제조 기술 컨설팅 회사인 SmarTech에 따르면 항공우주는 적층 제조(AM)가 의료에 이어 두 번째로 큰 산업입니다.그러나 항공우주 부품의 신속한 제조, 유연성 및 비용 효율성 향상에서 세라믹 재료의 적층 가공 잠재력에 대한 인식이 여전히 부족합니다.AM은 더 강하고 가벼운 세라믹 부품을 더 빠르고 지속 가능하게 생산할 수 있어 인건비를 절감하고, 수동 조립을 최소화하며, 모델링을 통해 개발된 설계를 통해 효율성과 성능을 향상시켜 항공기 무게를 줄일 수 있습니다.또한 적층 가공 세라믹 기술은 100미크론보다 작은 형상에 대해 완성된 부품의 치수 제어를 제공합니다.
그러나 세라믹이라는 단어는 부서지기 쉽다는 오해를 불러일으킬 수 있습니다.실제로 적층 가공 세라믹은 뛰어난 구조적 강도, 인성 및 넓은 온도 범위에 대한 저항성을 갖춘 더 가볍고 미세한 부품을 생산합니다.미래 지향적인 기업들은 노즐, 프로펠러, 전기 절연체, 터빈 블레이드 등 세라믹 제조 부품으로 눈을 돌리고 있습니다.
예를 들어, 고순도 알루미나는 경도가 높고 내식성과 온도 범위가 강합니다.알루미나로 만들어진 부품은 항공우주 시스템에서 흔히 발생하는 고온에서도 전기적으로 절연됩니다.
지르코니아 기반 세라믹은 고급 금속 성형, 밸브 및 베어링과 같이 극한의 재료 요구 사항과 높은 기계적 응력이 있는 다양한 응용 분야를 충족할 수 있습니다.질화 규소 세라믹은 고강도, 고인성 및 우수한 열충격 저항성을 가지며 다양한 산, 알칼리 및 용융 금속의 부식에 대한 내화학성이 우수합니다.질화규소는 절연체, 임펠러, 고온 저유전율 안테나 등에 사용됩니다.
복합 세라믹은 몇 가지 바람직한 품질을 제공합니다.알루미나와 지르콘이 첨가된 실리콘 기반 세라믹은 터빈 블레이드용 단결정 주조 제조에 탁월한 성능을 발휘하는 것으로 입증되었습니다.이는 이 소재로 제작된 세라믹 코어가 최대 1,500°C까지 열팽창이 매우 낮고 다공성이 높으며 표면 품질이 우수하고 침출성이 우수하기 때문입니다.이러한 코어를 인쇄하면 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있고 엔진 효율을 높일 수 있는 터빈 설계를 제작할 수 있습니다.
세라믹의 사출 성형이나 가공은 매우 어렵고 가공으로 인해 제조되는 부품에 대한 접근이 제한된다는 것은 잘 알려져 있습니다.얇은 벽과 같은 특징도 가공하기 어렵습니다.
그러나 Lithoz는 리소그래피 기반 세라믹 제조(LCM)를 사용하여 정밀하고 복잡한 모양의 3D 세라믹 부품을 제조합니다.
CAD 모델부터 시작하여 세부 사양이 디지털 방식으로 3D 프린터로 전송됩니다.그런 다음 정밀하게 제조된 세라믹 파우더를 투명한 통 상단에 바릅니다.이동식 건설 플랫폼은 진흙 속에 잠긴 후 선택적으로 아래에서 가시광선에 노출됩니다.레이어 이미지는 투영 시스템과 결합된 디지털 마이크로 거울 장치(DMD)에 의해 생성됩니다.이 과정을 반복하면 3차원 녹색 부분이 층별로 생성될 수 있습니다.열 후처리 후 바인더를 제거하고 그린 부품을 특수 가열 공정을 통해 소결 결합하여 우수한 기계적 특성과 표면 품질을 지닌 완전히 조밀한 세라믹 부품을 생산합니다.
LCM 기술은 사출 성형 및 로스트 왁스 주조에 필요한 비싸고 힘든 금형 제조를 우회하여 터빈 엔진 부품의 매몰 주조를 위한 혁신적이고 비용 효율적이며 빠른 프로세스를 제공합니다.
LCM은 또한 다른 방법보다 훨씬 적은 양의 원자재를 사용하면서 다른 방법으로는 얻을 수 없는 디자인을 구현할 수 있습니다.
세라믹 재료와 LCM 기술의 엄청난 잠재력에도 불구하고 AM OEM(Original Equipment Manufacturer)과 항공우주 설계자 사이에는 여전히 격차가 있습니다.
한 가지 이유는 특히 엄격한 안전 및 품질 요구 사항이 있는 산업에서 새로운 제조 방법에 대한 저항 때문일 수 있습니다.항공우주 제조에는 철저하고 엄격한 테스트뿐만 아니라 많은 검증 및 자격 프로세스가 필요합니다.
또 다른 장애물은 3D 프린팅이 공중에서 사용할 수 있는 어떤 것보다 주로 일회성 고속 프로토타이핑에만 적합하다는 믿음입니다.다시 말하지만 이는 오해이며, 3D 프린팅된 세라믹 부품이 대량 생산에 사용되는 것으로 입증되었습니다.
예를 들어 AM 세라믹 공정에서 단결정(SX) 코어는 물론 방향성 응고(DS) 및 등축 주조(EX) 초합금 터빈 블레이드를 생산하는 터빈 블레이드 제조가 있습니다.복잡한 가지 구조, 다중 벽 및 200μm 미만의 후행 모서리를 가진 코어를 빠르고 경제적으로 생산할 수 있으며 최종 구성 요소는 일관된 치수 정확도와 탁월한 표면 마감을 갖습니다.
커뮤니케이션을 강화하면 항공우주 설계자와 AM OEM을 하나로 모으고 LCM 및 기타 기술을 사용하여 제조된 세라믹 부품을 완전히 신뢰할 수 있습니다.기술과 전문성이 존재합니다.R&D와 프로토타입 제작에 대한 AM의 사고방식을 바꿔야 하며, 이를 대규모 상용 애플리케이션을 위한 앞으로의 길로 봐야 합니다.
교육 외에도 항공우주 기업은 인력, 엔지니어링, 테스트에 시간을 투자할 수도 있습니다.제조업체는 금속이 아닌 세라믹을 평가하기 위한 다양한 표준과 방법을 잘 알고 있어야 합니다.예를 들어 구조용 세라믹에 대한 Lithoz의 두 가지 핵심 ASTM 표준은 강도 테스트용 ASTM C1161과 인성 테스트용 ASTM C1421입니다.이 표준은 모든 방법으로 생산된 세라믹에 적용됩니다.세라믹 적층 제조에서 인쇄 단계는 단지 성형 방법일 뿐이며 부품은 기존 세라믹과 동일한 유형의 소결을 거칩니다.따라서 세라믹 부품의 미세 구조는 기존 가공과 매우 유사합니다.
소재와 기술의 지속적인 발전을 바탕으로 디자이너들은 더 많은 데이터를 얻게 될 것이라고 자신있게 말씀드릴 수 있습니다.새로운 세라믹 재료는 특정 엔지니어링 요구에 따라 개발되고 맞춤화될 것입니다.AM 세라믹으로 제작된 부품은 항공우주 분야에 사용하기 위한 인증 프로세스를 완료합니다.그리고 향상된 모델링 소프트웨어와 같은 더 나은 설계 도구를 제공할 것입니다.
항공우주 기업은 LCM 기술 전문가와 협력함으로써 AM 세라믹 공정을 내부적으로 도입하여 시간을 단축하고 비용을 절감하며 기업 고유의 지적 재산 개발 기회를 창출할 수 있습니다.예측과 장기 계획을 통해 세라믹 기술에 투자하는 항공우주 기업은 향후 10년 및 그 이후에 전체 생산 포트폴리오에서 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.
AM Ceramics와 파트너십을 구축함으로써 항공우주 OEM은 이전에는 상상할 수 없었던 부품을 생산하게 됩니다.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Shawn Allan은 2021년 9월 1일 오하이오주 클리블랜드에서 열리는 Ceramics Expo에서 세라믹 적층 제조의 장점을 효과적으로 전달하는 것의 어려움에 대해 연설할 예정입니다.
극초음속 비행 시스템의 개발은 수십 년 동안 존재해 왔지만 이제는 미국 국방의 최우선 과제가 되었으며 이 분야를 급속한 성장과 변화의 상태로 이끌고 있습니다.독특한 다학문적 분야로서, 그 발전을 촉진하는 데 필요한 기술을 갖춘 전문가를 찾는 것이 과제입니다.그러나 전문가가 충분하지 않으면 R&D 단계에서 제조 가능성을 위한 설계(DFM)를 먼저 고려하고, 비용 효율적인 변경을 하기에는 너무 늦어 제조 공백으로 변하는 등 혁신 격차가 발생합니다.
새로 설립된 응용 극초음속 대학 연합(UCAH)과 같은 연합은 해당 분야를 발전시키는 데 필요한 인재를 육성하기 위한 중요한 환경을 제공합니다.학생들은 대학 연구원 및 업계 전문가와 직접 협력하여 기술을 개발하고 중요한 극초음속 연구를 발전시킬 수 있습니다.
UCAH 및 기타 국방 컨소시엄은 회원들이 다양한 엔지니어링 업무에 참여할 수 있도록 승인했지만 설계부터 재료 개발, 선택, 제조 워크샵에 이르기까지 다양하고 경험이 풍부한 인재를 양성하려면 더 많은 작업이 수행되어야 합니다.
해당 분야에서 보다 지속적인 가치를 제공하기 위해 대학 동맹은 업계 요구에 맞춰 구성원을 업계에 적합한 연구에 참여시키고 프로그램에 투자함으로써 인력 개발을 우선순위로 삼아야 합니다.
극초음속 기술을 대규모 제조 가능 프로젝트로 전환할 때 기존 엔지니어링 및 제조 인력 기술 격차가 가장 큰 과제입니다.초기 연구가 이 죽음의 계곡, 즉 R&D와 제조 간의 격차를 넘지 못하고 많은 야심찬 프로젝트가 실패한다면 우리는 적용 가능하고 실현 가능한 솔루션을 잃어버린 것입니다.
미국 제조업은 초음속을 가속할 수 있지만 뒤쳐질 위험은 이에 맞춰 노동력 규모를 확대하는 것이다.따라서 정부와 대학 개발 컨소시엄은 제조업체와 협력하여 이러한 계획을 실행해야 합니다.
업계에서는 제조 작업장부터 엔지니어링 실험실까지 기술 격차를 경험해 왔습니다. 이러한 격차는 극초음속 시장이 성장함에 따라 더욱 확대될 것입니다.신기술은 해당 분야의 지식을 확장하기 위해 신흥 노동력을 필요로 합니다.
극초음속 작업은 다양한 재료와 구조의 여러 핵심 영역에 걸쳐 이루어지며, 각 영역에는 고유한 기술적 과제가 있습니다.이는 높은 수준의 세부적인 지식을 요구하며, 필요한 전문 지식이 존재하지 않을 경우 개발 및 생산에 장애가 될 수 있습니다.일자리를 유지할 인력이 충분하지 않으면 고속 생산에 대한 수요를 따라잡는 것이 불가능할 것입니다.
예를 들어, 최종 제품을 만들 수 있는 사람이 필요합니다.UCAH 및 기타 컨소시엄은 현대 제조를 촉진하고 제조 역할에 관심이 있는 학생들이 포함되도록 하는 데 필수적입니다.다기능 전담 인력 개발 노력을 통해 업계는 향후 몇 년간 극초음속 비행 계획에서 경쟁 우위를 유지할 수 있을 것입니다.
UCAH를 설립함으로써 국방부는 이 분야의 역량 구축에 보다 집중적인 접근 방식을 채택할 수 있는 기회를 만들고 있습니다.모든 연합 구성원은 학생들의 틈새 역량을 훈련하여 연구 추진력을 구축 및 유지하고 이를 확장하여 우리나라에 필요한 결과를 생산할 수 있도록 함께 노력해야 합니다.
현재 폐쇄된 NASA Advanced Composites Alliance는 성공적인 인력 개발 노력의 예입니다.그 효율성은 R&D 작업과 업계 관심을 결합한 결과이며, 이를 통해 개발 생태계 전반에 걸쳐 혁신이 확장될 수 있습니다.업계 리더들은 2~4년 동안 NASA 및 대학과 직접 프로젝트를 진행해 왔습니다.모든 구성원은 전문적인 지식과 경험을 쌓았고, 비경쟁적인 환경에서 협력하는 법을 배웠으며, 미래의 업계 핵심 플레이어를 양성하기 위해 발전할 수 있는 대학생을 양성했습니다.
이러한 유형의 인력 개발은 업계의 격차를 메우고 중소기업이 신속하게 혁신하고 분야를 다양화하여 미국 국가 안보 및 경제 안보 이니셔티브에 도움이 되는 추가 성장을 달성할 수 있는 기회를 제공합니다.
UCAH를 포함한 대학 동맹은 극초음속 분야와 방위 산업에서 중요한 자산입니다.비록 그들의 연구가 새로운 혁신을 촉진했지만, 그들의 가장 큰 가치는 차세대 인력을 교육하는 능력에 있습니다.이제 컨소시엄은 그러한 계획에 대한 투자의 우선순위를 정해야 합니다.그렇게 함으로써 극초음속 혁신의 장기적인 성공을 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
복잡하고 고도로 설계된 제품(예: 항공기 부품) 제조업체는 항상 완벽을 위해 최선을 다합니다.기동할 여지가 없습니다.
항공기 생산은 매우 복잡하기 때문에 제조업체는 모든 단계에 세심한 주의를 기울여 품질 프로세스를 신중하게 관리해야 합니다.이를 위해서는 규제 요구 사항을 충족하면서 동적 생산, 품질, 안전 및 공급망 문제를 관리하고 적응하는 방법에 대한 심층적인 이해가 필요합니다.
많은 요소가 고품질 제품의 납품에 영향을 미치기 때문에 복잡하고 자주 변경되는 생산 주문을 관리하기가 어렵습니다.품질 프로세스는 검사, 설계, 생산 및 테스트의 모든 측면에서 역동적이어야 합니다.Industry 4.0 전략과 최신 제조 솔루션 덕분에 이러한 품질 문제를 관리하고 극복하기가 더 쉬워졌습니다.
항공기 생산의 전통적인 초점은 항상 재료에 있었습니다.대부분의 품질 문제의 원인은 취성 파괴, 부식, 금속 피로 또는 기타 요인일 수 있습니다.그러나 오늘날의 항공기 생산에는 저항성 소재를 사용하는 첨단 고도 공학 기술이 포함됩니다.제품 제작에는 고도로 전문화되고 복잡한 프로세스와 전자 시스템이 사용됩니다.일반 운영 관리 소프트웨어 솔루션은 더 이상 극도로 복잡한 문제를 해결하지 못할 수도 있습니다.
더 복잡한 부품은 글로벌 공급망에서 구매할 수 있으므로 조립 프로세스 전반에 걸쳐 부품을 통합하는 데 더 많은 고려가 필요합니다.불확실성은 공급망 가시성과 품질 관리에 새로운 과제를 안겨줍니다.수많은 부품과 완제품의 품질을 보장하려면 더욱 우수하고 통합된 품질 방법이 필요합니다.
Industry 4.0은 제조 산업의 발전을 의미하며, 엄격한 품질 요구 사항을 충족하려면 점점 더 발전된 기술이 필요합니다.지원 기술에는 산업용 사물 인터넷(IIoT), 디지털 스레드, 증강 현실(AR) 및 예측 분석이 포함됩니다.
Quality 4.0은 제품, 프로세스, 계획, 규정 준수 및 표준과 관련된 데이터 기반 생산 프로세스 품질 방법을 설명합니다.이는 기존의 품질 방법을 대체하는 것이 아니라 기계 학습, 연결된 장치, 클라우드 컴퓨팅 및 디지털 트윈을 포함하여 산업 기술과 동일한 신기술을 사용하여 조직의 워크플로를 변화시키고 가능한 제품 또는 프로세스 결함을 제거합니다.Quality 4.0의 출현은 데이터에 대한 의존도를 높이고 전반적인 제품 생산 방법의 일부로 품질을 더욱 깊이 활용함으로써 직장 문화를 더욱 변화시킬 것으로 예상됩니다.
Quality 4.0은 처음부터 설계 단계까지 운영 및 품질 보증(QA) 문제를 통합합니다.여기에는 제품을 개념화하고 디자인하는 방법이 포함됩니다.최근 업계 조사 결과에 따르면 대부분의 시장에는 자동화된 설계 전송 프로세스가 없는 것으로 나타났습니다.수동 프로세스에서는 내부 오류이든 설계 및 변경 사항을 공급망에 전달하는 등 오류의 여지가 남아 있습니다.
설계 외에도 Quality 4.0은 프로세스 중심 기계 학습을 사용하여 낭비를 줄이고 재작업을 줄이며 생산 매개변수를 최적화합니다.또한, 배송 후 제품 성능 문제도 해결하고, 현장 피드백을 활용해 제품 소프트웨어를 원격으로 업데이트해 고객 만족도를 유지하고 궁극적으로 재구매를 보장한다.Industry 4.0의 불가분의 파트너가 되어가고 있습니다.
그러나 품질은 선택된 제조 링크에만 적용되는 것은 아닙니다.Quality 4.0의 포괄성은 제조 조직에 포괄적인 품질 접근 방식을 주입하여 데이터의 혁신적인 힘을 기업 사고의 필수적인 부분으로 만들 수 있습니다.조직의 모든 수준에서의 규정 준수는 전반적인 품질 문화 형성에 기여합니다.
어떤 생산 공정도 100% 완벽하게 실행될 수는 없습니다.조건이 변경되면 수정이 필요한 예상치 못한 이벤트가 발생합니다.품질에 대한 경험이 있는 사람들은 그것이 완벽을 향해 나아가는 과정에 관한 것임을 이해합니다.가능한 한 빨리 문제를 발견하기 위해 품질이 프로세스에 통합되도록 어떻게 보장합니까?결함을 발견하면 어떻게 하시겠습니까?이 문제를 일으키는 외부 요인이 있나요?이 문제가 다시 발생하지 않도록 검사 계획이나 테스트 절차를 어떻게 변경할 수 있습니까?
모든 생산 프로세스에는 관련되고 관련된 품질 프로세스가 있다는 사고 방식을 확립하십시오.일대일 관계가 존재하고 지속적으로 품질을 측정하는 미래를 상상해 보십시오.무작위로 무슨 일이 일어나더라도 완벽한 품질을 얻을 수 있습니다.각 작업 센터에서는 매일 지표와 핵심성과지표(KPI)를 검토하여 문제가 발생하기 전에 개선이 필요한 영역을 파악합니다.
이 폐쇄 루프 시스템에서 각 생산 프로세스에는 프로세스를 중지하거나 프로세스를 계속하도록 허용하거나 실시간 조정을 수행하기 위한 피드백을 제공하는 품질 추론이 있습니다.시스템은 피로나 인적 오류의 영향을 받지 않습니다.항공기 생산을 위해 설계된 폐쇄 루프 품질 시스템은 더 높은 품질 수준을 달성하고 주기 시간을 단축하며 AS9100 표준 준수를 보장하는 데 필수적입니다.
10년 전만 해도 제품 디자인, 시장 조사, 공급업체, 제품 서비스 등 고객 만족도에 영향을 미치는 요소에 QA를 집중한다는 생각은 불가능했습니다.제품 디자인은 더 높은 권위에서 나온 것으로 이해됩니다.품질은 단점에 관계없이 조립 라인에서 이러한 설계를 실행하는 것과 관련이 있습니다.
오늘날 많은 기업들이 비즈니스 수행 방법을 재고하고 있습니다.2018년의 현상 유지는 더 이상 가능하지 않을 수 있습니다.점점 더 많은 제조업체가 스마트해지고 있습니다.더 많은 지식을 이용할 수 있다는 것은 더 높은 효율성과 성능으로 처음에 올바른 제품을 구축할 수 있는 더 나은 지능을 의미합니다.