적층 제조는 제한된 생산량과 복잡한 부품을 제작하는 데 널리 활용되는 기술이다.
초기에는 주로 폴리머를 중심으로 사용되었지만, 현재는 금속, 섬유, 생물학적 물질까지 재료 호환성이 확대되고 있다.
이러한 재료 선택지의 증가는 다양한 산업에서 적층 제조 활용을 넓히고 있으며, 특히 금속 프린팅은 항공우주 산업에서 주목받고 있다.
항공우주 엔지니어는 항공기가 경험하는 기상 조건부터 우주선이 경험하는 진공 환경까지 극한 조건에서 작동해야 하는 솔루션을 설계한다.
이러한 극한 환경은 항공우주 및 재료 엔지니어가 설계 요구를 충족하기 위한 새로운 기법을 탐색하게 만든다.
이때 항공우주 적층 제조 재료는 가능한 해결책 중 하나이며, 엔지니어는 설계의 운용 환경과 최신 프린팅 공정에 맞는 재료를 선택해야 한다.
항공우주 부품 적층 제조의 장점과 한계
적층 제조는 3D 객체를 한 층씩 쌓아 만드는 성형 공정이다. 이 방식은 엔지니어가 재료 낭비를 줄이면서 복잡한 부품을 제작할 수 있게 한다.
항공우주 산업에서 사용되는 특수 부품처럼 부품별 생산이 필요한 경우, 프린팅 방식은 강력한 장점을 제공한다.
금형 제작, 부품 조달, 가공 비용을 줄이면서도 항공우주 산업에 필요한 형상 복잡도를 유지할 수 있기 때문이다.
또한 적층 제조는 기존 제조 방식으로는 제작이 불가능하거나 비효율적인 부품을 만들 수 있다.
따라서 엔지니어는 위상 최적화, 격자 구조, 유기적 형상 같은 경량화 기법을 활용할 수 있다.
이를 통해 부품과 출력 공정을 맞춤화하여 재료 비용을 절감하고 시행착오를 줄일 수 있다.
(이미지 제공: Additive Industries)
적층 제조 공정에서 발생하는 문제
적층 제조 재료에는 장점만 있는 것이 아니다.
설계자에게 특히 중요한 과제는 부품 제조 공정의 최적화이다. 각 레이어가 개별적으로 응고되기 때문에 부품에는 변형, 결함, 내부 응력이 발생할 수 있다. 이러한 프린팅 문제는 시행착오를 통해 해결되는 경우가 많다.
하지만 금속 프린팅 부품을 폐기하는 것은 비용 부담이 크다. 시행착오 비용이 적층 제조 공정으로 전환해 얻는 이점보다 커질 수도 있다. 원문은 이러한 위험을 줄이고 고품질의 인증 가능한 부품을 확보하기 위한 솔루션으로 Ansys Additive Suite를 제시한다.
항공우주 적층 제조 재료 물성의 중요성
또 다른 프린팅 과제는 출력된 부품의 재료 물성과 관련된다.
응고 방식의 차이로 인해 부품 내부에는 재료 물성이 크게 다른 영역이 생길 수 있다. 최종 재료 물성은 부품 성능과 직접 연결된다. 따라서 엔지니어는 적층 제조와 기존 제조 공정을 비교해 해당 부품에 가장 적합한 생산 방식을 결정할 수 있어야 한다.
이를 통해 인쇄 공정이 재료 특성을 어떻게 변화시키는지 보여주고 있다.
Ansys GRANTA Selector를 활용한 재료 선택
Ansys GRANTA Selector는 재료 선택을 위한 산업 표준 도구이다.
엔지니어는 GRANTA Selector를 사용해 수천 가지 재료의 물성을 비교할 수 있다. 예를 들어 열 안정성과 같은 재료 물성, 비용과 같은 경제적 특성 등을 함께 평가할 수 있다.
또한 엔지니어는 특성화 데이터를 데이터베이스에 추가할 수 있다.
이를 통해 출력 재료가 기존 제조 방식으로 생산된 동일 재료와 비교해 어떻게 성능을 보이는지 시각화할 수 있다. 이러한 비교는 적층 제조를 적용할 수 있는 새로운 분야를 찾는 데 도움을 준다.
결론
항공우주 적층 제조는 복잡한 형상, 경량화 설계, 특수 부품 제작에 강점을 가진다. 금속 3D 프린팅을 활용하면 기존 제조 방식으로 제작하기 어렵거나 비효율적인 부품을 만들 수 있다.
하지만 항공우주 부품은 극한 환경에서 작동해야 하므로 재료 선택이 매우 중요하다.
레이어별 응고 과정에서 변형, 결함, 내부 응력이 발생할 수 있고, 출력 부품 내부의 재료 물성이 위치에 따라 달라질 수 있기 때문이다.
Ansys Additive Suite는 프린팅 공정 위험을 줄이는 데 활용할 수 있으며, Ansys GRANTA Selector는 적층 제조 재료와 기존 제조 재료의 물성을 비교하는 데 활용할 수 있다.
결국 항공우주 적층 제조의 핵심은 운용 환경, 프린팅 공정, 재료 물성을 함께 고려해 적합한 재료를 선택하는 것이다.
출처 : Ansys Selecting the Right Materials for Aerospace Additive Manufacturing
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