Thales Alenia Space, 자사의 위성 서브시스템에 3D Systems의 설계 및 적층 제조 전문 기술 활용

3D Systems는 적층 제조 설계(DfAM) 분야에서 Thales Alenia Space와 협업하여 Spacebus NEO 위성의 주요 서브시스템 성능을 개선하고 있습니다. 결과적으로 Electrical THruster Mechanism(ETHM)은 적층 제조 방식으로 서로 다르게 제작된 브래킷 7개로 구성됩니다. 제한된 용적 내에서 질량을 최소화하여 메커니즘을 패키지화할 수 있었던 이유는 적층 제조를 사용했기 때문입니다. 3D Systems의 Application Innovation Group 소속 전문가들은 자신의 전문 지식을 최종 제작 파일에 반영하여 모로코에 위치한 Thales의 생산 시설로 전송함으로써 Thales Alenia Space의 ETHM 프로젝트 팀에게 설계 및 제작 노하우를 전수했습니다. 이렇게 전문가들이 개발한 제조 계획 덕분에 Thales는 3D Systems의 직접 금속 프린터를 자사의 적층 제조 시설에 다수 설치하여 생산 체제를 순조롭게 전환할 수 있었습니다. 

"모든 피처가 다소 구식이기는 하지만 이러한 피처들을 통합하여 경쟁력이 있는 소형 메커니즘으로 단일화하는 일이 정말 어렵습니다."

- Gilles Lubrano, ETHM 제품 관리자

Electrical THruster Mechanism(ETHM)은 Spacebus NEO 위성의 추진 장치를 지향하여 우주 궤도에서 정확한 위치를 유지할 수 있도록 도와주는 메커니즘입니다. 이러한 구성품의 안정성이 매우 중요한 이유도 바로 여기에 있습니다. ETHM 4개가 엔진을 둘러싸는 섀시를 형성하기 때문에 각 위성마다 ETHM이 4개 필요합니다. 이 부품들이 전기 추진 장치를 고정하는 2축 짐벌의 역할을 하기 때문에 위성이 궤도 이탈 없이 순조롭게 이동할 수 있습니다.

ETHM이 Thales Alenia Space에게 필요한 요건을 충족하려면 부피와 질량 조건을 균형 있게 유지하면서 다음과 같은 성능 사양을 엄격하게 따라야 했습니다.

• 높은 지향각 정밀도(0.1도)
• 여러 추력기 부품(하니스, 파이프)의 기능 통합을 포함한 부품 수 감소
• 궤도 제품의 품질 요건을 만족하는 양산 체제

Thales Alenia Space와 3D Systems는 오랜 기간 협업적 파트너 관계를 유지하면서 2021년부터 1,700개가 넘는 내공성 부품을 우주 궤도에 올려놓았습니다. 특히 ETHM 프로젝트에서 Thales Alenia Space는 3D Systems의 Application Innovation Group(AIG)과 협력하여 작은 설계 공간에서 동역학을 정확하게 유지하면서 몇 가지 기능을 결합할 수 있었습니다.

ETHM 프로젝트에 할당된 전체 역학적 용적은 480 x 480 x 380mm이며, 여기에 회전식 액츄에이터, 하니스, 파이프, 고정 메커니즘이 들어갑니다. 3D Systems는 제조 용이성과 설계 피드백을 제공하여 Thales Alenia Space가 성능 목표를 달성할 수 있도록 도왔습니다. 특히 Thales Alenia Space가 중량 대비 강도 비율을 최적화하는 동시에 열 분포도가 높은 영역에서 기능성 구성품이 열 손상을 일으키지 않도록 보호하는 데 3D Systems 전문가들의 도움이 컸습니다.

Thales Alenia Space는 시스템 설계 및 생산에 적층 제조를 사용하여 긍정적인 효과를 더욱 높였습니다. 경량화를 통해 기존 제조 방식을 능가하는 추력 효율을 실현하여 연료 효율을 높였을 뿐만 아니라 비용 절감으로 그 밖에 다른 영역에서 새로운 기술을 혁신하는 기회로 이어졌습니다.

3D Systems는 Thales Alenia Space가 CNC 마감, 100% 단층촬영 검사 등 안정적인 제조 공정을 개발하여 AS9100에서 요구하는 환경에 따라 제품 및 공정 반복성을 보장할 수 있도록 지원했습니다. 3D Systems 응용 분야 엔지니어들 역시 위험을 완화할 수 있는 품질 관리 수준 및 순서에 대한 지침을 제공하여 Thales Alenia Space가 철저하게 품질 지향적이고, 비용 효율적인 제조 공정을 유지할 수 있도록 도왔습니다.

이렇게 전수된 전문 지식은 Thales Alenia Space가 까다로운 CNC 및 검사 워크플로를 통해 0.1도의 지향각 정밀도를 얻는 데 유용하게 사용되었습니다. 이러한 워크플로에서 일부 부품은 좌표 측정기에서 사양에 따라 측정해야 할 측정점이 무려 249개에 달합니다. 3D Systems의 협업적 접근 방식에는 통합 품질 관리 프로세스에 따른 기술 교육을 비롯해 성공을 보장할 수 있는 Thales Alenia Space 사양에 대한 적합성 위반 원인 분석도 포함되었습니다. Thales Alenia Space에서 직접 생산하기 전에는 3D Systems가 동종 업계에서 최고의 공급망을 구성해 양산 체제를 지원하였으며, 이때 현재 3D Systems의 AIG 소속인 벨기에 고객 혁신 센터에서 생산된 부품 수만 70개가 넘습니다. 이처럼 시설의 높은 생산량과 3D Systems의 DMP 장비를 통한 반복성은 리드 타임을 짧게 유지할 수 있는 원동력이 되었습니다.

3D Systems 응용 분야 엔지니어들은 Thales Alenia Space에서 ETHM을 순조롭게 전환 생산할 수 있도록 3DXpert^®를 사용해 각 프린트 파일을 개발했습니다. 결과적으로 수년간 축적된 적층 제조 전문성이 파일에 그대로 반영되어 Thales Alenia Space는 시간과 비용을 절감할 뿐만 아니라 품질까지 보장할 수 있었습니다. 이렇게 전문가들이 모여 개발한 제작 파일을 사용한 덕분에 지금은 어떤 3D Systems DMP를 사용하든지 반복 생산이 가능합니다. 최종 브래킷은 LaserForm Ti6Al4V grade 23 티타늄 소재로 프린트됩니다.

추력기 메커니즘을 설계하면서 몇 가지 요소는 무엇보다 중요한 프린트 전략에 대한 3D Systems의 지침으로 발전하였습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• 원형 경계면이 커다란 일부 개방형 구조물에서 필요한 진원도 유지
• 서포트 강도와 제거 용이성의 균형 유지
• 프린팅 과정에서 기하형상 및 프린트 소재에 따라 달라질 수 있는 열 응력 고려

3D Systems는 티타늄 소재를 사용한 경험이 풍부했기 때문에 수없이 중요한 응용 분야에서 복잡성과 강도의 균형을 적절하게 유지하여 프로젝트 파라미터를 구하는 데 도움이 되었습니다. 예를 들어 3D Systems의 3DXpert 시뮬레이션 모듈 같은 도구들은 성공적인 결과를 얻을 때까지 반복되는 작업 횟수를 줄여 이러한 프로젝트를 지원합니다.

Thales Alenia Space는 지난 수년간 3D Systems에게 교육을 비롯한 기술 이전을 받아 이제 자체 시설에서 이러한 부품들을 프린트할 수 있게 되었습니다. 모로코에 위치한 Thales의 그룹 3D 공장에 3D Systems의 DMP 장비를 다수 설치한 후 설치 시점에 3D Systems에서 제공하는 기술 이전을 활용했습니다. 기술 이전은 심층적인 적층 제조 교육을 통해 이루어지며, 신규 프린터 고객들은 이를 통해 적층 제조로 전환하는 속도를 높이는 동시에 자신의 투자를 보호할 수 있습니다. 그 밖에도 3D Systems는 사전 개발된 제작 파일을 제공하여 Thales가 내부 생산으로 전환할 수 있도록 지원을 아끼지 않았습니다.

3D Systems의 Application Innovation Group에서 응용 분야 개발 관리자를 맡고 있는 Koen Huybrechts는 "Thales는 벨기에의 고객 혁신 센터에서 사용하는 것과 동일한 장비를 사용하여 어려움 없이 성공적으로 부품을 프린트했습니다. 이로써 Thales 팀은 적층 제조의 산업화에 초점을 맞춰 투자 수익률을 극대화할 수 있게 되었습니다."라고 말했습니다.

ETHM은 처음부터 끝까지 적층 제조를 염두에 두고 설계된 최초의 우주 메커니즘 중 하나입니다. 위상학적으로 최적화된 브래킷 7개가 크기를 비롯해 정말 필요했던 고정밀도와 시스템 신뢰도로 전문분야 협력팀의 기대치를 더욱 높였습니다.

• 0.1도의 지향각 정밀도로 비행 중에도 정상적인 메커니즘 기능 수행
• 위상학적으로 최적화된 브래킷의 중량 감소로 추력 효율 향상
• 아무리 복잡한 부품이라고 해도 품질 관리가 가능한 것으로 검증된 249개의 측정점
• 추력기 구성품 통합 및 보호를 통해 최적의 형태와 기능 보장

Spacebus NEO는 유럽우주국(ESA)이 15년 동안 진행하는 ARTES(Advanced Research in Telecommunications Systems) 프로그램에 포함되어 있습니다.