독일 항공우주 센터(DLR), 3D Systems로 액체 로켓 엔진 인젝터 설계

유럽연합(EU)의 Horizon 2020 프로젝트인 "SMall Innovative Launcher for Europe"(SMILE 프로젝트라고도 함)은 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 전송하는 소형 위성 발사체를 설계하는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) 구조 및 설계 연구소는 14개 참여 기관 중 하나로, SMILE 프로젝트 발사대용 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당하고 있습니다. 이 연구소가 액체 추진 시스템에 초점을 맞추는 이유는 시스템 개조 및 재사용이 가능하기 때문에 소형 위성 발사대에 보다 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있기 때문입니다.

"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다."

- Markus Kuhn 및 Ilja Müller, DLR 인젝터 수석 프로젝트 관리자

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도전 과제

액체 로켓 엔진을 위한 매우 복잡한 인젝터 헤드 개발 및 생산

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 인젝터 헤드 구성 요소가 매우 복잡하다는 점을 감안하여 DLR은 벨기에 루벤에 있는 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 가능하게 하는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 Leuven CIC는 고객이 제품을 개발, 검증 및 상용화하는 데 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 가속화하는 데 전념하는 전 세계 4개 센터 중 하나입니다.

EU Horizon 20/20 SMILE 프로젝트를 위한 금속 3D 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터

금속 프린팅 인젝터 헤드는 부품 수를 30:1로 줄이고 무게를 10% 줄입니다.

솔루션

성공을 위한 파트너십

DLR은 동축 인젝터 헤드를 3D 프린팅하기로 선택함으로써 모놀리식 설계를 통한 부품 수 감소, 전체 추진 시스템의 성능 향상을 위한 냉각 채널 등의 주요 기능 통합 등 적층 제조의 여러 주요 이점을 활용하고자 했습니다.

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 항공우주 응용 분야를 위한 금속 3D 프린팅 분야에서 3D 프린팅 회사의 성공적인 실적을 감안하여 3D Systems를 파트너로 선택했다고 말합니다. Kuhn은 "DMP와 관련된 우주 관련 이니셔티브의 성공을 바탕으로 3D Systems가 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두에 두고 인젝터 헤드의 제조를 위한 설계 측면을 제공하는 데 완벽하게 적합하다고 생각했습니다"라고 말합니다.

SMILE Project 발사대 열화시험

3D 프린팅된 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다. 이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.

01 연료 인젝터 설계 최적화 및 부품 수 감소

로켓의 인젝터는 연료와 산화제가 연소실로 들어가는 부분입니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 로켓을 움직이는 데 필요한 연소를 생성하기 위해 적절하게 분무되고 혼합되도록 하는 방식으로 이러한 구성 요소를 배출합니다.

3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts에 따르면, DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해 고유하게 구현된 몇 가지 성능 향상 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능 및 냉각에 대한 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 조립 및 생산을 일관되게 단순화하려는 욕구, 쉽게 반복할 수 있는 프로세스는 모두 프로엑스 DMP 320®"라고 Huybrechts는 말합니다.

DMP를 사용한 금속 3D 프린팅 DLR은 다음을 수행할 수 있습니다.

• 연료 및 냉각수 분배를 위한 새로운 기회를 통해 부품 성능을 최적화합니다.
• 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널을 쉽게 구현할 수 있습니다.
• 중간 생산 및 조립 단계를 제거합니다.
• 전통적인 제조 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화합니다.
• 조립 실패 지점을 피하고 모놀리식 설계로 품질 측면을 향상시킵니다.
• 가공 단계를 줄여 고집적 다기능 인젝터를 생산합니다.

DLR은 금속 3D 프린팅을 사용하여 동축 인젝터의 설계 방법론을 크게 변경하고 여러 하위 구성 요소의 필요성을 피할 수 있어 생산 시간과 비용을 크게 절감할 수 있었습니다. 부품 수를 30개에서 1개로 줄임으로써 최종 중량을 10% 줄였으며 체결 부위에서 알려진 고장 지점을 제거하여 관련 품질 관리 조치를 완화하고 시스템 성능을 개선했습니다.

유량이 있는 DMP 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터의 3D 모델 단면

인젝터 헤드 유량: 파란색 = LOX; 주황색 = 등유; 빨간색 = 필름 층; 녹색 = 증산 냉각.

02 정밀 금속 인쇄로 부품 통합

3D Systems의 응용 분야 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 프린팅할 인젝터 헤드 파일을 준비했습니다. 3DXpert는 전체 금속 적층 제조 공정을 포괄하는 올인원 소프트웨어입니다. 3D Systems는 후처리에서 파우더를 쉽게 제거할 수 있도록 사전 프린팅 작업을 수행했으며, 부품이 복잡하지 않게 제작될 수 있도록 프린팅 가능성을 확인했습니다.

최종 부품은 3D Systems의 Leuven CIC에서 3D Systems ProX DMP 320 금속 프린터로 프린트되었습니다. 레이저폼 Ni718 (A)®, 산화 및 부식 방지 인코넬 합금. LaserForm Ni718 (A)은 최대 700°C의 극저온에서 인장, 피로, 크리프 및 파열 강도가 우수하여 고온 응용 분야에 이상적입니다.

프린팅이 완료되면 3D Systems 팀은 부품 내부에서 사용하지 않는 재료를 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전 가공(EDM)을 사용하여 빌드 플레이트에서 부품을 제거했습니다.

액체 로켓 엔진 인젝터의 구성 요소

3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems) 및 세라믹 연소실을 사용한 LOX/등유 로켓 엔진 설정.

03 공구가 필요 없는 생산으로 설계 주기 단축

3D Systems의 적층 제조 전문 지식과 DMP를 통해 DLR은 시간이 많이 걸리는 툴링 없이 설계 변경 사항을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했는데, 인젝터 헤드 프로토타입의 1단계 설계 및 테스트에 단 몇 주의 리드 타임이 소요되었기 때문입니다.

"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn과 Müller는 말합니다.

금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 엘리먼트와 함께 동축 분사 기술을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제-연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 두 가지 다른 냉각 솔루션이 구현되었으며, 각 솔루션은 최소 피처 크기가 0.2mm이고 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 이 설계는 또한 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 인젝터에서 직접 필름 질량 유량을 조정할 수 있도록 합니다.

금속 3D 프린팅 인젝터 헤드 디자인 내부 보기

인젝터 헤드 내부의 모습은 금속 3D 프린팅으로 구현된 복잡성을 보여줍니다.

04 더 낮은 비용으로 더 높은 성능

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기술을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있도록 함으로써 추가적인 성능 향상을 실현했습니다. 인젝터 내부에 적용하면 연소실의 뜨거운 내부에 냉각수 피막이 형성되어 높은 열유속으로부터 벽 구조를 보호합니다. 이러한 유형의 시스템은 기존의 회생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.

DLR 및 3D Systems에서 개발한 설계 및 제조 접근 방식은 세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 재료와 함께 인젝터 헤드용으로 개발된 구조 및 시스템을 여러 번 재사용하고 기술을 다른 응용 분야로 이전할 수 있도록 할 수 있습니다.

새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분포 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 콜드 플로우 테스트에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 간에 양호한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드에 대한 고온 연소 테스트는 DLR이 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 함께 우수한 혼합 및 연소 효율성을 보여주었습니다.

앞으로 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계 및 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유도, 시장 출시 시간 단축을 위한 생산 단계 감소, 재료 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 인젝터의 수명 연장을 위한 향상된 구조적 무결성을 지속적으로 제공할 것으로 예상됩니다.

Müller는 "3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합 기능이 우수하고 기존 방법을 통해 제조된 최첨단 동급 부품과 비교할 때 생산 시간과 비용이 더 낮다고 자신 있게 말할 수 있다고 생각합니다.

결과

최종 부품 성능 향상 및 생산 효율성 향상

최적화된 부품 기능

더 나은 성능 도입

30:1 부품 수 감소

설계와 적층 제조를 통합할 수 있는 능력을 통해

중량 10% 감소

기존 설계 대비

설계 주기 단축 및 생산 비용 절감

툴링 제거

항공우주 분야의 금속 첨가제

금속 3D 프린팅은 중량 감소, 연료 절약, 운영 효율성 향상, 부품 통합, 시장 출시 시간 단축, 부품 보관 요구 사항 감소 등 업계의 주요 우선 순위와 이점을 일치시킴으로써 항공 및 항공 우주 분야의 핵심 기술로 추진력을 얻었습니다.

항공우주 시장에서 3D Systems의 DMP 기술의 효능을 입증한 최근 프로젝트는 다음과 같습니다.

• 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터는 상업용 통신 위성에서 사용할 수 있도록 테스트 및 검증되었습니다. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계에 비해 무게를 50% 줄였습니다.
• 기존 방식으로 제조된 티타늄 브래킷보다 25% 더 가볍고 강성 대 중량 비율이 더 우수한 티타늄 브래킷은 Thales Alenia Space와 3D Systems의 협업을 통해 도입되었습니다.
• 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 제작한 엔진 부품으로, 무게를 줄이고, 조립을 간소화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계 설계를 더 쉽게 조정할 수 있습니다.
• 토폴로지적으로 최적화된 항공기 브래킷은 무게를 70% 줄이면서 모든 기능 요구 사항을 충족하고 GE Aircraft 과제를 충족합니다.

응용 분야를 위한 DMP에 대한 자세한 내용은 당사로 문의하십시오.

이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.