20세기 이후 인류는 우주를 탐험하고 지구 너머에 무엇이 있는지 이해하는 데 매료되었습니다.NASA 및 ESA와 같은 주요 조직은 우주 탐사의 최전선에 있었고 이 정복에서 또 다른 중요한 플레이어는 3D 프린팅입니다.복잡한 부품을 저렴한 비용으로 신속하게 생산할 수 있는 능력을 갖춘 이 설계 기술은 기업에서 점차 인기를 얻고 있습니다.이를 통해 위성, 우주복, 로켓 구성 요소와 같은 많은 응용 프로그램을 만들 수 있습니다.실제로 SmarTech에 따르면 민간 우주 산업 적층 제조의 시장 가치는 2026년까지 21억 유로에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 다음 질문을 제기합니다.
처음에 3D 프린팅은 주로 의료, 자동차 및 항공 우주 산업에서 신속한 프로토타이핑에 사용되었습니다.그러나 기술이 더욱 널리 보급됨에 따라 최종 목적 구성 요소에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.금속 적층 제조 기술, 특히 L-PBF는 극한의 공간 조건에 적합한 특성과 내구성을 갖춘 다양한 금속을 생산할 수 있게 해주었습니다.DED, 바인더 분사 및 압출 공정과 같은 다른 3D 프린팅 기술도 항공우주 부품 제조에 사용됩니다.최근 몇 년 동안 Made in Space 및 Relativity Space와 같은 회사에서 3D 프린팅 기술을 사용하여 항공우주 부품을 설계하는 등 새로운 비즈니스 모델이 등장했습니다.
Relativity Space 항공우주 산업용 3D 프린터 개발
항공 우주 분야의 3D 프린팅 기술
지금까지 소개했으므로 항공우주 산업에서 사용되는 다양한 3D 프린팅 기술에 대해 자세히 살펴보겠습니다.첫째, 금속 적층 제조, 특히 L-PBF가 이 분야에서 가장 널리 사용된다는 점에 유의해야 합니다.이 프로세스에는 레이저 에너지를 사용하여 금속 분말을 층별로 융합하는 작업이 포함됩니다.특히 작고 복잡하고 정밀한 맞춤형 부품 생산에 적합합니다.항공우주 제조업체는 금속 와이어 또는 분말 증착을 수반하고 주로 수리, 코팅 또는 맞춤형 금속 또는 세라믹 부품 생산에 사용되는 DED의 이점을 누릴 수 있습니다.
이에 반해 Binder Jetting은 생산 속도와 저비용 측면에서 유리하지만 최종 제품의 제조 시간을 늘리는 후가공 강화 단계가 필요하기 때문에 고성능 기계 부품 생산에는 적합하지 않습니다.압출 기술은 우주 환경에서도 효과적입니다.모든 폴리머가 우주에서 사용하기에 적합한 것은 아니지만 PEEK와 같은 고성능 플라스틱은 강도 때문에 일부 금속 부품을 대체할 수 있습니다.하지만 이 3D프린팅 공정은 아직 널리 보급되지는 않았지만 신소재를 활용해 우주 탐사에 귀중한 자산이 될 수 있다.
L-PBF(Laser Powder Bed Fusion)는 항공 우주용 3D 프린팅에 널리 사용되는 기술입니다.
우주소재의 잠재력
항공우주 산업은 3D 프린팅을 통해 새로운 재료를 탐색하고 있으며, 시장을 뒤흔들 수 있는 혁신적인 대안을 제시하고 있습니다.티타늄, 알루미늄, 니켈-크롬 합금과 같은 금속이 항상 주요 초점이었지만 곧 새로운 소재인 달 표토가 주목을 받을 것입니다.Lunar regolith는 달을 덮고 있는 먼지층이며 ESA는 이를 3D 프린팅과 결합하여 얻을 수 있는 이점을 보여주었습니다.ESA의 수석 제조 엔지니어인 Advenit Makaya는 달 표토가 콘크리트와 유사하며 주로 실리콘과 철, 마그네슘, 알루미늄 및 산소와 같은 기타 화학 원소로 구성되어 있다고 설명합니다.ESA는 Lithoz와 협력하여 실제 달 먼지와 유사한 속성을 가진 모의 달 표토를 사용하여 나사 및 기어와 같은 작은 기능 부품을 생산했습니다.
달 표토 제조와 관련된 대부분의 공정은 열을 활용하므로 SLS 및 분말 접합 인쇄 솔루션과 같은 기술과 호환됩니다.ESA는 또한 염화마그네슘을 재료와 혼합하고 시뮬레이션 시편에서 발견되는 산화마그네슘과 결합하여 고체 부품을 생산하는 것을 목표로 D-Shape 기술을 사용하고 있습니다.이 달 재료의 중요한 장점 중 하나는 더 미세한 인쇄 해상도로 가장 정밀하게 부품을 생산할 수 있다는 것입니다.이 기능은 미래의 달 기지를 위한 응용 프로그램 및 제조 구성 요소의 범위를 확장하는 데 주요 자산이 될 수 있습니다.
Lunar Regolith는 어디에나 있습니다
화성에서 발견되는 지하 물질을 가리키는 화성 표토도 있습니다.현재 국제 우주국은 이 물질을 회수할 수 없지만 과학자들이 특정 항공우주 프로젝트에서 잠재력을 연구하는 것을 막지는 못했습니다.연구자들은 이 재료의 시뮬레이션 표본을 사용하고 있으며 티타늄 합금과 결합하여 도구 또는 로켓 부품을 생산하고 있습니다.초기 결과는 이 재료가 더 높은 강도를 제공하고 부식 및 방사선 손상으로부터 장비를 보호할 것임을 나타냅니다.이 두 재료는 비슷한 특성을 가지고 있지만 달 표토는 여전히 가장 많이 테스트된 재료입니다.또 다른 장점은 이러한 재료를 지구에서 원자재를 운송할 필요 없이 현장에서 제조할 수 있다는 것입니다.또한 표토는 고갈되지 않는 재료 공급원으로 희소성을 방지하는 데 도움이 됩니다.
항공 우주 산업에서 3D 프린팅 기술의 응용
항공 우주 산업에서 3D 프린팅 기술의 적용은 사용되는 특정 프로세스에 따라 달라질 수 있습니다.예를 들어, L-PBF(레이저 파우더 베드 퓨전)는 도구 시스템이나 공간 예비 부품과 같은 복잡한 단기 부품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.캘리포니아에 기반을 둔 신생 기업인 Launcher는 Velo3D의 사파이어 금속 3D 프린팅 기술을 사용하여 E-2 액체 로켓 엔진을 향상시켰습니다.제조업체의 프로세스는 LOX(액체 산소)를 연소실로 가속하고 구동하는 데 중요한 역할을 하는 유도 터빈을 만드는 데 사용되었습니다.터빈과 센서는 각각 3D 프린팅 기술을 사용하여 인쇄한 다음 조립했습니다.이 혁신적인 부품은 로켓에 더 큰 유체 흐름과 더 큰 추력을 제공하여 엔진의 필수 부품이 됩니다.
Velo3D는 E-2 액체 로켓 엔진 제조에 PBF 기술을 사용하는 데 기여했습니다.
적층 제조는 크고 작은 구조물의 생산을 포함하여 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.예를 들어 Relativity Space의 Stargate 솔루션과 같은 3D 프린팅 기술을 사용하여 로켓 연료 탱크 및 프로펠러 블레이드와 같은 대형 부품을 제조할 수 있습니다.Relativity Space는 수 미터 길이의 연료 탱크를 포함하여 거의 전적으로 3D 프린팅된 로켓인 Terran 1의 성공적인 생산을 통해 이를 입증했습니다.2023년 3월 23일 첫 출시를 통해 적층 제조 공정의 효율성과 신뢰성을 입증했습니다.
압출 기반 3D 프린팅 기술은 PEEK와 같은 고성능 재료를 사용하여 부품을 생산할 수도 있습니다.이 열가소성 수지로 만든 구성 요소는 이미 우주에서 테스트되었으며 UAE 달 탐사의 일환으로 Rashid 탐사선에 배치되었습니다.이 테스트의 목적은 극한의 달 조건에 대한 PEEK의 저항성을 평가하는 것이었습니다.성공하면 PEEK는 금속 부품이 파손되거나 재료가 부족한 상황에서 금속 부품을 교체할 수 있습니다.또한 PEEK의 경량 특성은 우주 탐사에서 가치가 있을 수 있습니다.
3D 프린팅 기술은 항공 우주 산업을 위한 다양한 부품을 제조하는 데 사용될 수 있습니다.
항공 우주 산업에서 3D 프린팅의 이점
항공우주 산업에서 3D 프린팅의 장점은 기존의 건설 기술에 비해 부품의 최종 외관이 개선된다는 것입니다.오스트리아 3D 프린터 제조업체인 Lithoz의 CEO인 Johannes Homa는 "이 기술은 부품을 더 가볍게 만듭니다."라고 말했습니다.디자인의 자유로 인해 3D 프린팅 제품은 더 효율적이고 더 적은 리소스가 필요합니다.이는 부품 생산의 환경적 영향에 긍정적인 영향을 미칩니다.Relativity Space는 적층 제조가 우주선을 제조하는 데 필요한 구성 요소의 수를 크게 줄일 수 있음을 입증했습니다.Terran 1 로켓의 경우 100개의 부품이 절약되었습니다.또한 이 기술은 로켓이 60일 이내에 완성되는 등 생산 속도 측면에서 상당한 이점이 있다.반대로 전통적인 방법을 사용하여 로켓을 제조하는 데는 몇 년이 걸릴 수 있습니다.
자원 관리와 관련하여 3D 프린팅은 재료를 절약할 수 있으며 경우에 따라 폐기물 재활용도 가능합니다.마지막으로, 적층 제조는 로켓의 이륙 중량을 줄이는 데 귀중한 자산이 될 수 있습니다.목표는 regolith와 같은 지역 재료의 사용을 최대화하고 우주선 내에서 재료의 운송을 최소화하는 것입니다.이것은 여행 후 현장에서 모든 것을 만들 수 있는 3D 프린터만 휴대할 수 있게 합니다.
Made in Space는 이미 테스트를 위해 3D 프린터 중 하나를 우주로 보냈습니다.
공간에서 3D 프린팅의 한계
3D 프린팅에는 많은 장점이 있지만 이 기술은 아직 비교적 새롭고 한계가 있습니다.Advenit Makaya는 "항공우주 산업에서 적층 제조의 주요 문제 중 하나는 공정 제어 및 검증입니다."라고 말했습니다.제조업체는 비파괴 검사(NDT)로 알려진 프로세스인 검증 전에 실험실에 들어가 각 부품의 강도, 신뢰성 및 미세 구조를 테스트할 수 있습니다.그러나 이는 시간과 비용이 많이 소요될 수 있으므로 궁극적인 목표는 이러한 테스트의 필요성을 줄이는 것입니다.NASA는 최근 이 문제를 해결하기 위해 적층 제조로 제조된 금속 부품의 신속한 인증에 중점을 둔 센터를 설립했습니다.이 센터는 디지털 트윈을 사용하여 제품의 컴퓨터 모델을 개선하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 엔지니어는 파손되기 전에 견딜 수 있는 압력을 포함하여 부품의 성능과 한계를 더 잘 이해할 수 있습니다.그렇게 함으로써 센터는 항공우주 산업에서 3D 프린팅의 적용을 촉진하여 전통적인 제조 기술과의 경쟁에서 보다 효과적으로 만들 수 있기를 희망합니다.
이러한 구성 요소는 포괄적인 신뢰성 및 강도 테스트를 거쳤습니다.
반면 우주에서 제조하는 경우 검증 프로세스가 다릅니다.ESA의 Advenit Makaya는 "인쇄 중에 부품을 분석하는 기술이 있습니다."라고 설명합니다.이 방법은 어떤 인쇄물이 적합하고 적합하지 않은지를 결정하는 데 도움이 됩니다.또한 우주용 3D 프린터용 자체 수정 시스템이 있으며 금속 기계에서 테스트되고 있습니다.이 시스템은 제조 공정에서 잠재적인 오류를 식별하고 매개변수를 자동으로 수정하여 부품의 결함을 수정할 수 있습니다.이 두 시스템은 우주에서 인쇄된 제품의 신뢰성을 향상시킬 것으로 기대됩니다.
3D 프린팅 솔루션을 검증하기 위해 NASA와 ESA는 표준을 수립했습니다.이러한 표준에는 부품의 신뢰성을 결정하기 위한 일련의 테스트가 포함됩니다.그들은 파우더 베드 퓨전 기술을 고려하고 다른 프로세스를 위해 업데이트하고 있습니다.그러나 Arkema, BASF, Dupont 및 Sabic과 같은 재료 산업의 많은 주요 업체도 이 추적 기능을 제공합니다.
우주에 살고 있습니까?
3D 프린팅 기술의 발전으로 우리는 지구상에서 이 기술을 사용하여 집을 짓는 성공적인 프로젝트를 많이 보았습니다.이것은 우주에서 거주 가능한 구조물을 건설하기 위해 가까운 미래 또는 먼 미래에 이 과정이 사용될 수 있을지 궁금해합니다.우주에서 사는 것은 현재 비현실적이지만, 특히 달에 집을 짓는 것은 우주비행사가 우주 임무를 수행하는 데 도움이 될 수 있습니다.유럽 우주국(ESA)의 목표는 우주 비행사를 방사선으로부터 보호하기 위해 벽이나 벽돌을 만드는 데 사용할 수 있는 달 표토를 사용하여 달에 돔을 건설하는 것입니다.ESA의 Advenit Makaya에 따르면 달 표토는 약 60%의 금속과 40%의 산소로 구성되어 있으며 이 물질에서 추출하면 끝없는 산소 공급원을 제공할 수 있기 때문에 우주 비행사의 생존에 필수적인 물질입니다.
NASA는 달 표면에 구조물을 짓기 위한 3D 프린팅 시스템을 개발하기 위해 ICON에 5,720만 달러의 보조금을 수여했으며 회사와 협력하여 Mars Dune Alpha 서식지를 만들고 있습니다.목표는 붉은 행성의 조건을 시뮬레이션하면서 1년 동안 자원봉사자들이 거주지에서 살게 함으로써 화성의 생활 조건을 테스트하는 것입니다.이러한 노력은 달과 화성에 3D 프린팅 구조물을 직접 건설하기 위한 중요한 단계를 나타내며 결국 인간의 우주 식민지화를 위한 길을 닦을 수 있습니다.
먼 미래에 이 집들은 생명체가 우주에서 생존할 수 있게 해줄 것입니다.
게시 시간: 2023년 6월 14일