금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용 (2) 
 

이번 호에서는 비행체의 급기동 성능 향상을 위한 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션을 활용에 대하여 자세히 다루고자 한다.

■ 유병주 | 태성에스엔이 금속적층제조(DfAM) 연구소 소장이다. 구조해석 분야의 오랜 경험과 통찰력을 바탕으로 금속적층제조 분야의 설계, 해석 및 3D 프린팅 소재, 제품에 대한 연구를 총괄하며 다양한 국책지원사업에 참여하고 있다. 
홈페이지 | http://www.tsne.co.kr

■ 황우진 | 태성에스엔이 DfAM 연구소 책임연구원이다. DfAM 전문가로서 설계부터 제작까지 수반되는 애디티브 솔루션(Additive Solutions) 전문 해석을 담당하고 있다. AM 교육 담당과 함께 DfAM 및 제조 성공 사례를 발굴하며 DfAM의 표준을 제시하고 있다.    
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소형 항공 플랫폼용 구동부 시스템은 고해상도 위성카메라용 안테나 장치, 발사체의 자세 제어 장치, 미사일의 대상물 추적 장치 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 이러한 구동부 시스템은 중력가속도의 수십 배에 달하는 가속 충격을 견뎌야 하며, 진동에 의한 공진 현상을 최소화하여 개발된다. 일반적으로 구동부 시스템의 주요 부품은 통(Monobloc)가공방법으로 제조되는데, 그 이유는 여러 부품으로 이루어질 경우 부품들을 조립한 후 강성이 약화되어 정밀 제어가 어려워지기 때문이다. 통가공을 위한 소재는 절삭가공성이 우수한 스테인리스 스틸 계열 소재가 널리 사용되고 있다. 
구동부 시스템의 회전체들은 뛰어난 운동응답성능이 필요하다. 따라서 축을 회전시키기 위하여 사용되는 모터는 높은 토크를 필요로 하며 크고 무거운 고용량의 모터가 장착된다. 일반적으로 센서용 구동부 시스템은 센서의 성능을 보장하기 위해 비행 플랫폼의 최외각에 배치된다. 이것은 비행체의 무게 중심에서 제일 멀리 구동부 시스템이 위치한다는 것을 의미한다. 구동부 시스템이 무거울 경우, 비행체의 비행거리에 영향을 미칠 뿐만 아니라 회전운동 능력에도 심각한 영향을 끼친다. 
구동부 시스템의 부품을 경량화하면 보다 가벼운 모터를 사용할 수 있다. 따라서 구동부 시스템이 경량화된다. 구동부 시스템의 경량화는 비행체의 회전운동 능력을 획기적으로 향상시켜준다. 비행체에서 본다면 구동부 시스템의 구조 부품은 매우 작지만, 이것을 경량화할 경우 선순환을 일으켜 전체 성능의 개선을 일으킬 수 있다. 작은 부품의 경량화가 어떻게 전체 비행체의 성능을 향상시킬 수 있을까? 답은 관성모멘트에 있다. 회전체에서는 경량화를 넘어 관성모멘트를 고려한 설계를 해야 한다.
구동부 시스템에서 무엇을 개선하고, 어떻게 개선해야 할까? 기존 구동부 시스템을 다시 살펴보며, 솔루션을 찾아보자.

■ 질문 1 : 통가공한 스테인리스 스틸 부품의 대안이 있는가? 
■ 답변 1 : 스틸보다 비중이 낮은 경금속으로 소재를 대치하고 일체화 적층제조 적용
■ 질문 2 : 무게중심을 고려한 관성모멘트 최소 설계가 가능한가?
■ 답변 2 : 시뮬레이션 도출 설계 시, 관성모멘트 최소화와 무게중심 고정을 시뮬레이션에 반영
 

이번 호에서는 비행체의 급기동 성능 향상을 위한 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션을 활용에 대하여 자세히 다루고자 한다.

1. 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션 활용
스테인리스 스틸 소재는 알루미늄, 티타늄과 같은 경량 소재 대비 비중이 높아 상대적으로 상당한 무게를 지니고 있다. 따라서 제품화에 따른 구동부 전체 시스템의 무게가 무거워질 수밖에 없다. 또한 통가공이라는 것은 자원의 효율적 이용이라는 측면에서 볼 때 매우 낭비이다. 그리고 절삭을 위한 절삭툴 접근이 제한되므로 만들 수 있는 모양에 제한이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 개발에서는 고강도, 경금속 소재를 이용한 3D 프린팅을 제안하였다. 내식성, 내열성이 우수하고 스테인리스 스틸 대비 무게가 40% 정도 가벼운 티타늄 소재를 선정하였고 DfAM 과정을 통하여 구동부 시스템의 무게와 회전 저항을 대폭 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. 지금부터 금속 3D 프린팅을 통한 구동부 시스템의 경량화 개발에 대하여 자세히 다루어 보고자 한다.
이번 개발에 적용한 구동부 시스템은 크게 기계 가공이 필요한 기구물과 구동부로 분류된다. 이번 개발에서는 핵심 3가지 제작 파트인 Body Housing, Payload Support Plate, Gear Set에 대한 경량화 설계를 수행하였고 이후 실제 3D 프린팅 제작까지 완료하였다. <그림 1>은 이번 개발에 적용된 최초 설계 모델이다. 위 3가지 파트와 설계 요구사항을 살펴보면 다음과 같다.
첫째, Body Housing 은 구조물에 부가되는 하중을 지지해야 하기 때문에 구조 강성/강도가 매우 중요하다. 플랫폼의 운용 조건에 따라 매우 큰 하중이 적용되게 되며, 비행 플랫폼의 특성 상 하중은 X, Y, Z 방향에 모두 적용된다. 또한 구동 구성품이 배치되어야 하는 영역이 필수적으로 필요하여 재료를 재배치하는데 매우 큰 제약이 따르지만, 비행 플랫폼의 운용 성능을 극대화하기 위해서는 반드시 경량화되어야 한다.
둘째, Payload Support Plate는 자체 무게의 경량화가 필요할 뿐만 아니라 회전 구동에 직접 관여하는 대상이기 때문에 무게 중심이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 무게 중심이 축 중심에 있지 않을 경우 질량관성모멘트가 커지게 되어 더 높은 토크의 모터 성능이 필요하다. 
셋째, Gear Set 또한 Payload Support Plate와 마찬가지로 경량화가 필요하고 질량관성모멘트 최소화가 필요한 파트이다. 단순 기어 구동 시스템으로 특별히 강도/강성을 필요로 하지는 않으나 회전 구동에 직접 관여하는 부품이므로 DfAM을 통한 질량관성모멘트 개선이 중요하다. 또한 Gear Set는 기존 방식인 기계 가공성을 고려하여 초기 설계가 2개의 파트로 최초 설계되어 있다. 따라서 3D 프린팅을 통한 일체화가 필요한 파트이다.

그림 1. 항공 플랫폼 부품의 기초 설계