 가속하여 위성이 올바른 궤도를 돌도록 합니다.

 

팽창 노즐은 다운스트림의 가스 흐름에 영향을 줌으로써 모션 특성에 영향을 미칩니다.

 

"DMP는 혁신적인 매니폴드를 제공하여 추진제 밸브에서 연소 챔버까지 흐름을 최적화합니다."

 

 

                                                                                                                                                    

130마이크론 해상도의 x-레이 이미지로 판단할 때 DMP는 인젝터 제조에 실용적인 방법입니다.

 

 

혁신적인 인젝터 매니폴드

 

 "DMP는 혁신적인 매니폴드를 제공하여 추진제 밸브에서 연소 챔버까지 흐름을 최적화합니다"라고 Simon Hyde 씨는 말합니다. 

 

자유로운 설계 덕분에 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조의 5개 이상에서 1개로 줄였고 안정적인 유압 분사 작동을 달성하는 데 필요한 위험한 실링 용접 작업을 많이 없애 비용과 위험을 크게 감소시켰습니다. 

 

AM 생산 공정을 완전히 제어함으로써, 3D Systems는 티타늄을 비롯한 점차 증가하는 금속과 합금에서 균일한 미세 구조와 최대 99.98%의 상대 밀도를 달성하고 있습니다.

 

 

DMP는 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체에 열이 다시 흡수되는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 확립하는 데도 적합합니다. 

 

공구 세공 액세스 제약이 없으므로 금속 스캐폴드를 대신 사용해 전도율을 제어하여 열 스탠드오프를 재설계할 수 있습니다. 

 

비행 가능한 티타늄 소재((Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요건과 로켓 모터 디자이너의 설계 요구에 접근하고 있습니다.

 

 

분리된 챔버 기능

 

소형 우주 위성 엔진의 연소 챔버는 일반적으로 노즐 출구가 지지되지 않는 수렴 발산 노즐로 구성됩니다. 

 

추진제 반응은 배기 가스가 목 수축을 통과해 발산 영역으로 흘러 들어가 초음속으로 팽창하기 전에 수렴 영역에서 완료됩니다. 

 

기존 챔버는 이러한 일시적 부하에 반응하는 두꺼워진 벽으로 발사와 관련된 비작동 부하를 견디도록 설계되었습니다. 

 

일단 안정 궤도에 들어가고 작동이 가능해지면 챔버에는 이와 같은 두꺼운 벽이 필요하지 않습니다.

 

 

                                                                                                                                   

 

 

 

Simon Hyde 씨는 DMP로 챔버 기능을 작동 및 비작동 로드 케이스 간에 분리할 수 있었다고 말합니다. 

 

직관적으로 이것은 팽창 노즐의 부착을 위해 얇은 연소기 벽과 용접 플랜지를 지지하는 스트러트 작업 리브로 변환됩니다. 

 

거친 스트러트 작업 대신 3D Systems는 지지 구조를 저밀도 메시로 제작했습니다. 

 

부피 밀도가 최저 12%까지 낮기 때문에 DMP는 연소 챔버 중량을 크게 줄이거나 구조적 안전 허용 범위를 개선할 수 있습니다.

 

 

Ti6Al4V 소재로 제작된 실제 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위해 내화성 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 및/또는 레늄에 기반함)일 수 있습니다. 

 

이처럼 혁신적인 연소 챔버 설계에 관한 추가 조사에는 응력 장에서 메시의 등방성과 상세한 열 충격에 대한 연구가 포함됩니다. 

 

이 메시는 유효 표면 방사율을 높이므로 챔버 주위의 열 플럭스에 분명한 영향을 미칠 것입니다.

 

 

                                                                                                                                              

 

유망한 설계 기회를 통해 엔진 연소 챔버의 얇은 벽을 지지하는 방사 표면에 저밀도 메시가 만들어졌습니다.

대규모 DMP

 

또한 ESA 엔지니어는 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 검사했습니다. 

 

DMP 생산량과 관련해서 3D Systems는 275 x 275 x 450mm 상자에 맞는 모든 부품 기하형상을 생산할 수 있습니다. 

 

노즐의 응력이 비교적 낮아서 돌출부 질량을 최소화하는 것이 캔틸레버 엔진 설계의 여지를 늘리는 데 중요합니다. 

 

3D Systems는 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 제작했고 이는 팽창 노즐의 기계적 및 열적 요구 사항을 대부분 충족합니다.

 

Hyde에 따르면 DMP에는 설계의 유연성을 모두 제거하는 기존 회전 성형 판금에 비해 분명한 제작 이점이 있습니다. 

 

엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 후기 공정까지 여러 설계 옵션이 남아 있을 수 있습니다.

 

 

                                                                                                                                                

 

DMP는 기존 회전 성형 판금에 비해 설계 유연성을 높여주므로 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있습니다.

 

                                                                                                                                                     

출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐

 

 

 

 

 

                                                                    

 

 

 

이탈리아의 전기 펌프 제조업체인 Pedrollo는 40년 전부터 전 세계 기업 및 단체와 협업하며 중동과 아프리카의 사막 같은 메마른 지역과 라틴 아메리카의 취약 지역에서 물 추출을 지원해왔습니다. 

계속 달라지는 수율 표준 및 에너지 소비에 관한 법적 요구사항에 보조를 맞추고 제품 성능 혁신을 통한 Pedrollo의 미래를 보장하기 위해 Pedrollo 연구개발 팀은 지속적으로 제품을 개선하는 일에 매진합니다. 

매해 진행되는 혁신 투자의 일환으로 Pedrollo는 원형 제작 공정을 다시 검토하고 3D 프린팅에 대해 알아보기로 결정했습니다.

 

Pedrollo가 원형 제작 공정 개선에 초점을 맞추게 된 두 가지 이유는 설계 주기를 가속화하고, 원형 제작을 사내에서 진행하여 지적 재산 보호를 강화하고 싶었기 때문입니다. 

Pedrollo는 3D Systems의 SLA(광조형)와 투명한 3D 프린팅 재료인 VisiJet® SL Clear 및 Accura® ClearVue를 선택했을 때 성능이 얼마나 개선될지 예상하지 못했습니다.

 

 

반복 원형 제작에 적합한 3D 프린터 선택

 

3D 프린터를 구입하기로 결정하기 전에 Pedrollo는 시장을 분석하고 이미 3D 프린팅을 시작한 다른 업체들은 어떤 선택을 했는지 조사했습니다. 

이후 Pedrollo는 3D Systems의 리셀러이자 몰타 지역에 기반을 둔 3D 프린터 및 3D 스캐너 공인 판매업체인 3DZ와 상담했습니다. 3DZ는 고품질 부품과 사용 편의성을 원하는 Pedrollo에게 잘 맞는 3D Systems ProJet® 6000을 선택하도록 안내하며 도움을 주었습니다

 

이탈리아, 산 보니파시오에 있는 Pedrollo 시설에 3D 프린터가 설치된 후 3DZ는 Pedrollo 직원들에게 사용자 교육을 실시하여 작동 방법을 알려주었습니다. 

사장이자 설립자인 Silvano Pedrollo는 3D 프린터를 바로 통합하여 원형을 더 빨리 그리고 더 자주 생산한다는 목적을 달성했다고 말했습니다.

 

ProJet 6000 SLA 프린터는 3D 프린팅 부품과 원형을 정확하게 만들며, 기하 형상, 방향, 제작 모드에 따라 0.002인치, 즉 0.050mm까지 정확하게 피처를 재현할 수 있습니다.

 

최대 제작 플랫폼 크기가 10in x 10in x 10in (250mm x 250mm x 250mm)이며 일반 플라스틱 재료와 특성이 동일하거나 더 우수한 재료를 다양하게 선택할 수 있습니다. 

ProJet 6000은 3D Sprint™도 제공되는데, 이것은 적층 제조 공정을 관리하는 것은 물론 3D Systems의 플라스틱 프린터에서 프린팅할 때 필요한 CAD 데이터를 준비하고 최적화하는 독점 소프트웨어입니다.

 

Pedrollo는 “3D 프린팅을 시작하기 전에는 원형을 만드는 데 시간이 많이 걸렸으며, 설계 단계부터 최종 모델을 받기까지 4-5개월을 기다려야 했습니다”라고 말했습니다. 

3D 프린팅을 도입한 직후에는 원형 제작 시간이 5분의 1로 줄었고 이후 꾸준히 줄면서 24시간 미만까지 줄었습니다.

 

ProJet 6000이 워크플로에 효과적으로 통합되자 Pedrollo는 생산성과 용량을 확대하기로 결정하고3D Systems 프린터 ProX® 800을 추가로 구입했습니다. 

이 프린터는 SLA를 더 큰 규모로 효율적으로 처리할 수 있습니다. ProX 800은 3D Sprint가 함께 제공되며, 제작 플랫폼 크기가 25.6in x 29.5in x 21.65in (650mm x 750mm x 550mm)입니다. 

다른 3D Systems SLA 프린터와 마찬가지로 ProX 800은 정밀한 Q부품을 정확하게 생산하며, 광범위한 고품질 재료와 호환됩니다.

 

                                                                                                                              

                                                                                                                                           사내 3D 프린팅을 통해 Pedrollo는 원형을 더 빨리 그리고 더 자주 제작할 수 있게 되었습니다.

 

 

사내 3D 프린팅을 통해 IP 보호

 

자사 이름으로 150개 이상의 특허를 보유하고 있는 Pedrollo는 그 지적 재산이 매우 중요한 자산입니다. 

자사 디자인의 기밀을 완벽하게 유지하고 제품 개발 및 연구 결과를 지킬 수 있다는 점에서 사내 3D 프린팅에 기꺼이 투자할 수 있었던 것입니다. 

Silvano Pedrollo는 3D 프린팅을 사내로 도입하면서 경쟁 업체나 위조품 제조자들을 확실하게 따돌리면서 회사의 연간 수입이 늘었다고 말합니다.

Pedrollo는 “위조품 때문에 우리 연간 수입이 30% 가까이 줄었습니다. 우리 지적 재산을 보호할 수 있게 되어 프로젝트의 기밀을 완벽하게 지키고 수익을 회복할 수 있게 되었습니다”라고 말했습니다.

 

                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                                     Pedrollo는 투명한 원형을 통해 디자인이 실제로 예상대로 작동하는지 비교할 수 있습니다.

 

 

투명 원형 제작을 통해 제품 성능 개선

 

3D 프린팅을 채택하여 속도와 IP 보안에서 예상보다 큰 이점을 얻은 것 외에도 Pedrollo는 3D Systems의 투명 SLA 재료 덕분에 내부 유체가 외부 하우징을 통과하는 모습을 관찰하며 내부 펌프 성능을 개선할 수 있게 되었습니다. 

VisiJet SL Clear와 Accura ClearVue 같은 3D Systems 투명 재료는 폴리카보네이트, 아크릴, 크리스털 폴리스티렌, 유리와 동일한 품질의 3D 프린팅 부품을 만들 수 있습니다. 

실험실에서 실시한 투명 재료 시험에서 3D Systems의 Accura ClearVue가 시장에서 가장 선명하고 투명한 재료인 것으로 확인되었습니다.

 

Pedrollo는 자사 펌프의 기능 원형을 제작할 때 투명 재료를 사용하여 추측이 아니라 관찰을 통해 유체 흐름이 막히거나 원활하지 않는 위치를 정확히 찾아 내부 기하 형상을 변경할 수 있었습니다. 

Pedrollo는 “투명 원형을 신속하게 그리고 적은 비용으로 만들 수 있는 능력은 제품 개발 과정에서 매우 중요합니다. 

왜냐하면 유체 흐름 패턴을 볼 수 있기 때문에 디자인이 실제로 예상대로 작동하는지 비교할 수 있기 때문입니다. 

내부 작동 상태를 보면서 결정할 수 있기 때문에 디자인을 개선하여 더 좋은 최종 제품을 만들 수 있습니다”라고 말했습니다.

                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                  투명한 SLA 부품으로 유체 흐름을 볼 수 있어 관찰하면서 제품을 개발

 

 

지그와 고정장치 그리고 최종 부품

 

Pedrollo는 3D 프린팅을 설계와 원형 제작 공정에 완벽하게 통합한 후 그 사용을 계속 확대하고 있습니다. 

3D 프린팅은 현재 기술 구성품과 미학 요소에서 예비 부품, 지그, 고정장치, 심지어는 도구용 용기를 생산할 때도 사용됩니다. 

Pedrollo는 “우리는 3D Systems 3D 프린터를 매일 사용합니다. 

활용도가 매우 좋아 그 가치를 극대화할 방법을 계속 모색하고 있습니다”라고 말했습니다.

 

                                                                                                                                                             

                                                                                                                                  Pedrollo가 3D Systems의 SLA를 선택한 기준 : 고품질 부품과 사용 편의성