'유럽형 차세대 소형 발사체'(SMall Innovative Launcher for Europe, SMILE 프로젝트라고도 함)라는 유럽연합(EU) Horizon 2020 프로젝트는 소형 위성 발사체를 설계하여 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 보내는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일항공우주센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 또는 DLR) Institute of Structures and Design은 참여 기관 14곳 중 하나로 SMILE 프로젝트 발사체의 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당합니다. 이 기관이 액체 추진 시스템에 중점을 두는 이유는 시스템 개조 및 재사용 가능성 때문입니다. 따라서 소형 위성 발사체에 높은 비용 효율 솔루션을 제공합니다.

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 고도로 복잡한 인젝터 헤드 부품을 고려하여 DLR은 벨기에 루벤에 위치한 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 지원할 수 있는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 루뱅 CIC는 고객이 제품 개발과 검증, 상용화에 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 전문으로 가속화하는 세계적인 센터 네 곳 중 하나입니다.

EU Horizon 20/20 SMILE 프로젝트용 금속 3D 프린트 액체 로켓 엔진 인젝터
금속 프린팅 인젝터 헤드의 특징은 30:1 부품 수 감소와 10% 중량 감소입니다.

성공의 파트너

동축 인젝터 헤드를 3D 프린트하기로 선택할때 DLR은 적층 제조의 여러 핵심 이점을 활용하고자 했습니다. 예를 들면 모놀리식 설계를 이용해 부품 수를 줄이고 냉각 채널과 같은 주요 기능을 통합하여 전체적인 추진 시스템의 성능을 개선하는 것입니다.

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 3D Systems를 파트너로 선정한 것은 이 3D 프린팅 회사가 항공우주 응용 분야의 금속 3D 프린팅 부문에서 이룬 성공적인 실적을 고려했기 때문이라고 말합니다. "DMP와 관련된 우주 관련 사업의 성공에 근거했을 때 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배의 새로운 가능성을 생각하는 3D Systmes가 인젝터 헤드의 제조 측면을 위한 설계를 제공하는 데 딱 들어맞는다고 생각했습니다", Kuhn 씨의 설명입니다.

SMILE 프로젝트 발사체의 고온 연소 테스트
3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.

연료 인젝터 설계 최적화와 부품 수 감소

로켓 인젝터라는 부품을 통해 연료와 산화제가 연소 챔버로 들어갑니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 적절하게 원자화 및 혼합되어 로켓이 움직이는 데 필요한 연소를 만들어낼 수 있는 방식으로 이러한 구성 요소를 분사합니다.

3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts 씨에 따르면 DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해서만 가능했던 여러 성능 개선 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능과 냉각의 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 일관되고 쉽게 반복할 수 있는 공정으로 어셈블리와 생산을 간소화하려는 바람이 모두 합쳐져 ProX® DMP 320을 만나게 되었습니다"라고 Huybrechts 씨는 말합니다.

DMP를 사용한 금속 3D 프린팅으로 DLR에서 다음이 가능해졌습니다.

  • 연료 및 냉각수 분배의 새로운 가능성을 통해 부품 성능 최적화
  • 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널의 손쉬운 구현
  • 중간 생산 및 어셈블리 단계 제거
  • 기존 제작 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화
  • 모놀리식 설계로 어셈블리 실패 지점을 방지하고 품질 측면 향상
  • 기계 가공 단계를 줄여 고도로 통합된 다기능 인젝터 생산 

금속 3D 프린팅을 사용하여 DLR은 동축 인젝터의 설계 방법을 크게 변경할 수 있었고 여러 하위 구성 요소가 필요 없게 되어 생산 시간과 비용을 현저히 줄였습니다. 30개에서 1개로 줄어든 부품 수로 최종 중량이 10% 감소하고 고정 위치에서 알려진 실패 지점을 제거해 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 레이어, 녹색 = 증산 냉각

정밀 금속 프린팅으로 부품 통합

3D Systems의 응용 프로그램 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 인젝터 헤드 파일의 프린팅을 준비했습니다. 3DXpert는 올인원 소프트웨어로 금속 적층 제조 공정 전체를 포괄합니다. 3D Systems는 후처리에서 분말 제거가 용이하도록 사전 프린팅 작업을 수행하였고 부품이 복잡한 과정 없이 제작되도록 프린트 가능성 검사도 실행했습니다.

최종 부품은 3D Systems의 루뱅 CIC에서 내산화 및 내부식성 인코넬 합금인 LaserForm® Ni718(A)를 사용하여 3D Systems ProX DMP 320 금속 프린터로 프린트되었습니다. LaserForm Ni718(A)의 특징은 최대 700°C 극저온에서 인장, 피로, 크리프, 파열 강도가 우수하다는 것입니다. 따라서 고온 응용 분야에 이상적입니다.

일단 프린트되면 3D Systems 팀은 사용되지 않는 소재를 부품 내부에서 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전가공(EDM)을 사용하여 제작판에서 부품을 제거했습니다.

액체 로켓 엔진 인젝터의 구성 요소
3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems)와 세라믹 연소 챔버가 적용된 LOX/등유 로켓 엔진 배치

도구 없는 생산으로 설계 주기 가속화

3D Systems의 적층 제조 전문성과 DMP를 사용하여 DLR은 많은 시간이 걸리는 공구 세공 없이 설계 변경을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했습니다. 인젝터 헤드 원형의 1단계 설계와 테스트를 위한 리드 타임이 단 몇 주 밖에 없었기 때문입니다.

"ProX DMP 320과 3D 프린팅 설계에 관한 3D Systems의 지식을 결합하여 저희는 훨씬 짧은 기간에 더 많은 디자인 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn 씨와 Müller 씨는 말합니다.

금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 요소로 동축 사출 기법을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제 연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 냉각 솔루션은 두 가지가 구현되었고 각각 최소 선폭 0.2mm, 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 또한 설계에서는 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 필름 질량 유속을 인젝터에서 직접 조정할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅 인젝터 헤드 설계 내부 뷰
인젝터 헤드 내부 뷰는 금속 3D 프린팅으로 가능해진 복잡성을 보여줍니다.

저비용으로 뛰어난 성능 개선

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 추가적인 성능 개선을 끌어내 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기법을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있게 했습니다. 인젝터 내에서 적용될 때 냉각수 필름은 높은 열 플럭스로부터 벽 구조를 보호하는 연소 챔버의 뜨거운 내측에 형성됩니다. 이러한 유형의 시스템은 기존 재생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.

세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 소재와 함께 DLR과 3D Systems에서 개발한 이 설계와 제조 방법으로 인젝터 헤드용으로 개발된 구조와 시스템이 여러 번 재사용되고 그 기술이 다른 응용 분야에 전달될 수도 있습니다.

새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 관한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분배 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 비발화 시험에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 사이에 우수한 상관관계를 보여주었습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 실시된 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 DLR에서 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 결합하여 훌륭한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.

더 나아가 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계와 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유, 생산 단계 감소로 출시 시간 단축, 소재 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 강화된 구조적 무결성을 계속 제공하여 인젝터의 수명을 연장할 것으로 기대됩니다.

"기존 방법으로 제조된 동등한 최첨단 부품과 비교했을 때 3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합된 기능이 월등하고 제작 기간과 비용이 절감된다고 확실히 말할 수 있습니다", Müller 씨의 설명입니다.

항공우주 분야에서 금속 적층

금속 3D 프린팅은 항공학 및 항공우주 분야의 핵심 기술로 인기를 얻고 있습니다. 경량화, 연료 절감, 작동 효율 개선, 부품 통합, 출시 기간 단축, 부품 보관 요건 감소 등 업계의 주요 우선순위와 3D 프린팅의 이점이 일치하기 때문입니다.

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

  • 상업용 통신 위성에서 사용하기 위해 테스트 및 검증된 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계보다 중량 을 50%까지 줄였습니다.
  • 기존 방법으로 제조된 것보다 더 나은 중량 대비 강성 비율에 25% 더 가벼운 티타늄 브래킷. Thales Alenia Space와 3D Systems의 협력을 통해 도입되었습니다.
  • 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 만든 엔진 부품. 이 부품은 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 쉽게 할 수 있습니다.
  • 중량을 70%까지 줄이면서 모든 기능적 요구 사항과 GE Aircraft 과제를 충족하는 토폴로지 최적화된 항공기 브래킷

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