한국생산기술연구원이 항공우주부품의 제조자립을 향한 의미 있는 발걸음을 내딛었다.

생기원은 3D프린팅제조혁신센터 손용 박사팀이 금속 3D 프린팅 기술을 이용해 우주 발사체용 추진제 탱크의 시제품 제작에 성공했다고 28일 밝혔다.

특히 이 시제품은 항우연 미래발사체연구단의 성능평가까지 합격하면서 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

이번 성과는 지난 2020년 10월 양 기관이 체결한 ‘항공우주부품 제조자립 업무협약’의 첫 결실로, 생기원의 시제품은 금속 3D프린팅 기술을 적용해 두 개의 탱크를 하나로 합친 공통격벽 형태로 구현됐다.

기존 발사체용 추진제 탱크는 ‘산화제’와 ‘연료’ 탱크를 별도 제작해 이어붙인 ‘숫자 8’의 형상을 하고 있어 불필요한 여백이 생기고 부피도 커서 공간 효율성이 떨어졌다. 이에 손 박사팀은 하나의 탱크 벽면 위에 또 다른 탱크를 바로 겹쳐 쌓아 올리는 제작 기법을 고안했다. 

이를 통해 소형 발사체 상단 설계 시 공간 효율성은 12% 높이고, 부품무게는 27% 낮춰 경량화를 이뤄냈다.

연구팀은 이 같은 복잡한 형상 구현을 위해 금속 분말이나 와이어를 공급하고 레이저를 이용해 급속 응고시켜 적층하는 ‘직접 에너지 적층(DED)’ 방식의 금속 3D 프린팅 기술을 적용했다. DED는 공정 시간이 길어질 경우 열 누적으로 제작품의 열변형을 일으킬 수 있어 주로 소요시간이 짧은 파손 부품의 보수 등에만 사용돼 왔던 방식이다.

하지만 연구팀은 DED 방식에 실시간 공정 모니터링을 더해 공정 변수를 적절히 제어하는 기술을 적용함으로써 제작시간이 긴 추진제 탱크 부품을 고품질로 제작하는데 성공했다.

이렇게 생기원이 개발한 공통격벽 구조의 축소된 추진제 탱크는 항우연 미래발사체연구단의 30bar의 내압 성능평가에서 합격점을 받았다. 3D 프린팅 기술이 시제품 제작 수준을 넘어 실제 현장에 적용 가능한 상용화 단계까지 도달했음이 검증된 것이다.

이에 따라 향후 3D 프린팅 기술이 성형, 용접, 절삭 등 전통적 우주발사체 탱크 생산방식을 대체하고, 구조 설계의 자유도 향상, 공정 자동화, 제작 기간 단축 등의 효과를 이끌어 낼 것으로 기대된다.

생기원 손용 박사는 “국외에서는 이미 다품종 소량생산의 맞춤형 항공우주부품 제작에 3D 프린팅 기술이 적극 활용되고 있다”며, “점차 고성능 엔진, 대형 구조 부품 등으로 적용 범위가 확대되는 가운데 생기원과 항우연의 지속적 협력을 통해 3D 프린팅 기술을 적용한 항공우주 부품 개발과 제조산업의 혁신을 앞당길 것”이라고 말했다.

황민승 기자 다른기사 보기