립헬 에어로스페이스(Liebherr-Aerospace)는 항공 산업을 위한 시스템 공급업체이며, 50년 이상 비행 제어 및 작동 시스템, 착륙 기어, 대기 관리, 기어 및 기어 박스 등 항공 장비를 개발해 왔다. 립헬이 적층 제조 기법으로 생산한 새로운 밸브 블록은 전통적 제조방법으로 생산된 부품과 같은 성능을 제공하면서도 무게는 35% 더 가벼워졌고, 티타늄 합금으로 만들어졌다.

 

■ 자료 제공 : EOS, www.eos.info

 

 

■ 과제 : 전통적 제조기법으로 생산된 1차 제어 유압 구성품을 적층제조기법으로 생산된 파트로 교체하며, 비행에 필요한 모든 인증 요구사항을 충족시켜야 함

■ 솔루션 : 더 적은 구성 파트와 효율적 프로세스 체인을 갖춘 경량화된 3D 프린팅 부품을 생산

● 경량화 : 기존 대비 35% 무게 절감

● 간소화 : 구성 파트 수 10개 감소

● 안정성 : 비행에 필요한 모든 인증 요구사항 충족

● 효율성 : 전통적 제조기법으로 생산된 파트와 동일한 기능성

 

 

립헬 에어로스페이스(Liebherr-Aerospace)는 항공 산업을 위한 시스템 공급업체이며, 이 분야에서 50년 이상의 경험을 보유하고 있다. 립헬이 개발, 생산 및 서비스하는 항공 장비의 범위는 비행 제어 및 작동 시스템, 착륙 기어, 대기 관리, 기어 및 기어 박스 등이다. 3D 프린팅된 유압 밸브는 립헬과 에어버스(Airbus), 독일의 켐니츠(Chemnitz) 공과대학이 공동으로 개발하였으며 독일 연방 경제 에너지부에서 일부 자금 지원을 받았다.

 

 

 

오늘날 비행의 꿈은 산업용 3D 프린팅 기술을 사용하여 항공기 부품을 생산하는 것이다. 모든 회사는 고객에게 새로운 혜택을 제공하고 잠재적 비용 절감, 지속 가능성 목표와 관련하여 시장에서 차별화를 할 수 있는 기회를 열고자 한다. EOS의 적층 제조 기술을 활용해 립헬은 목표 달성에 점차 가까워지고 있다. EOS의 금속 3D 프린팅 기술을 사용한 고압 유압 밸브 블록의 실현은 중요한 이정표가 되었다. 이 밸브 블록은 에어버스 A380 항공기를 이용한 비행에서 성공적으로 테스트되었다.

 

 

 

생태론적 의식 증가, 연료 가격 상승, 대체 에너지원 부족에 대항하여 우주 항공 산업은 그 경쟁력을 유지하기 위해 새로운 기술을 찾아야 한다. 파우더 베드 기반의 산업용 3D 프린팅은 근본적인 변화, 혁신 요소를 촉진시킬 수 있다. 립헬은 6년 전부터 적층제조 프로그램을 시작했고, EOS의 금속 3D 프린팅 기술이 항공기 매니폴드에 적용 가능함을 입증했다. 에어버스 및 켐니츠 공과대학의 연구팀과 함께 립헬은 독일 연방 경제 에너지부로부터 예산을 받아 프로젝트를 시작했다. 목표는 기존의 1차 비행 구성품인 고압 유압 밸브 블록을 적층 제조된 파트로 대체하는 것이었다.

 

비행시 여러 구성요소가 함께 작동하며 안전한 비행을 보장한다. 스포일러 액추에이터(Spoiler Actuator)는 스포일러를 원하는 위치에 이동시켜 비행기의 양력을 감소시킨다. 이러한 종류의 1차 비행 제어 구성 요소는 생산 과정에서 최고 수준의 품질과 정밀도를 요구한다. 전통적 생산 방식에서 밸브블록은 단조된 원료에서 시작하여 기계 가공 - 절단 - 드릴링 - 최종 조립의 순서로 제작된다.

 

이 프로세스는 시간이 많이 소모되고 복잡하며 최적화 여지가 매우 적다. 그러나 금속 3D 프린팅 생산은 그 공정 수만으로도 가능한 개선의 여지를 보여주고 있다. 뿐만 아니라 적층 제조 3D 프린팅으로 생산된 새로운 파트는 더 가볍고, 자원 효율적이고, 환경 친화적이며 미래의 유망한 기술로서 가능성을 증명하고 있다.

 

 

 

 

 

립헬의 솔루션은 EOS의 고품질 산업용 3D 프린팅 기술을 사용하여 항공 산업에서 구현할 수 있는 설계 및 프로세스 체인을 개발하는 것이었다. 첫 번째로, 전통적 방식으로 생산된 파트를 분석했다. 유압 구조가 확인되었고 보조 단면이 제거되었다. 주요 부품의 위치는 지능적이면서 짧은 연결 라인을 최적화하기 위한 목적으로 설치 공간 및 인터페이스 요구사항을 고려하여 재검토되었다. 이는 새로운 파트의 디자인을 위한 기초가 되었다.

 

립헬 에어로스페이스 린덴베르크(Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH)의 적층제조 연구 기술 수석 엔지니어인 알렉산더 알트만(Alexander Altmann)은 “산업용 3D 프린팅에서 복잡한 디자인은 더이상 문제가 되지 않는다. EOS M290 시스템에서는 부품을 30㎛~60㎛ 두께의 수 많은 얇은 층으로 구성되어 복잡한 형상을 구현할 수 있다. 기능적 요소들은 곡선 파이프를 이용하여 서로 직접 연결되었다. 따라서 가로놓인 여러 구멍을 연결하는 복잡한 파이프 시스템이 필요 없기 때문에 생산 시간을 절약할 수 있다”고 설명했다.

 

재료로 선정된 티타늄 합금은 여러 장점을 가지고 있어 특히나 항공기에 매우 적합하다. 이는 매우 가볍고 기계적으로 안정되어 있으며 내식성이 매우 우수하기 때문에, 비용 효율적일 뿐만 아니라 무게를 절감할 수 있다. 후처리 과정은 유압 채널을 위한 특별한 조치뿐만 아니라 응력 제거를 위한 열처리 등이 포함된다.

 

알트만 수석 엔지니어는 또한 “생산된 파트와 그 재료의 신뢰성, 안정성에는 조금의 의심도 있어서는 안 된다. EOS의 기술을 통해 립헬은 순차 생산(Serial production)의 다음 단계를 위한 필수조건인 최고 품질의 티타늄 부품을 생산할 수 있었다”고 설명했다.

 

 

 

적층 제조를 통해 생산된 새로운 밸브 블록은 전통적 방식으로 생산된 부품과 동일한 성능을 가졌지만 35% 더 가볍고 더 적은 수의 파트로 구성되어 있다. 가로놓인 여러 개의 구멍을 연결하는 복잡한 파이프 시스템을 제거하면서, 새로운 밸브 블록에 10개의 기능적 요소를 통합하는 것이 가능해졌다. 알트만은 “더 가볍고 더 적은 구성 요소로 동일한 파트를 만드는 것이 적층 제조의 가장 핵심이었고, 이는 립헬 에어로스페이스에서 매우 중요한 단계”라고 말했다. 이 새로운 3D 프린팅 파트는 현재 A380 항공기 테스트 비행에서 성공적으로 시험 사용되었다.

 

산업용 3D 프린팅은 전통적인 밀링 공정에 비해 덜 복잡하고 매우 효율적이며 티타늄 폐기물을 최소화한다. 알트만 수석 엔지니어는 “현재 밸브 블록을 제조하는데 약 하루의 시간이 걸리며, 이를 EOS의 M400-4 금속 3D 프린터로 제작할 경우 그 시간을 75% 수준으로 줄일 수 있는 잠재력이 있다. 또한 3D 프린팅으로 더 가벼워진 밸브 블록은 연료 소비 감소와 CO2, NOx 배출 감소에도 기여할 것”이라고 전했다.

 

항공기 부품에 대한 요구사항이 점점 더 까다로워지고 있기 때문에 립헬은 절대적으로 신뢰할 수 있는 생산 공정 수립을 위해 더욱 더 적층 제조를 이해하고자 노력하고 있다. EOS는 립헬의 적층 제조 프로세스 기술 제공자이면서 동시에 품질 보증을 용이하게 하는 파트너이다. 립헬은 시험 단계부터 참여하면서 EOS 모니터링 스위트(EOS mornitoring suite)의 새로운 모듈인 EOSTATE Exposure OT 개발에 기여하였다. 알트만 수석 엔지니어는 “앞으로 EOSTATE Exposure OT 프로그램을 이용하여 산업용 3D 프린팅 프로세스에서 재료 결함을 신속하게 파악하고, 컴퓨터 단층 촬영과 같은 후속 품질 보증 프로세스의 필요성을 줄일 수 있다”고 전했다.