[케이스 스터디] MTU 에어로 엔진, 적층제조 부품의 품질 테스트 프로세스 마련
광학 단층 촬영 기술과 결합해 품질 보증에 소요되는 시간을 단축
3D 프린팅 기술에 기반한 적층제조는 품질 보증에 대한 새로운 방법과 비용 효율적인 아이디어를 요구하고 있다. MTU 에어로 엔진(MTU Aero Engines)은 3D 프린팅 적층 제조 공정에 대한 모니터링 및 문서화를 위해 광학 단층 촬영(Optical Tomography) 기술을 개발했으며, 양산 애플리케이션에 대한 비용 효율적 품질 보증 프로세스를 마련했다. ■ 자료 제공 : EOS
▲ 적층제조로 생산된 부품을 테스트할 때, MTU Aero Engines는 EOSTATE Exposure OT를 이용하여
레이어 별 적층 과정을 실시간으로 모니터한다.
양산 과정에서 종단간 모니터링
우주항공산업 분야에서 생산되는 모든 부품은 엄격한 품질 기준을 충족해야 한다. 특히 양산(serial production) 환경에서 부품 품질 및 공정 안정성, 재현성에 대한 기준은 매우 높다. 따라서 종단간(end-to-end) 품질 보증은 전체 생산 체인에서 매우 중요하다.
불과 몇년 전에는 3D 프린팅 적층 제조를 위한 잘 정립된 테스트 과정이 없었기에 염료 침투 탐상 검사, 엑스레이, 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 같은 비파괴 및 후속과정이 금속 파트의 품질 보증에 사용되었다. 이러한 전통적인 테스트 방법은 일부 경우에 한하여 효과적이라고 볼 수 있으나, 대부분 비용이 많이 들고 불충분할 수 있다. 간혹 품질 보증에 소요되는 비용이 생산 비용보다 커질 수 있다.
산업용 3D 프린팅을 위한 품질 보증 체계
3D 프린팅 적층제조 프로세스는 안전인증에 대한 엄격한 요구사항으로 인해 엔진 건설과 관련된 분야에서 여러 중요 과제를 가지고 있다. 항공기의 비행을 위한 모든 구성요소는 원자재에서 최종 제품에 이르기까지 결함 여부를 확실히 하기 위하여 지속적인 모니터링이 필요하다. 이는 산업용 3D 프린팅을 위한 품질 보증(기술 테스트, 공정 제어, 문서화)에 새로운 방법과 비용 효율적 아이디어가 필요하다는 것을 뜻한다.
MTU 에어로 엔진(MTU Aero Engines)은 3D 프린팅 적층 제조 공정에 대한 100% 모니터링 및 문서화가 가능한 특정 테스트를 위한 목적으로 2013년 광학 단층 촬영(Optical Tomography) 기술 개발을 시작했다. 초기 연구 및 구현 단계가 성공적으로 완료된 후, 이 기술은 EOS와 파트너십을 통해 EOSTATE Exposure OT 시리즈 솔루션으로 더욱 발전하였다.
이 시스템은 sCMOS 산업용 카메라로 전체 제조환경을 모니터링하고 용융 공정의 열 방출을 고해상도로 측정한다. 이 소프트웨어는 설정 변경이 가능하며 각 레이어 별 파트 품질에 대한 상세한 정보를 제공한다. 따라서 광학 단층 촬영으로 재현성을 모니터링하며, 빌딩 파트와 제조 공정, 프린팅 시스템 간 비교 가능성을 높이고, 양산 애플리케이션에 대한 비용 효율적 품질 보증의 통합 기능을 제공한다. MTU 에어로 엔진은 현재 EOSTATE Exposure OT를 추가 테스트 절차로 설정하는 것을 목표로 하고 있으며, 이는 품질 보증과 관련된 비용을 크게 절감할 수 있다.
▲ 에어버스 A320네오의 맞춤 터보 엔진을 위한 보어스코프 포스를 3D 프린팅 적층 기술로 양산
적층제조 프로세스의 레이어 별 라이브 모니터링 구축
MTU 에어로 엔진은 신형 에어버스 A320네오(Airbus A320neo)의 기어드 터보팬 엔진(Geard Turbofan Engines)의 보어스코프 보스(Borescope Boss) 공정 개발 및 품질 보증을 위해 적층 제조 양산 라인에 EOSTATE Exposure OT를 수년간 사용해왔다. 이로 인해 MTU는 이 품질 보증 프로세스에 대해 포괄적으로 경험할 수 있었고, 그 대안인 비파괴 실험과 비교를 수행하였다. 초기에 양산 품목들은 전통적인 방사선 검사와 CT 촬영과 OT를 병행하였고 그 결과를 체계적으로 비교했다.
EOSTATE Exposrue OT는 기존의 테스트 방법과 마찬가지로 기공(Cavities, Pores), 고형 함유물, 불완전 융합 등을 포함한 가능한 모든 유형의 결함을 감지할 수 있는지, EOSTATE Exposure OT가 더 우수한 탐지 확률(POD: Probability of Detection)을 달성할 수 있는지 그 여부가 결정적인 질문이었다. 단면 비교, 현미경 검사와 같은 파괴적 테스트 방법과의 비교도 체계적으로 수행되었다.
수차례 테스트로 EOSTATE Exposure OT는 신뢰성을 구축하였고, MTU에서 품질 보증의 패러다임 변화로 이어졌다. EOSTATE Exposure OT를 통한 제조 프로세스의 레이어 별 라이브 모니터링은 이제 적층 제조 파트를 테스트하기 위한 새로운 대안이 되었다.
엔진 제조 산업의 공식 테스트로 발전 전망
EOSTATE Exposure OT가 모든 잠재적인 결함을 확실히 감지한다는 것이 입증되었고, MTU 에어로 엔진은 양산을 위한 결정을 내렸다. EOSTATE Exposure OT와 전통적인 방사선, CT, 파괴 검사 방법의 비교에서 EOSTATE Exposure OT의 POD는 다른 비파괴 검사 방법, 특히 불완전 융합 검사보다 높았다. 구체적으로 이것은 RT 또는 CT 스캔으로 발견된 모든 오류가 EOSTATE Exposure OT로 명확히 표시된다는 것을 의미한다.
적층 제조 기술 책임자인 칼-하인츠 두셀(Karl-Heinz Dusel) 박사는 “EOSTATE Exposure OT는 부품의 결함 여부에 대하여 매우 신뢰성 있는 결과를 제공한다. 아직 결함을 놓친 적이 한 번도 없다. 이로서 보어스코프 보스의 양산 단계에서 엑스레이 및 CT 검사를 완전히 배제할 수 있었다. 이로 인한 경제적 이익은 매우 상당하다”고 말했다.
앞으로 독일의 주요 엔진 제조 업체는 EOSTATE Exposure OT를 간단한 프로세스 모니터링 기술에서 공식 테스트 방법으로 업그레이드할 계획이다. 통계적 프로세스 제어는 결과의 평가를 크게 단순화할 수 있다. 결함이 없는 몇 건의 제조 작업을 통해 신뢰할 수 있는 편차 곡선을 정의할 수 있으며, 모든 병렬 샘플링 프로세스를 대체할 수 있다. 추가적인 시험은 편차가 관찰되는 경우에만 필요하다.
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작성일 : 2019-04-02