MTU 에어로 엔진(MTU Aero Engine, 이하 MTU)은 독일의 엔진 제조업체이다. 뮌헨에 위치하고 있으며 9000여 명의 직원을 고용하고 10년이 넘는 전통을 가진 회사이다. MTU는 가스 터빈뿐 아니라 민간 및 군용 항공기 엔진 부품을 개발, 생산 및 공급한다. 또한 고객에게 엔진 최종 조립 및 서비스와 관련하여 조언 및 감독 서비스를 제공한다. 이 회사는 적층제조 기술을 부품 생산에 활용해 높은 수준의 설계 자유도와 개발/생산기간 및 납기를 단축했다. 또한 개발 및 생산비용을 절감하고, 더 가볍고 복잡한 부품을 생산할 수 있게 되었다.

■ 자료 제공 : EOS

■ 과제 : 안전하고 비용 효율적인 연속 생산 부품의 구성을 위한 현재 사용 중인 EOS의 시스템의 최적화된 사용

■ 솔루션 : 차세대 엔진 PurePower PW1100G-JM의 Geard Turbo Fan을 위한 Borescope Boss의 적층제조

● 경량화 : 사실상 무제한의 디자인 자유

● 속도 : 개발, 제조, 납품 시간 대폭 감축

● 경제성 : 툴이 필요 없는 제조를 통해 개발 및 생산 비용 대폭 절감

“연료 소비 15% 감소” 이는 항공기 제조사인 에어버스(Airbus)가 새로운 단/중거리 항공기인 A320neo를 통해 고객에게 제공하고자 하는 가장 주요한 이점이다. 이 목표를 달성하기 위해서는 더욱 더 효율적인 엔진이 필요하다.

MTU는 미국의 엔진 제조사 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney)의 주요한 공급업체이며, 에어버스가 목표를 달성하게 하는데 매우 중요한 역할을 수행한다. 최고의 기술력을 유지하기 위하여 뮌헨의 항공기 엔진 전문가들은 혁신적인 생산 프로세스 사용에 적극적으로 협조하고 있다. MTU에서는 EOS의 기술을 적용하여 Borescope Bosses(터빈 검사용 액세스 포인트) 를 생산하고 있으며, 이는 적층제조(AM : Additive Manufacturing)가 매우 중요한 역할을 하고 있음을 증명한다.

우주항공 분야는 세계에서 가장 혁신적인 분야 중 하나이다. 에어버스는 A380 설계에서만 무려 380개의 특허를 신청했다. 우주항공 산업에서 양산 파트에 적용될 새로운 재료 및 기술은 파트의 생산 비용, 무게 및 기능 개선에 매우 중요한 역할을 한다.

우주항공 분야의 제조업체와 공급업체는 양산 파트의 혁신을 위해 레이저와 파우더를 이용한 레이어 적층방식의 AM 프로세스를 테스트하였다. 이전에 적층제조는 각 파트의 생산시기를 앞당기기 위한 목적의 프로토타입 제작에 주로 사용되었으나, 이후 여러 이점 덕분에 적층제조는 부품 양산의 필수 요소로 자리잡았다.

적층제조는 매우 가볍고 내화/난연특성을 가진 플라스틱에서부터 다양한 금속에까지 이르는 재료 선택의 다양성과 향상된 설계의 자유도를 주요 장점으로 한다. 일반적으로 새로운 항공기 제작의 원동력은 가격 경쟁력과 안전성이기에, 새로운 기술을 도입할 경우에는 이 두 원동력의 올바른 중간 입장을 선택하는 것이 매우 중요하다. MTU는 독일의 선도적인 엔진 제조업체로서, 적층제조를 도입하기 위한 전략적 단계별 접근법을 채택했다.

MTU는 2015년 기준으로 EOS 장비 7대를 보유 중이다. MTU의 Rapid Technologies 이사인 칼 하인츠 두셀(Karl-Heinz Dusel)은 “10여년 전, 우리는 적층제조를 툴 생산과 개발 파트 제작에 도입하기 시작했다. 설비 가동률 최적화와 단계별 계획 실현을 위하여 적층제조 기술을 적용할 수 있는 추가적인 분야를 모색하고 있다”고 말했다. MTU의 가장 큰 과제는 비용과 안정성이고, 다른 한편으로는 전략적 혁신을 추구하는 것이다.

Borescope Bosses는 최신 엔진 모델 및 Geared Turbo Fan(GTF)에 사용될 예정이며 EOS의 장비를 이용해 생산된다. 두셀 이사는 “적층제조 도입의 두번째 단계 초기에 기존의 파트를 대체하는 원 부품의 생산을 시작했다. A320neo-GTF의 저압 터빈용 Borescope Bosses 역시 이 단계에 속한다”라고 전했다.

이 추가 구성 부품은 내시경을 이용하여 엔진 내부의 터빈 블레이드의 상태를 확인할 수 있도록 한다. 이 파트는 내시경용 개구부를 만들기 위하여 터빈 하우징 내에 고정되어 있으며, 우주항공 분야에서는 이를 Borescope라고 한다.

내열성과 내구성은 니켈 기반 합금의 핵심 특성이다. 이 소재는 파트에서 요구되는 최상의 결과를 이끌어 낼 수 있지만, 난삭재로서 기계 가공이 어려운 문제가 있었다. 다행히도 이와 같은 문제는 적층제조를 통해 손쉽게 해결할 수 있었다. MTU는 원재료인 니켈 기반 합금 역시 생산하기에, 생산 시스템에 승인 및 통합된 새로운 프로세스 체인을 개발할 수 있었다.

전체 제조 공정은 MTU가 특별히 개발한 제어 시스템을 통해 보장된다. 이 제어 시스템은 온라인 모니터링으로 각 제조 단계에서 레이어별로 이미지를 캡처한다. 또한 광학 단층촬영(Optical Tomography)과 같은 새로운 품질보증 절차를 도입하였고, 독일 연방 항공국(The German Federal Aviation Authority)에서는 EOS 장비를 인증하였다. 과거에는 Borescope Bosses가 주로 주조 혹은 절삭가공을 통해 제작되었지만, A320neo의 Geared Turbo Fan용 저압 터빈은 적층제조를 통해 생산된 Borescope를 연속으로 장착한 최초의 터빈이다. 무엇보다도 생산 및 개발 단계에서 가장 결정적이었던 EOS 기술의 가장 큰 이점은 비용 절감이었다.

MTU는 EOS와의 긴밀하고 적극적인 협업 및 전략적 접근을 통해 성과를 올렸다. Borescope의 양산을 위한 준비가 시작되었고, 작업 당 16개 파트, 연간 총 2000개의 파트가 생산된다. 과거의 생산 프로세스와 비교할 때 금액은 수십 퍼센트 절감되었고 고품질의 파트 생산이 가능했다. MTU와 EOS는 구조역학의 완성도를 달성하려는 목적으로 표면의 매끄러운 표면처리의 최적화 작업을 위하여 함께 노력하고 있다.

두셀 이사는 “EOS의 기술은 거의 무한한 수준의 설계 자유도와 개발, 생산, 납기단축의 특징을 보인다. 또한 개발 및 생산비용이 크게 절감된다. 더 가볍고 복잡한 부품이 현실화될 수 있으며, 생산과정에서 추가적인 재료나 도구가 거의 필요하지 않다”고 말했다.

MTU는 베어링 하우징이나 터빈용 블레이드와 같이 매우 높은 수준의 안정성, 신뢰성을 요구하는 항공기 엔진의 추가적인 여러 부품의 생산에서도 적층제조의 가능성을 발견하고 있다.

MTU는 15년 이내에 적층제조를 통해 상당 수의 부품을 생산할 목표를 가지고 있다. EOS의 기술력은 세계에서 가장 까다로운 분야 중 하나인 우주항공 산업분야의 MTU의 경쟁력에 큰 기여를 하고 있다.