벡터플로(Vectoflow GmbH)는 유체역학 계측 엔지니어링 분야 전문기업으로, 복잡한 유량 측정 프로브를 개발 및 제조하며 혁신적 프로세스를 통해 고품질의 측정 기술을 제공한다. 이 업체는 EOS의 적층제조(AM) 기술을 사용하여 높은 내구성을 가진 이상적인 디자인을 구현해냈다.

■ 자료 제공 : EOS, www.eos.info

■ 과제 : 터보 엔진의 속도 및 온도 측정을 위한 견고한 프로브 생산

■ 솔루션 : 적층제조되어 매우 견고하고 얇은 구조이며 긴 수명과 정밀한 측정을 특징으로 함

● 유연성 : 형태, 재료, 사이즈면에서 자유로운 디자인

● 강건성 : 기존 제조방식으로 생산된 파트보다 150% 더 견고함

● 유지보수 : 절감된 유지보수 비용, 연장된 서비스 기간

● 속도 : 일반 프로젝트 대비 1/3의 제품 개발 기간 소요

유량 측정 프로브는 공기 흐름의 속도 및 각도를 측정하는 부품으로, 항공기 및 터보 기계 설비에 사용된다. 프로브에 유입되는 공기의 속도와 각도는 그 흐름에 따라 달라진다. 비교적 작고 깨지기 쉬운 것처럼 보이지만, 극한의 스트레스를 견뎌내야 하고 항상 안정적으로 작동해야 한다. 벡터플로는 복잡한 유량 측정 프로브 개발 및 제조를 전문으로 하는 업체이다.

스피드는 항공기의 매우 중요한 요소이다. 항공기에서 스피드는 다른 운송수단에 비해 매우 결정적인 이점이며, 스피드가 낮을 경우 기류가 갑자기 멈추어 항공기가 충돌할 가능성이 있다. 반면 속도가 너무 빠르면 구성 파트에 과한 스트레스가 가해진다. 유량 측정 프로브는 항공기의 속도를 지속적으로 측정하기 위한 부품이다. 공기가 유량 측정 프로브를 통과할 때 속도는 압력에 따라 달라진다. 예를 들어 이는 비행 시 공기가 엔진을 통과하여 추진력을 제공하는 속도이다.

현재의 아음속 및 초음속 범위에서 빈번히 접하게 되는 높은 마하수를 고려할 때, 의심의 여지 없이 프로브에 심각한 스트레스가 가해진다. 예를 들어, 항공기의 기수가 급격히 상향 또는 하향으로 향하는 매우 큰 영각에서 기능이 보장되어야 한다는 것이다. 또한, 프로브가 공기 흐름의 방향으로 기울어진 각도에 위치할 경우, 높은 힘과 불규칙한 공기 흐름이 제트 엔진의 특정 부분에 발생한다. 전통적인 유량 측정 프로브를 바탕으로 향상 개발된 Kiel 프로브가 그 해결책이다. 이는 극한의 비행 조정 혹은 선회시 정확한 측정을 가능하게 한다. 그러나 프로브의 내부 구성요소에 가해지는 스트레스는 더욱 증가한다. 이는 특히나 열 부하가 높은 엔진의 경우 더 치명적이다.

벡터플로는 이러한 프로브 개발의 전문가이다. 초기 단계부터 전문가 팀은 앞서 언급한 문제를 해결하기 위해 적층제조(AM : Additive Manufacturing) 방법을 사용했다. 엔지니어들은 Rake라고 불리는 공기역학적 디자인을 갖춘 프로브 그룹 생산의 임무를 받았다. 공기의 흐름을 방해하지 않기 위해 매우 작고 최적화된 형태를 갖추어야 했으며, 동시에 섭씨 1000도의 온도를 견뎌내야 했다.

벡터플로의 엔지니어이자 이사인 카타리나 크라이츠(Katharina Kreitz)는 “우리의 고객인 항공우주산업 분야의 European Research Company는 프로브가 여러 개의 파트로 구성되어 있고, 그렇기에 파손되는 문제가 지속적으로 발생하여 매우 불안해했다. 우리는 이 문제를 해결하기 위해 단일 부품으로 구성된 프로브를 제조해냈다”면서, “적층제조는 Kiel 프로브를 단일 부품으로 생산할 수 있게 했으며, 특수한 구성은 EOS의 기술력을 이용해서만 가능했다. 이를 통해 벡터플로는 특수 기능 통합 디자인을 구현하고 내부 채널과 전체적 사이즈를 매우 작게 만들어낼 수 있었다”고 말했다.

벡터플로는 부품을 모델링할 때 2차 소음과 같이 발생할 수 있는 파괴적 요소, 그로 인해 발생할 수 있는 어떠한 영향의 수를 최소한으로 하는 것을 매우 중요하게 생각한다. 엔지니어들은 또한 EOS M290 시스템을 이용한 적층제조 파트의 특성으로 열부하 용량과 관련된 효과적인 솔루션을 발견했다. 온열 요소는 각 측정 장치의 온도를 측정했고, EOS의 니켈-크롬 합금은 섭씨 1000도에 이르는 높은 온도에서도 견딜 수 있으며, 음속의 2배의 환경에서도 완벽하게 작동했다.

벡터플로는 또한 제품 품질을 최적화하기 위해 모든 파트에 대해 광범위한 후처리를 도입했다. 특별해 개발된 후처리 공정을 통해 프로브의 매끄러운 표면과 훌륭한 마무리가 가능했다. 이를 통해 프로브의 공기 역학적 품질이 최적화되어 제트엔진에서 흐르는 공기 경계층의 압력과 온도를 측정하는 기능이 손상되지 않는다.

Katharina Kreitz는 “벡터플로는 European Research Company로부터 매우 긍정적인 피드백을 받았다. 전통적인 기계적 프로세스를 사용하여 제조된 프로브와 달리, 이 샘플은 매우 인상적이었다. 이 새로운 프로브는 기존 부품보다 150% 더 견고하면서, 더 얇은 두께와 개선된 공기 역학적 디자인 및 후처리를 통해 매우 정확한 측정을 가능하게 한다. 빈번한 프로브 파손은 과거의 일이 되었다”고 말했다.

또 다른 이점도 발견되었다. 프로브의 유지보수 기간 역시 연장되었으며, 작업시간도 감소하였다. 또한 비용적 측면에서도 긍정적 영향을 미치고, 상당한 견고성과 높은 수준의 안정성을 보였다. 적층제조를 통해 생산 리드타임을 상당히 단축하고 신속한 납품이 가능해졌다. 벡터플로는 초기단계부터 제품 완성단계까지의 시간을 기존 부품 대비 1/3까지 줄였다.

적층제조는 설계, 사이즈, 재료 측면에서 최대한의 유연성을 발휘하고 신속한 생산 및 납품으로 장기간의 서비스와 정확하고 신뢰할 수 있는 생산을 가능하게 한다. 따라서 초음속 단위의 극한의 스트레스를 견디는 최대 안전기준을 요구하는 우주공학에 이상적이다.