금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용 (1)

고부가가치 다물리 바이오닉 형상 구현 사례 : 우주발사체 MOV 하우징 개발

캐드앤그래픽스 2021년 5월호의 특집기획에서 ‘금속적층제조에서 시뮬레이션 도출 설계를 통한 부가가치 창출 방안’에 대해 소개했다. 이에 이어서 이번 호부터 3회에 걸쳐 금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용에 대해 설명한다.
이번 호에서는 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 ‘Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징’의 DfAM 적용 사례에 대해 소개한다.

■ 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 | www.tsne.co.kr

■ 전효승 | 태성에스엔이 DfAM 연구소 선임연구원이다. 다양한 적층제조 관련 교육과 DfAM 및 제조 성공사례를 만들며 DfAM의 표준을 제시하고 있다.
홈페이지 | www.tsne.co.kr

1908년 포드 모델 T부터 시작되어 약 100년간 제조산업을 지배하고 있는 소품종 대량생산과 그로부터 파생된 여러 제조방법은 저렴한 가격으로 제품을 생산하여 공급함으로써 획기적인 소비시대를 열었다. 대량생산 방식에는 항상 같은 종류의 제품을 생산하므로 공장은 정하여 놓은 한 가지 작업만을 수행하는 단능적 기계장치가 순차적으로 배치되어 제조가 이루어지며, 이에 따라 작업자의 기능도 단능공적이다. 또한 제품의 모양도 이러한 제조방법에 생산 가능한 형상으로 한정되어 점점 바이오닉한 형상과 멀어져 왔다.
‘규격화된 중간재를 이용하라, 이를 가장 간단하고 효율적으로 가공하라(예 : 상하운동을 하는 프레스 금형), 가공이 가능한 형상으로 설계하라, 기존 가공이 불가능한 형상은 쪼개어 각자 생산한 후 다시 조립하라’가 대량생산이 설계자에게 가르치는 것들이다. 이러한 전통적 기계제조 방법에서 부가가치를 논하고 바이오닉 형상 구현을 논한다는 것은 앞뒤가 맞지 않다. 대량의 단능적 설비와 저렴한 인건비의 단능공을 많이 보유한 개발도상국으로 제조산업이 이전되는 것은 너무나 당연하다. 이러한 상황에서 우리는 북미와 유럽의 제조업체들이 다능적 설비를 이용하여 다품종 소량생산을 통한 고부가가치 제조산업에 눈을 돌리는 것을 주목해야 한다.
다능적 설비의 대표적인 예가 3D 프린팅 장비이며, 이미 한국에서도 세계 유수의 3D 프린팅 장비가 제법 많이 설치되고 있다. 하지만 이를 운용할 작업자와 설계자가 반드시 다능공(Multi Capacity Engineer)이 되어야 한다는 것을 간과하고 있다. 다능공이 다능적 설비를 정확하게 이해할 때 비로소 바이오닉 형상 구현에 따른 고부가가치 제품을 개발할 수 있다는 것을 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징의 DfAM 적용사례를 통해 소개하고자 한다.

1. MOV 밸브 하우징의 DfAM 적용 사례
한국항공우주연구원은 1989년 설립 이래로 발사체에 대한 다양한 마일스톤을 세워왔으며, 최근에는 국내 독자 기술로 개발한 우주발사체인 누리호 및 차세대 발사체의 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 우주발사체를 궤도에 올리기 위해 추력을 발생시키는 부분이 엔진 부분이다. 우주발사체의 엔진은 연소기에 연료와 산화제(산소)를 같이 공급하여 연소를 진행하여 추력을 얻는 Gas-Generator Cycle의 원리를 이용한다. Main Oxidizer Valve(MOV)는 이러한 Gas-Generator Cycle에서 산소가 희박한 고고도에서도 원하는 비추력을 얻기 위해 연소기로의 산화제의 공급을 제어한다.(그림 1) 이때 주로 발사체에서는 액체 산화제(Liquid Oxygen : LOX)를 사용하기 때문에 MOV는 -183℃까지도 내려가는 극저온 환경에서 안정적이어야 한다. 더불어, 우주발사체가 발사되어 추진되는 동안에 엔진에서 발생하는 진동을 견뎌야 한다. 따라서 MOV는 이러한 극저온 및 진동에 대한 극한의 조건에 대한 신뢰성이 필수적이다.

그림 1. 발사체 엔진(왼쪽)에 위치한 Main Oxidizer Valve(왼쪽 하단) 및 엔진을 구성하는 Gas-Generator Cycle(오른쪽)