- 소형 인공위성 로켓엔진 인젝터 헤드 적용, 35개 부품 1개 통합·비용 3배↓

- 3D시스템즈 CIC 협력, 위성 RF필터·브래킷·엔진부품 등 성공사례 창출

▲ 일자 뭘러 항공공학연구센터(DLR) 구조설계연구소 연구원이 3D시스템즈 고객혁신센터(CIC)와 함께 개발한 액체 로켓 엔진 인젝터 헤드를 소개하고 있다.

엘론 머스크의 스페이스 X가 민간 우주여행시대를 열기 위해 재활용 로켓을 개발하는 등 우주항공분야에서 효율과 경제성이 중요해지고 있는 가운데, 금속 3D프린팅 기술이 로켓 발사체 부품의 설계 및 비용 혁신을 이끄는 중요한 솔루션으로 자리매김하고 있다.

독일 슈투트가르트에 위치한 항공공학연구센터(DLR)는 유럽 국제공동R&D 프로젝트이자 세계 최대 연구혁신 프로그램인 ‘호라이즌(Horizon)2020’의 지원으로 유럽형 차세대 소형 발사체(SMILE:SMall Innovative Launcher for Europe) 프로젝트를 수행하고 있다.

이 프로젝트의 목표는 최대 150kg의 소형 인공위성을 500km 상공에 띄울 발사체를 설계하는 것이다. DLR은 프로젝트에 참여하고 있는 14개 참여기관 중 하나로 SMILE용 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계·개발하는 역할을 맡았다.

소형 발사체 상용화에 있어서는 반드시 경량화와 비용절감 문제를 해결해야 한다. 특히 액체 산소연료와 산화제를 분배해 연소기로 보내는 역할을 하는 인젝터 헤드의 경우 수많은 구멍의 방향과 크기가 서로 달라 가공이 매우 어려운 부품이다. 이에 DLR은 인젝터 제작에 있어 보다 효율적인 솔루션으로 3D프린팅을 주목했다. 3D프린팅은 아무리 복잡한 구조라도 제작이 가능하고 비용을 증대시키고 품질 하락의 요인이 될 수 있는 조립과정을 생략할 수 있다. 특히 설계 수정에서 제작까지 시간을 단축할 수 있고 적층하기 때문에 비싼 재료를 아낄 수 있다는 장점이 있다.

DLR은 인젝터 헤드 부품을 적층제조에 맞게 설계(DfAM)했으며 이를 실제로 제작하기 위해 벨기에 루벤에 위치한 세계적인 3D프린팅 솔루션기업 3D SYSTEMS CIC(3D시스템즈 고객 혁신센터, Customer Innovation Center)와 협력에 나섰다. 3D시스템즈는 고객이 개발한 적층제조 제품을 상용화하고 검증하는 토털솔루션을 제공하기 위해 전세계 4곳에 CIC를 구축한 바 있다.

3D시스템즈는 500W 레이저가 장착된 금속 3D프린터 ‘ProX™ DMP 320’와 적층제조 전문 소프트웨어인 ‘3DXpert™’를 통해 인젝터 헤드 제작을 지원했다. 최고 700°C를 견딜 수 있으며 산화 및 부식을 방지하고 강도가 높은 인코넬(Inconel)합금으로 적층제조했다.

그 결과 냉각 채널 등 기존 35개의 부품을 1개로 통합돼 무게가 10% 감소됐으며 추진 시스템의 성능 및 부품수명도 향상됐다. 이렇게 제작된 인젝터 헤드를 냉각 및 고온 연소 테스트한 결과 내구성은 물론 혼합 및 연소 효율이 향상된 것으로 나타났다. 특히 제작비용은 기존대비 3배나 감소됐으며 설계 및 시제품 제작 테스트에 불과 몇 주 밖에 걸리지 않아 프로젝트 진행시간을 크게 단축됐다. 또한 개발된 설계 및 제조 방법은 다른 시스템에도 적용이 가능하다.

▲ DLR과 3D시스템즈가 협력해 제작해 인젝터 헤드 부품

DLR 구조설계연구소에서 이번 프로젝트를 맡고 있는 일자 뭘러(Ilja Muller) 연구원은 “냉각 및 연소 테스트를 통해 만족스러운 결과를 얻었으며 3D프린팅은 훌륭한 제조기술로 항공우주 연소기 제작분야에서 적극 활용될 것이며 투자만 잘 이뤄진다면 전도유망한 시장으로 성장할 것“이라고 강조했다.

이러한 성공사례 창출을 통해 3D프린팅 시장도 성장이 기대되고 있다. 프로젝트에 따르면 인젝터 개당 가격이 1억원으로 로켓을 1년에 10번 발사할 계획인데 로켓하나에 인젝터가 40개가 들어가기 때문에 1년만해도 인젝터 부품만 400억원 규모다.

한편 3D시스템즈는 자사의 금속 적층제조 솔루션인 DMP 기술을 바탕으로 우주항공분야에서 다양한 프로젝트를 추진 중이다. Airbus Defense and Space와 상업용 통신위성용으로는 처음으로 3D프린팅으로 제작해 검증한 무선 주파수(RF) 필터를 장착했는데 이전에 비해 무게를 50% 줄였다. Thales Alenia Space와는 기존 제작방식대비 25% 더 가볍고 강성이 향상된 티타늄 브래킷을 제작했으며 유럽 우주국 (ESA) 등과도 효율이 뛰어난 엔진부품을 개발 중이다.

특히 회사는 적층제조를 통한 제조혁신에 초점을 맞춰 3D프린터를 사용하는 고객이 보다 활발히 적층제조 기술을 활용 및 응용할 수 있도록 CIC를 통해 다양한 프로젝트를 추진 중이다. 프로젝트를 통해 고객과 함께 부품의 경량화, 설계 혁신을 통한 압도적인 공정의 단축, 소재의 특성을 반영한 부품의 물성 관리 등을 함께 공유, 연구함으로써 부품 개발과 생산 혁신의 성과를 창출하고 있다.

3D시스템즈코리아 관계자는 “세계적인 제조강국 대한민국의 제조기업들이 경제성과 효용성을 추구하는 제조혁신을 통한 경쟁력을 확보할 수 있도록 3D시스템즈 CIC와 함께 다양한 적층제조 프로젝트의 활성화를 지원할 계획”이라고 밝혔다.

▲ 인젝터 헤드 부품은 연소 테스트를 통해 성능이 우수함을 인정받았다.