사상 최대의 금속 3D 프린팅 항공우주 부품 중 하나 공개
GE Aerospace Advanced Technology Munich가 이끄는 유럽 컨소시엄은 사상 최대 규모의 금속 3D 프린팅 항공 우주 부품 중 하나를 공개했으며 상당한 비용, 무게 및 시간 절약을 보여줍니다.
EU의 유럽 그린 딜(European Green Deal)은 항공 부문이 역할을 하는 1990년 수준과 비교하여 2050년까지 운송 배출량을 90%까지 줄여야 할 필요성을 제시합니다. 2005년 이후의 정책 조치와 업계의 노력으로 승객당 연료 효율성이 높아졌습니다. 앞으로의 우선 순위에는 저공해 항공을 추진하기 위한 재정 및 규제 조치와 클린 시트 프레임, 새로운 항공기 엔진 및 추진 시스템, 지속 가능한 항공 연료의 긴급 개발이 포함됩니다.
가능한 가장 빠른 배치를 위해 이러한 유형의 보다 연료 효율적인 항공 운송 기술을 개발하기 위해 진행 중인 중요한 연구 이니셔티브 중 하나는 현재 최종 단계에 접어든 유럽연합 집행위원회와 유럽 항공우주 산업이 자금을 지원하는 Clean Sky 2 프로그램입니다. 2021년 12월에 후속 항공기인 Clean Aviation이 출시되었습니다.
Clean Sky 2 프로그램은 유럽 전역의 학술 연구 기관과 함께 주요 업계 관계자 및 주제 전문가로 구성됩니다. 이 프로그램은 2014년 "최첨단" 항공기와 비교하여 최대 30%까지 CO2 배출량과 아산화질소(NOx) 및 소음 배출량을 줄일 수 있는 기술을 통합, 시연 및 검증하고 있습니다. 또 다른 목표는 유럽에서 강력하고 세계적으로 경쟁력 있는 항공 산업 및 공급망을 개발하는 것입니다.
독일 뮌헨에 본사를 둔 GE AAT(GE Aerospace Advanced Technology) 뮌헨 팀은 Clean Sky 2 프로그램에서 엔진 하드웨어, 이점, 설계, 제조 프로세스를 파악하고 프로그램의 목표와 관련하여 이탈리아, 체코, 폴란드 및 터키에 있는 GE Aerospace의 사이트와 긴밀히 협력하는 세 가지 핵심 파트너십을 주도하고 있습니다.
GE AAT 뮌헨이 주도하는 파트너십 중 하나는 미래 항공기 엔진을 위한 기술 성숙을 가속화하기 위해 설립된 터빈 기술 프로젝트(TURN)입니다.
그리고 Clean Sky 2의 제안에 대한 응답으로 2018년 함부르크 공과대학교(TUHH), TU Dresden(TUD) 및 기술 회사 Autodesk의 컨소시엄이 GE AAT 뮌헨을 지원하기 위해 선택되었습니다.
대규모 금속 적층 제조 구성 요소 – 첨단 적층 통합 터빈 센터 프레임(TCF) 케이스 – MONACO 프로젝트
여기에는 쿠폰 및 중요 부품의 설계 및 생산, 검증 및 적격성 평가, 전체 크기 금속 3D 프린팅 케이스의 최종 납품도 포함되었습니다.
R&D 및 엔지니어링 분야에서 거의 6년이 지난 후, GE Additive의 니켈 합금 718에 DMLM(Direct Metal Laser Melting) 기술을 사용하는 대형 TCF 케이스 디자인이 최근 컨소시엄에서 공개되었습니다. TCF 케이스는 항공우주 산업을 위해 생산되는 가장 큰 적층 제조 부품 중 하나입니다.
적층 제조된 TCF 케이스은 부품의 직경이 약 1미터 이상인 소형 엔진용으로 설계되었습니다. 비용, 무게 및 제조 리드 타임을 줄이면서 이러한 종류의 대형 엔진 하드웨어를 생산할 수 있는 이 단일 부품 설계 솔루션을 사용하면 비즈니스 경쟁 우위를 확보할 수 있습니다.
GE AAT 뮌헨의 기술 및 운영 부서인 관리자 Dr. Günter Wilfert는 "부품 무게를 25% 줄이고 2차 공기 흐름의 압력 손실을 개선하고 부품 수를 크게 줄여 유지 보수를 개선하기를 원했습니다"라고 말했습니다.
“팀은 결과에 자부심을 가질 수 있습니다. 전체 케이스의 최종 인쇄로 값을 증명할 수 있었습니다. 그 목표를 달성하고 초과 달성했습니다. 결국 우리는 무게를 ~30%까지 줄일 수 있었습니다. 팀은 또한 제조 리드 타임을 9개월에서 2개월 반으로 약 75% 단축했습니다. 기존의 터빈 센터 프레임 케이스을 구성하는 150개 이상의 개별 부품이 하나의 단일 부품 설계로 통합되었습니다.”라고 덧붙였습니다.
특정 연료 소비량에서 0.2%의 성능 이점을 포함하여 모든 엔지니어링 요구 사항이 충족되었는지 확인하기 위해 TRL(Technology Readiness Level) 및 MRL(Manufacturing Readiness Level) 4 및 다중 제조 팀 전체의 전문가가 설계를 검토했습니다. 하드웨어 품질을 충족하고 MRL4의 제조 가능성을 통합하기 위해 시험이 수행되었습니다.
주물 및 향후 애플리케이션에 대한 의존도 감소
이 새로운 부품의 환경, 성능, 무게, 비용 이점 및 폐기물 감소 외에 가장 큰 영향은 기존 제조 방식의 주조 문제에 직면한 모든 산업 분야의 공급망 붕괴일 것입니다.
최신 터보팬 항공기 엔진의 고유 구성요소인 터빈 센터 프레임은 고압 터빈에서 저압 터빈으로 흐르는 뜨거운 가스의 덕트 역할을 합니다. 일반적으로 이들은 주조 및 단조에 의해 제조된 후 추가 가공 단계가 뒤따릅니다.
고도로 규제되는 항공우주 산업의 내공성 하드웨어에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 주조 및 단조 부품에 대해 승인된 공급업체의 수는 매우 제한적입니다. 이는 리드 타임이 길고 비용이 많이 듭니다. 이러한 문제와 터빈 센터 프레임이 회전하는 부품이 아니라는 사실 때문에 적층 제조에 이상적인 후보가 되었습니다.
엔진 프레임에 대한 이 새로운 적층 제조 설계 솔루션은 미래 엔진을 위한 터빈 센터 프레임에 국한되지 않습니다. 기존 및 레거시 엔진 센터 프레임에 활용할 수 있습니다. 제안된 설계 기능은 또한 터빈 후방 프레임(TRF), 저압 터빈 케이스 및 터빈 중간 프레임(TMF)으로 전송 및 확장될 수 있습니다.
“사람들은 이미 이 부품이 어떻게 만들어졌는지, 디자인과 기술이 산업에 어떻게 적용될 수 있는지 알고 싶어합니다. 우리의 전략은 구성 요소 설계가 항공 우주 엔지니어링 요구 사항 및 Clean Sky 2 목표를 충족하는지 확인하는 것이지만 다른 유사한 세그먼트 엔진, 인접 비즈니스 및 부문으로 쉽게 변환될 수 있도록 하는 것이었습니다. 라고 GEAAT 팀의 고급 수석 엔지니어인 Ashish Sharma가 말했습니다.
Clean Aviation의 수소 동력 항공기의 프로젝트 책임자인 Christina-Maria Margariti는 "적층 제조는 중량을 줄이고 구성 요소 기능을 개선하며 복잡한 조립품의 부품 수를 크게 줄여 항공기 에너지 효율성을 직접적으로 높이고 조립 비용과 시간을 줄일 수 있는 엄청난 잠재력을 제공합니다"라고 말했습니다.
"2050년까지 탄소 중립이라는 EU 그린 딜 목표에 따라 Clean Aviation 프로그램은 2050년까지 운영 차량의 75%를 교체하는 것을 목표로 2035년까지 파괴적인 신제품 출시를 지원합니다. 따라서 출시 기간을 단축하고 생산율을 높이는 것이 이러한 야심찬 환경 목표를 달성하는 데 매우 중요합니다."라고 그녀는 덧붙였습니다.
Industry-academic 협력
컨소시엄 팀은 상업용 항공기 엔진용 대형 부품의 향후 생산을 위한 금속 적층 제조 사용의 잠재적인 판도를 바꿀 수 있는 작업과 부품 자체를 고려합니다.
Sharma는 처음부터 프로젝트와 컨소시엄을 이끌었습니다. “처음에는 엔지니어링이 거의 불가능해 보였으나, 첨단 적층 기술을 활용하고 한계를 확장한 경계를 밀어 붙임으써, 우리의 상상에 불과하고 이전에는 생각하지 못했던 현실과는 동떨어진 디자인을 달성했습니다.”라고 말했습니다.
Sharma는 이것이 엄청난 성과이며 처음부터 컨소시엄 구성원의 재능과 추진력을 반영한다고 말했습니다. “그 팀은 똑똑합니다. 모든 사람을 하나로 모으고 틀에 박힌 빌드를 위한 지원 구조를 마련한다는 것은 하드웨어뿐만 아니라 프로세스도 최적화한다는 것을 의미했습니다. 서로 다른 배경을 가진 사람들이 함께 작업하는 콜라보레이션을 보는 것은 정말 멋졌습니다. 이러한 부분이 독특했습니다.”
학계의 참여는 프로젝트의 전반적인 성공에 매우 중요했으며, 이를 통해 산업계와 긴밀하게 협력하고 인프라를 사용하고 다양한 기술을 성숙시킴으로써 대규모 유럽 기술 프로그램의 일부가 될 수 있었습니다.
Sharma는 모든 사람이 자신의 역할이 있다고 말했습니다. “Hamburg University of Technology는 캠퍼스에 GE Additive M2 기계를 설치했으며 프로토타입 제작에 대한 전문 지식은 매우 귀중했습니다. 반면 TU Dresden의 팀은 검증 및 전용 테스트 장비 구축을 담당했습니다. Autodesk는 적층 제조 공정을 위한 설계를 최적화했으며, 마지막으로 GE Additive는 ATLAS 기계를 사용하여 부품을 프린팅으로써 우리를 지원했습니다.
“이렇게 재능 있고 추가 경험이 풍부한 팀이 있다는 것은 우리가 개별 팀에서 일하고 있었다면 생각하지 못했을 기본에 대한 많은 새로운 아이디어와 개념을 가져왔습니다. 그리고 기발함이 많았다”고 덧붙였습니다.
이 프로젝트는 하드웨어를 설계하기 위해 다분야 반복 루프 설정을 사용하고 설계 반복 시간을 줄이기 위해 린(Lean) 제조 개념, 프로세스 및 도구를 활용했습니다. 압력, 열 구배 및 응력을 줄이기 위해 많은 혁신적이고 창의적인 설계 기능과 솔루션이 고려되고 도입되었습니다.
TUHH의 Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik의 임시 교수인 Dirk Herzog 박사는 다음과 같이 말했습니다. "부품 크기 때문에 처음에는 제조 부문별로 설계 개념을 평가하고 성능을 검증한 후 거기서부터 전체 규모로 전환하는 방법을 배울 필요가 있었습니다. 지난 3년 반 동안 모든 팀원들이 우리를 최종 인쇄를 위한 디자인과 DMLM 공정을 완벽하게 준비할 수 있을 정도로 발전시키기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 마침내 물리적 부품이 성공적으로 조립되는 것을 보는 것은 매우 보람 있는 일입니다."
TURN 프로그램을 시작될 때 GE AAT 뮌헨은 설계 공간을 탐색하고 적층 제조와 같은 고급 기술을 활용하는 여러 무역 연구를 수행했습니다. GE AAT 뮌헨 팀은 TCF 케이스 제작 기술을 발전시키기 위한 기술 성숙 계획을 세울 수 있었습니다.
마지막으로 컨소시엄이 기술 성숙 계획을 지원하기 시작했을 때 AutoDesk는 적층 설계를 최적화하기 위한 고급 도구를 가져왔고 TUHH는 초기 인쇄 시험을 위해 적층 기계를 추가했으며 TUD의 전문가는 검증 – 성공적인 3600 단일 부품 적층 TCF 케이스를 제공하기 위한 첫 번째 시도에서 만족스러운 결과를 제공하기 위해 혼합됩니다.
"적층으로 제조된 하드웨어를 검증하는 데 있어 가장 큰 문제는 제품으로 변환되는 측정 데이터에 반영되는 표면 마감이 변경되기 때문에 규모를 늘리거나 줄일 수 없다는 것입니다. TUD의 과학자 팀인 Thomas IIzig, Eike Dohmen 및 Sarah Korb가 말했습니다.
“팀은 계속해서 새로운 3홀 프로브를 설계 및 제조하여 적층 TCF 케이스의 압력 손실을 측정했으며, 이는 기존 설계에 비해 압력 강하가 약 90% 감소한 것으로 나타났습니다. TCF 케이스은 엔지니어링 요구 사항을 충족하기 위해 광범위한 공기/열 및 기계적 테스트를 거쳤습니다.”라고 덧붙였습니다.
이 연구에서 Autodesk의 역할은 150개 이상의 부품을 단일 구성요소로 통합하는 데 기여하면서 구조 및 유체 성능을 최적화하여 경량의 고성능 터빈 센터 프레임 케이싱을 개발하는 것이었습니다. Autodesk 팀은 프로그램 요구 사항을 충족하기 위해 소프트웨어 도구를 사용하여 구성 요소를 설계하는 데 중요한 역할을 했습니다.
