제3차 산업 혁명의 제조 분야에서 전형적인 대표 기술로서 3D 프린팅의 발전은 항상 각계각층의 광범위한 관심을 끌어왔습니다. 금속 고성능 적층 제조 기술(금속 3D 프린팅 기술)은 업계 전문가들에 의해 3D 프린팅 분야에서 어려운 고기준 개발 분기로 여겨지며, 산업 제조에서 중추적인 역할을 합니다. 남극곰은 금속 3D 프린팅의 발전에도 주목하고 있습니다. 현재 전 세계의 산업 제조 회사들은 금속 적층 제조 기술을 활발히 연구 개발하고 있으며, 특히 항공우주 제조 회사들은 기술적 우위를 확보하기 위해 많은 재정적 및 물질적 자원을 투자하고 있습니다.
미국의 제조업 복귀 전략과 독일의 산업 4.0 배경 속에서 국제 환경은 3D 프린팅의 성장에 필수적인 영양분을 제공합니다. 미국의 새로 설립된 국가 적층 제조 센터든 영국의 기술 전략 위원회든, 항공우주는 적층 제조 기술의 주요 응용 분야입니다. 2012년 10월, 중국 과학 아카데미의 전 회장인 루용샹은 중국의 3D 기술이 항공우주 분야에서 먼저 적용될 것이라고 분명히 밝혔습니다.
산업의 왕관 속 빛나는 진주인 항공우주 제조 분야는 한 나라의 모든 첨단 기술을 통합하며, 국가 전략 계획이 실행되고 정치적 상황이 드러날 수 있는 백업 보장 분야입니다. 새로운 제조 기술로서 금속 3D 기술은 항공우주 분야에서 뛰어난 응용 장점과 명확한 서비스 이점을 가지고 있습니다. 이는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다:
(1) 새로운 항공우주 장비의 연구 개발 주기를 단축
항공우주 기술은 국방력의 상징이자 국가 정치의 표현입니다. 세계 각국 간의 경쟁은 극도로 치열합니다. 따라서 모든 국가는 국방 분야에서 무적이 되기 위해 더 빠른 속도로 새로운 무기와 장비를 개발하려고 합니다. 금속 3D 프린팅 기술은 고성능 금속 부품, 특히 고성능 대형 구조 부품의 제조 과정을 크게 단축시킵니다. 부품 제조 과정에서 사용되는 금형을 개발할 필요가 없어 제품 개발 및 제조 주기를 크게 단축할 수 있습니다.
국방대학교 군 물류 및 군사 과학 기술 장비 학과의 리다광 교수는 1980년대와 1990년대에 새로운 세대의 전투기를 개발하는 데 최소 10-20년이 걸렸다고 말했습니다. 3D 프린팅 기술의 가장 두드러진 장점은 가공이나 어떤 금형도 필요하지 않다는 것입니다. 모든 형태의 부품은 컴퓨터 그래픽 데이터에서 직접 생성될 수 있으므로, 3D 프린팅 기술과 기타 정보 기술을 사용하면 새로운 전투기를 최소 3년 안에 개발할 수 있습니다. 기술의 높은 유연성, 높은 성능 및 유연한 제조 특성, 복잡한 부품의 자유로운 신속 프로토타입 제작과 결합되어 금속 3D 프린팅은 항공우주 분야에서 빛을 발하고 방위 장비 제조에 강력한 기술 지원을 제공합니다.
국내 대형 항공기 C919의 중앙 플랜지 부분은 항공 분야에서 금속 3D 프린팅 기술의 전형적인 응용 사례입니다. 이 구조 부품은 3미터가 넘는 길이를 가지며, 세계에서 금속 3D 프린팅으로 생산된 가장 긴 항공우주 구조 부품입니다. 전통적인 제조 방법을 사용하면 이 부품은 초대형 프레스를 통해 단조해야 하며, 이는 시간과 노동력이 많이 소모될 뿐만 아니라 원자재를 낭비하게 됩니다. 현재 중국에는 이러한 대규모 구조 부품을 생산할 수 있는 장비가 없습니다.
따라서 항공기의 개발 과정과 안전을 보장하기 위해 우리는 이 부품을 해외에서 주문해야 하며, 주문에서 설치까지의 생애 주기는 2년 이상으로 길어 항공기 연구 개발의 진행을 심각하게 저해합니다. 금속 3D 프린팅 기술로 인쇄된 중앙 플랜지 스트립은 약 한 달 만에 개발되었으며, 그 구조적 강도는 단조 기준에 도달하거나 이를 초과하여 항공 기준을 완전히 준수했습니다. 금속 3D 프린팅 기술의 사용은 우리나라 대형 항공기의 개발을 크게 단축시켜 개발 작업이 원활하게 진행될 수 있도록 했습니다.
(2) 자원 활용률을 높이고, 비싼 전략 자재를 절약하며, 제조 비용을 줄입니다.
그리고 이것은 항공우주 분야에서 금속 3D 프린팅 기술의 적용을 나타내는 축소판에 불과합니다.
대부분의 항공우주 제조 분야는 티타늄 합금 및 니켈 기반 초합금과 같은 가공하기 어려운 금속 재료와 같은 비싼 전략적 재료를 사용하고 있습니다. 전통적인 제조 방법에서 재료의 활용률은 매우 낮으며, 일반적으로 10%를 넘지 않거나 심지어 2%-5%에 불과합니다. 재료의 막대한 낭비는 가공 절차가 복잡하고 생산 기간이 길다는 것을 의미합니다. 가공하기 어려운 기술 부품이라면 가공 주기가 크게 증가하고 제조 주기가 상당히 연장되어 제조 비용이 증가하게 됩니다.
금속 3D 프린팅 기술은 근접 형상화 기술로서, 소량의 후속 가공만으로 사용될 수 있으며, 재료의 활용률은 60%에 도달하고 때로는 90% 이상에 이를 수 있습니다. 이는 제조 비용을 줄이고 원자재를 절약할 뿐만 아니라 국가에서 제안한 지속 가능한 개발 전략에도 부합합니다.
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2014년 중국 과학 아카데미에서 열린 심포지엄에서 베이항대학교의 왕화밍 교수는 중국이 이제 C919 항공기 조종석의 유리 창틀을 단 55일 만에 인쇄할 수 있다고 말했습니다. 왕화밍은 또한 유럽의 항공기 제조 회사가 같은 것을 생산하는 데 최소 2년이 걸리며, 금형을 만드는 데만 200만 달러가 들 것이라고 말했다고 전했습니다. 그러나 중국의 3D 프린팅 기술 사용은 생산 주기를 단축하고 효율성을 높일 뿐만 아니라 원자재를 절약하여 생산 비용을 크게 줄입니다.
(3) 부품의 구조를 최적화하고, 중량을 줄이며, 응력 집중을 줄이고, 수명을 늘립니다.
항공우주 무기 및 장비의 경우 중량 감소는 영원한 주제입니다. 이는 비행 중 비행 장비의 유연성을 증가시킬 뿐만 아니라 적재 능력을 증가시키고 연료를 절약하며 비행 비용을 줄일 수 있습니다. 그러나 전통적인 제조 방법은 이미 부품의 중량 감소를 극대화하였으며, 여분의 용량을 더 이상 발휘하는 것은 비현실적입니다.
그러나 3D 기술의 적용은 복잡한 부품의 구조를 최적화할 수 있습니다. 성능을 보장하는 전제 하에 복잡한 구조를 단순한 구조로 변형하고 재설계하여 중량을 줄일 수 있습니다. 또한 부품의 구조를 최적화함으로써 부품의 응력을 가장 합리적인 분포로 나타내어 피로 균열의 위험을 줄이고, 수명을 증가시킬 수 있습니다. 합리적이고 복잡한 내부 유동 채널 구조를 통해 온도 제어를 실현하여 설계 및 사용을 최적화합니다. DLP 소재는(liqcreate wax castable 및 liqcreate 프리미엄 모델), 또는 재료의 복합화를 통해 다양한 부품의 임의 자유 성형을 실현하여 사용 기준을 충족합니다.
전투기의 착륙 장치는 높은 하중과 충격을 견디는 핵심 부품으로, 높은 강도와 높은 충격 저항을 가진 부품이 필요합니다. 미국 F16 전투기에서 3D 기술로 제조된 착륙 장치는 사용 기준을 충족할 뿐만 아니라 원래 부품의 평균 수명보다 2.5배 더 긴 수명을 가지고 있습니다.
(4) 부품의 수리 및 형성
금속 3D 프린팅 기술의 생산 및 제조 사용 외에도, 금속 고성능 부품의 수리에서의 응용 가치는 그 자체의 제조보다 결코 낮지 않습니다. 현재 상황에 비추어 볼 때, 수리 형상에서의 금속 3D 프린팅 기술의 잠재력은 그 자체의 제조보다 더 높습니다.
고성능 일체형 터빈 블리스크 부품을 예로 들어보겠습니다. 디스크의 특정 블레이드가 손상되면 전체 터빈 블리스크가 폐기되며, 직접적인 경제적 손실은 백만 달러를 넘습니다. 과거와 비교할 때, 이러한 손실은 회복할 수 없고 가슴 아픈 일이지만, 3D 프린팅의 층별 제조 특성에 기반하여 손상된 블레이드를 특별한 기판으로 간주하고 손상된 부분에 레이저 3차원 형성을 수행하면 부품의 형태를 복원할 수 있으며, 성능은 사용 요구 사항을 충족하고 기본 재료보다 더 높습니다. 3D 프린팅 과정의 제어 가능성 덕분에 수리의 부정적인 영향은 매우 제한적입니다.
사실, 3D 프린팅된 부품은 수리가 더 쉽고 더 잘 맞습니다. 다른 제조 기술과 비교할 때, 3D 수리 과정에서는 제조 과정과 수리 매개변수 간의 간격으로 인해 조직, 조성 및 성능 측면에서 수리 영역과 기판의 일관성을 유지하기가 어렵습니다. 그러나 3D 형성 부품을 수리할 때는 이러한 문제가 존재하지 않습니다. 수리 과정은 적층 제조 과정의 연속으로 간주될 수 있으며, 수리 영역과 기판은 최적의 일치를 이룰 수 있습니다. 이는 부품 제조 과정에서 선순환을 실현하며, 저비용 제조 + 저비용 수리 = 높은 경제적 이익을 가져옵니다.
(5) 전통 제조 기술과 협력하고 상호 보완
전통 제조 기술은 대량 생산형 제품의 생산에 적합한 반면, 3D 프린팅 기술은 개인화된 또는 정밀한 구조 제품의 제조에 더 적합합니다. 3D 프린팅 기술과 전통 제조 기술을 결합하여 각자의 강점을 활용하고, 각각의 장점을 최대한 발휘하여 제조 기술을 더욱 강력하게 만듭니다.
예를 들어, 표면에서 고품질 성능이 요구되지만 중심에서 평균 성능이 필요한 부품의 경우, 전통 제조 기술을 사용하여 중심형 부품을 생산한 다음, 레이저 스테레오 형성 기술을 사용하여 이러한 중심 부품 위에 직접 표면 부품을 형성할 수 있습니다. 이렇게 하면 높은 표면 성능과 일반적인 중심 요구 사항을 가진 부품이 생산되어 공정의 복잡성을 줄이고 생산 과정을 단축합니다. 이러한 상호 보완적인 조합은 생산 및 부품 제조에서 중요한 실용적 응용 가치를 가지고 있습니다.
더욱이, 외부 구조는 단순하지만 내부 구조가 복잡한 구성 요소의 경우, 전통 제조 기술을 사용하여 내부 복잡한 구조를 제조할 때 과정이 번거롭고 후속 가공 절차가 복잡하여 생산 비용이 증가하고 생산 주기가 길어집니다. 외부에는 전통 제조 기술을 사용하고 내부에는 3D 프린팅 기술을 사용하여 직접적으로 순형상에 가깝게 하여 소수의 후속 공정만으로 제품 제조를 완료할 수 있습니다. 이는 생산 주기를 단축하고 비용을 절감하며, 전통 기술과 신기술의 완벽한 조화를 이루어 상호 운용성과 상호 보완성을 달성합니다.
3D 프린팅 기술의 주요 응용 분야인 항공우주 분야는 뚜렷한 기술적 이점을 가지고 있지만, 이는 금속 3D 프린팅이 만능이라는 것을 의미하지 않습니다. 실제 생산에서는 기술 응용에서 해결해야 할 많은 문제가 여전히 존재합니다. 예를 들어, 현재 3D 프린팅은 대량 생산에 적응할 수 없고, 고정밀 요구 사항을 충족할 수 없으며, 고효율 제조를 달성할 수 없습니다. 게다가 3D 프린팅의 발전을 제한하는 주요 요인은 장비의 높은 비용이며, 대부분의 민간 분야는 이러한 높은 장비 제조 비용을 감당할 수 없습니다. 그러나 재료 기술, 컴퓨터 기술 및 레이저 기술의 지속적인 발전으로 제조 비용은 계속 감소하여 제조 산업이 생산 비용을 감당할 수 있는 능력을 충족할 것입니다. 그때 3D 프린팅은 제조 분야에서 빛을 발할 것입니다.
