제조 기술 컨설팅 회사인 스마테크(SmarTech)에 따르면, 항공우주 산업은 의료 산업에 이어 적층 제조(AM) 기술이 가장 많이 활용되는 산업 분야입니다. 그러나 항공우주 부품의 신속한 제조, 유연성 향상 및 비용 효율성 증대에 있어 세라믹 소재 적층 제조의 잠재력에 대한 인식은 여전히 ​​부족합니다. 적층 제조 기술은 더 강하고 가벼운 세라믹 부품을 더 빠르고 지속 가능한 방식으로 생산할 수 있어 인건비를 절감하고 수작업 조립을 최소화하며, 모델링 기반 설계 개발을 통해 효율성과 성능을 향상시켜 항공기 무게를 줄일 수 있습니다. 또한, 세라믹 적층 제조 기술은 100마이크론 미만의 미세 형상까지 정밀하게 가공할 수 있습니다.
하지만 세라믹이라는 단어는 종종 깨지기 쉽다는 오해를 불러일으킵니다. 실제로 적층 제조 방식으로 생산된 세라믹은 뛰어난 구조적 강도, 인성, 그리고 넓은 온도 범위에 대한 저항성을 갖춘 더 가볍고 정밀한 부품을 만들어냅니다. 미래지향적인 기업들은 노즐과 프로펠러, 전기 절연체, 터빈 블레이드 등 다양한 부품 제조에 세라믹을 활용하고 있습니다.
예를 들어, 고순도 알루미나는 경도가 높고 내식성 및 온도 범위가 우수합니다. 또한 알루미나로 만든 부품은 항공우주 시스템에서 흔히 발생하는 고온에서도 전기 절연성을 유지합니다.
지르코니아 기반 세라믹은 고급 금속 성형품, 밸브 및 베어링과 같이 극한의 재료 요구 사항과 높은 기계적 응력을 필요로 하는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있습니다. 질화규소 세라믹은 높은 강도, 높은 인성, 우수한 열충격 저항성을 가질 뿐만 아니라 다양한 산, 알칼리 및 용융 금속에 대한 내화학성도 뛰어납니다. 질화규소는 절연체, 임펠러 및 고온 저유전율 안테나에 사용됩니다.
복합 세라믹은 여러 가지 바람직한 특성을 제공합니다. 알루미나와 지르콘이 첨가된 실리콘 기반 세라믹은 터빈 블레이드용 단결정 주조 제조에 탁월한 성능을 보이는 것으로 입증되었습니다. 이는 이 소재로 만들어진 세라믹 코어가 1,500°C까지 열팽창률이 매우 낮고, 다공성이 높으며, 표면 품질이 우수하고, 용출성이 좋기 때문입니다. 이러한 코어를 3D 프린팅하면 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있고 엔진 효율을 향상시킬 수 있는 터빈 설계를 구현할 수 있습니다.
세라믹의 사출 성형이나 기계 가공은 매우 어렵고, 기계 가공은 제조되는 부품에 대한 접근성을 제한한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 또한 얇은 벽과 같은 형상을 가공하는 것도 어렵습니다.
하지만 리토즈는 리소그래피 기반 세라믹 제조(LCM) 방식을 사용하여 정밀하고 복잡한 형상의 3D 세라믹 부품을 제조합니다.
CAD 모델에서 시작하여 상세 사양을 디지털 방식으로 3D 프린터에 전송합니다. 그런 다음 정확한 배합의 세라믹 분말을 투명 용기 상단에 도포합니다. 이동식 제작 플랫폼을 용기에 담근 후 아래에서 선택적으로 가시광선을 조사합니다. 디지털 마이크로미러 장치(DMD)와 프로젝션 시스템을 통해 층별 이미지를 생성합니다. 이 과정을 반복하여 3차원 성형품을 층층이 제작합니다. 열처리 후, 바인더를 제거하고 특수 가열 공정을 통해 성형품을 소결하여 우수한 기계적 특성과 표면 품질을 갖춘 고밀도 세라믹 부품을 제작합니다.
LCM 기술은 터빈 엔진 부품의 정밀 주조를 위한 혁신적이고 비용 효율적이며 신속한 공정을 제공합니다. 이 기술은 사출 성형 및 로스트 왁스 주조에 필요한 고비용의 금형 제작 과정을 생략할 수 있게 해줍니다.
LCM은 다른 방법으로는 구현할 수 없는 디자인을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 방법보다 훨씬 적은 원자재를 사용합니다.
세라믹 소재와 LCM 기술의 큰 잠재력에도 불구하고, 적층 제조(AM) 방식의 원자재 제조업체(OEM)와 항공우주 설계자 사이에는 여전히 격차가 존재합니다.
한 가지 이유는 특히 안전 및 품질 요구 사항이 엄격한 산업에서 새로운 제조 방식에 대한 저항일 수 있습니다. 항공우주 제조는 수많은 검증 및 인증 절차뿐만 아니라 철저하고 엄격한 테스트를 필요로 합니다.
또 다른 장애물은 3D 프린팅이 주로 일회성 고속 프로토타입 제작에만 적합하고 항공기에 실용화할 수 있는 제품에는 적합하지 않다는 인식입니다. 이 또한 오해이며, 3D 프린팅으로 제작된 세라믹 부품은 이미 대량 생산에 활용되고 있음이 입증되었습니다.
한 예로 터빈 블레이드 제조에서 적층 제조(AM) 세라믹 공정을 통해 단결정(SX) 코어는 물론 방향성 응고(DS) 및 등축정 주조(EX) 초합금 터빈 블레이드를 생산할 수 있습니다. 복잡한 분기 구조, 다중 벽, 200μm 미만의 후연을 가진 코어를 신속하고 경제적으로 생산할 수 있으며, 최종 부품은 일관된 치수 정확도와 우수한 표면 마감을 갖습니다.
소통을 강화하면 항공우주 설계자와 적층 제조(AM) OEM 업체 간의 협력을 증진하고 액체 크로마토그래피(LCM) 및 기타 기술로 제조된 세라믹 부품에 대한 완전한 신뢰를 구축할 수 있습니다. 기술과 전문성은 이미 존재합니다. 이제 필요한 것은 적층 제조를 연구 개발 및 시제품 제작에만 국한하지 않고 대규모 상용화에 적합한 기술로 인식하는 것입니다.
항공우주 기업은 교육 외에도 인력, 엔지니어링 및 테스트에 시간을 투자할 수 있습니다. 제조업체는 금속이 아닌 세라믹을 평가하는 다양한 표준 및 방법에 익숙해야 합니다. 예를 들어, 리토즈(Lithoz)의 구조용 세라믹에 대한 두 가지 주요 ASTM 표준은 강도 테스트를 위한 ASTM C1161과 인성 테스트를 위한 ASTM C1421입니다. 이 표준은 모든 제조 방식으로 생산된 세라믹에 적용됩니다. 세라믹 적층 제조에서 프린팅 단계는 단순히 성형 방법일 뿐이며, 부품은 기존 세라믹과 동일한 유형의 소결 과정을 거칩니다. 따라서 세라믹 부품의 미세 구조는 기존 기계 가공으로 제작된 부품과 매우 유사합니다.
소재와 기술의 지속적인 발전에 힘입어 설계자들은 더욱 풍부한 데이터를 확보할 수 있을 것이라고 확신합니다. 새로운 세라믹 소재가 개발되고 특정 엔지니어링 요구에 맞춰 맞춤 제작될 것입니다. 적층 제조(AM) 세라믹으로 제작된 부품은 항공우주 분야 사용에 필요한 인증 절차를 완료할 것입니다. 또한, 향상된 모델링 소프트웨어와 같은 더욱 편리한 설계 도구를 제공할 것입니다.
항공우주 기업들은 LCM 기술 전문가와의 협력을 통해 적층 제조(AM) 세라믹 공정을 자체적으로 도입하여 시간과 비용을 절감하고, 자사 고유의 지적 재산권 개발 기회를 창출할 수 있습니다. 선견지명과 장기적인 계획을 바탕으로 세라믹 기술에 투자하는 항공우주 기업들은 향후 10년 이상 전체 생산 포트폴리오에서 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.
AM Ceramics와의 파트너십을 통해 항공우주 분야 원장비 제조업체들은 이전에는 상상할 수 없었던 부품들을 생산할 수 있게 될 것입니다.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
숀 앨런은 2021년 9월 1일 오하이오주 클리블랜드에서 열리는 세라믹 엑스포에서 세라믹 적층 제조의 장점을 효과적으로 전달하는 데 따르는 어려움에 대해 발표할 예정입니다.
극초음속 비행 시스템 개발은 수십 년간 진행되어 왔지만, 현재 미국 국방의 최우선 과제가 되면서 이 분야는 급속한 성장과 변화를 겪고 있습니다. 다양한 학문 분야가 융합된 독특한 분야인 만큼, 개발을 촉진할 수 있는 필요한 기술을 갖춘 전문가를 확보하는 것이 관건입니다. 그러나 전문가가 부족할 경우, 연구개발 단계에서 제조 용이성 설계(DFM)를 우선시하다가 제조 단계에서 비용 효율적인 변경을 하기에는 너무 늦어버리는 등 혁신 격차가 발생할 수 있습니다.
새롭게 설립된 응용극초음속 대학 연합(UCAH)과 같은 협력 관계는 극초음속 분야 발전에 필요한 인재를 양성하는 중요한 환경을 제공합니다. 학생들은 대학 연구원 및 업계 전문가와 직접 협력하여 기술을 개발하고 중요한 극초음속 연구를 발전시킬 수 있습니다.
UCAH를 비롯한 여러 방위산업 컨소시엄은 회원들에게 다양한 엔지니어링 직무를 수행할 수 있도록 허가했지만, 설계부터 재료 개발 및 선정, 제조 현장에 이르기까지 다양하고 경험이 풍부한 인재를 육성하기 위해서는 더 많은 노력이 필요합니다.
해당 분야에서 더욱 지속적인 가치를 제공하기 위해서는 대학 연합이 산업계의 요구에 부응하고, 구성원들이 산업 현장에 적합한 연구에 참여하도록 하며, 프로그램에 투자함으로써 인력 개발을 최우선 과제로 삼아야 합니다.
극초음속 기술을 대규모 생산 가능한 프로젝트로 전환하는 데 있어 가장 큰 어려움은 기존의 엔지니어링 및 제조 인력 기술 격차입니다. 초기 연구가 이른바 '죽음의 계곡', 즉 연구 개발과 제조 사이의 간극을 넘어서지 못하면(많은 야심찬 프로젝트들이 실패로 끝났습니다), 우리는 적용 가능하고 실현 가능한 해결책을 놓치게 되는 것입니다.
미국 제조업은 초음속으로 성장할 수 있지만, 그에 맞춰 노동력 규모를 확대하지 않으면 뒤처질 위험이 있습니다. 따라서 정부와 대학 개발 컨소시엄은 제조업체와 협력하여 이러한 계획을 실행에 옮겨야 합니다.
업계는 제조 현장부터 엔지니어링 연구소에 이르기까지 기술 격차를 경험해 왔으며, 극초음속 시장이 성장함에 따라 이러한 격차는 더욱 심화될 것입니다. 신기술에는 해당 분야의 지식을 확장할 새로운 인력이 필요합니다.
극초음속 연구는 다양한 재료와 구조의 여러 핵심 영역에 걸쳐 있으며, 각 영역마다 고유한 기술적 과제가 있습니다. 이러한 과제들은 고도의 세부적인 지식을 요구하며, 필요한 전문 인력이 부족할 경우 개발 및 생산에 차질이 생길 수 있습니다. 만약 관련 인력이 충분하지 않다면 고속 생산에 대한 수요를 따라잡는 것은 불가능할 것입니다.
예를 들어, 최종 제품을 제작할 수 있는 인력이 필요합니다. UCAH와 같은 컨소시엄은 현대 제조업을 육성하고 제조업 분야에 관심 있는 학생들이 참여할 수 있도록 하는 데 필수적입니다. 다양한 분야에 걸친 헌신적인 인력 개발 노력을 통해 업계는 향후 몇 년 동안 극초음속 비행 계획에서 경쟁 우위를 유지할 수 있을 것입니다.
국방부는 UCAH 설립을 통해 이 분야의 역량 구축에 더욱 집중적인 접근 방식을 채택할 수 있는 기회를 마련하고 있습니다. 모든 연합국은 학생들의 특화된 역량을 훈련하기 위해 협력해야 하며, 이를 통해 연구의 추진력을 구축하고 유지하며, 나아가 국가에 필요한 결과를 도출할 수 있도록 연구 범위를 확장해야 합니다.
현재는 해체된 NASA 첨단 복합재 연합(NASA Advanced Composites Alliance)은 성공적인 인력 개발 노력의 한 사례입니다. 이 연합의 효과는 연구 개발 활동과 산업계의 관심을 결합하여 개발 생태계 전반에 걸쳐 혁신을 확산시킨 데서 비롯됩니다. 업계 리더들은 NASA 및 대학들과 함께 2~4년 동안 다양한 프로젝트를 직접 수행했습니다. 모든 구성원은 전문 지식과 경험을 쌓고, 경쟁 없는 환경에서 협력하는 방법을 배우며, 미래의 핵심 산업 인력을 육성할 수 있는 대학생들을 양성했습니다.
이러한 유형의 인력 개발은 업계의 부족한 부분을 채우고 중소기업이 신속하게 혁신하고 분야를 다각화하여 추가적인 성장을 이룰 수 있는 기회를 제공함으로써 미국의 국가 안보 및 경제 안보 계획에 기여합니다.
UCAH를 비롯한 대학 연합체는 극초음속 분야와 방위산업에 있어 중요한 자산입니다. 이들의 연구는 새로운 혁신을 촉진해 왔지만, 가장 큰 가치는 차세대 인력을 양성하는 능력에 있습니다. 이제 컨소시엄은 이러한 계획에 대한 투자를 우선시해야 합니다. 그렇게 함으로써 극초음속 혁신의 장기적인 성공을 촉진할 수 있을 것입니다.
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.
항공기 부품과 같이 복잡하고 고도의 기술력이 요구되는 제품을 생산하는 제조업체는 언제나 완벽을 추구해야 합니다. 타협의 여지는 전혀 없습니다.
항공기 생산은 매우 복잡하기 때문에 제조업체는 모든 단계에 세심한 주의를 기울여 품질 프로세스를 신중하게 관리해야 합니다. 이를 위해서는 규제 요건을 충족하면서 역동적인 생산, 품질, 안전 및 공급망 문제를 관리하고 적응하는 방법에 대한 심층적인 이해가 필요합니다.
고품질 제품 생산에 영향을 미치는 요소가 많기 때문에 복잡하고 빈번하게 변경되는 생산 주문을 관리하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 품질 관리 프로세스는 검사 및 설계, 생산 및 테스트의 모든 측면에서 역동적이어야 합니다. 인더스트리 4.0 전략과 현대적인 제조 솔루션 덕분에 이러한 품질 문제를 관리하고 극복하는 것이 훨씬 수월해졌습니다.
항공기 생산의 전통적인 초점은 항상 재료에 맞춰져 있었습니다. 대부분의 품질 문제는 취성 파괴, 부식, 금속 피로 또는 기타 요인에서 비롯되었습니다. 그러나 오늘날의 항공기 생산에는 내구성이 뛰어난 재료를 사용하는 첨단 고도 기술이 적용됩니다. 제품 생산에는 고도로 전문화되고 복잡한 공정 및 전자 시스템이 사용됩니다. 따라서 일반적인 운영 관리 소프트웨어 솔루션으로는 더 이상 이러한 매우 복잡한 문제를 해결할 수 없을지도 모릅니다.
더욱 복잡한 부품들은 글로벌 공급망에서 구매할 수 있으므로, 조립 공정 전반에 걸쳐 이러한 부품들을 통합하는 데 더 많은 고려가 필요합니다. 불확실성은 공급망 가시성과 품질 관리에 새로운 과제를 제시합니다. 수많은 부품과 완제품의 품질을 보장하기 위해서는 더욱 효과적이고 통합적인 품질 관리 방식이 요구됩니다.
인더스트리 4.0은 제조업의 발전을 의미하며, 엄격한 품질 요구 사항을 충족하기 위해 더욱 발전된 기술이 필요합니다. 이러한 기술을 뒷받침하는 기술로는 산업용 사물 인터넷(IIoT), 디지털 스레드, 증강 현실(AR), 예측 분석 등이 있습니다.
퀄리티 4.0은 제품, 프로세스, 계획, 규정 준수 및 표준을 아우르는 데이터 기반 생산 프로세스 품질 관리 방식을 의미합니다. 이는 기존의 품질 관리 방식을 대체하는 것이 아니라 그 위에 구축된 것으로, 머신 러닝, 커넥티드 디바이스, 클라우드 컴퓨팅, 디지털 트윈 등 산업 현장에서 사용되는 여러 신기술을 활용하여 조직의 워크플로우를 혁신하고 제품 또는 프로세스상의 잠재적 결함을 제거합니다. 퀄리티 4.0의 등장은 데이터에 대한 의존도를 높이고 제품 생산 과정 전반에 걸쳐 품질을 더욱 심층적으로 활용함으로써 직장 문화를 한층 더 변화시킬 것으로 예상됩니다.
퀄리티 4.0은 설계 단계부터 운영 및 품질 보증(QA) 문제를 통합합니다. 여기에는 제품의 개념화 및 설계 방식이 포함됩니다. 최근 업계 조사 결과에 따르면 대부분의 시장에서 자동화된 설계 이전 프로세스가 없는 것으로 나타났습니다. 수동 프로세스는 내부 오류든 공급망에 설계 및 변경 사항을 전달하는 과정에서의 오류든 오류 발생 가능성을 높입니다.
품질 4.0은 설계뿐만 아니라 프로세스 중심의 머신러닝을 활용하여 낭비를 줄이고, 재작업을 최소화하며, 생산 매개변수를 최적화합니다. 또한, 제품 출고 후 성능 문제를 해결하고, 현장 피드백을 기반으로 제품 소프트웨어를 원격으로 업데이트하며, 고객 만족도를 유지하고, 궁극적으로 재구매를 보장합니다. 품질 4.0은 산업 4.0의 필수적인 파트너로 자리매김하고 있습니다.
하지만 품질은 특정 제조 공정에만 적용되는 것이 아닙니다. 품질 4.0의 포괄성은 제조 조직 전반에 걸쳐 종합적인 품질 접근 방식을 도입하고, 데이터의 혁신적인 힘을 기업 사고의 필수적인 부분으로 만들 수 있습니다. 조직의 모든 단계에서 규정을 준수하는 것은 전반적인 품질 문화 형성에 기여합니다.
어떤 생산 공정도 100% 완벽하게 진행될 수는 없습니다. 변화하는 환경은 예상치 못한 문제를 야기하고, 이에 대한 시정 조치가 필요합니다. 품질 관리 경험이 있는 사람들은 완벽을 향해 나아가는 과정 자체가 중요하다는 것을 잘 알고 있습니다. 그렇다면 어떻게 하면 품질을 공정에 통합하여 문제를 최대한 조기에 발견할 수 있을까요? 결함을 발견했을 때는 어떻게 조치해야 할까요? 이 문제의 원인이 되는 외부 요인은 무엇일까요? 이러한 문제가 다시 발생하지 않도록 검사 계획이나 테스트 절차를 어떻게 수정할 수 있을까요?
모든 생산 공정에는 서로 연관된 품질 공정이 있다는 사고방식을 확립하십시오. 일대일 관계를 통해 품질을 지속적으로 측정하는 미래를 상상해 보십시오. 예상치 못한 상황이 발생하더라도 완벽한 품질을 달성할 수 있습니다. 각 작업 센터는 문제 발생 전에 개선 영역을 파악하기 위해 매일 지표와 핵심 성과 지표(KPI)를 검토합니다.
이 폐쇄 루프 시스템에서는 각 생산 공정에 품질 추론 기능이 있어 공정을 중단하거나, 계속 진행하거나, 실시간으로 조정할 수 있도록 피드백을 제공합니다. 이 시스템은 작업자의 피로나 인적 오류의 영향을 받지 않습니다. 항공기 생산에 최적화된 폐쇄 루프 품질 시스템은 품질 수준 향상, 사이클 시간 단축, AS9100 표준 준수를 위해 필수적입니다.
10년 전만 해도 제품 설계, 시장 조사, 공급업체, 제품 서비스 또는 고객 만족에 영향을 미치는 기타 요소에 품질 보증(QA)의 초점을 맞추는 것은 상상도 할 수 없는 일이었습니다. 제품 설계는 상위 기관의 지침에 따른 것으로 여겨졌고, 품질은 설계상의 결함 여부와 관계없이 조립 라인에서 이러한 설계를 그대로 실행하는 것으로 인식되었습니다.
오늘날 많은 기업들이 사업 방식을 재고하고 있습니다. 2018년의 현상 유지는 더 이상 불가능할지도 모릅니다. 점점 더 많은 제조업체들이 더욱 스마트해지고 있습니다. 더 많은 정보를 활용할 수 있게 되면서, 처음부터 더 효율적이고 성능이 뛰어난 최적의 제품을 생산할 수 있는 지능적인 기반이 마련되었습니다.