항공우주용 부품 적층제조, 난(難)소재 가능 전자빔 PBF 장비 ‘부상’

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 장비 동향

3)금속 적층제조 소재와 시장 동향

4)폴리머 적층제조 소재와 장비 동향

5)우주항공용 적층제조 응용사례와 전망

6)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

독일 프랑크푸르트에서 열린 폼넥스트(Formnext) 2023에서는 다양한 산업에서의 적층제조 개발 사례, 적층 장비들과 관련 소재들이 소개되었다.

특히 대부분의 금속 적층제조 장비 업체들은 자신의 장비로 적층한 항공우주 부품 샘플을 선보였다. 이는 항공우주 산업이 금속 적층제조를 기술적으로 선도하고 있음을 시사한다.

본 기고문에서는 금속 적층제조를 중심으로 항공우주용 적층제조의 응용 사례와 전망을 살펴보고자 한다.

■전자빔 PBF 장비 진화 주목

전자빔(Electron Beam) 적층 기술의 진화가 눈에 띄었다. 지금까지 PBF(Powder Bed Fusion) 장비 시장에서 레이저 기반의 장비가 대세를 이루고 있었지만 전자빔 적층기술의 선두 주자라 할 수 있는 GE Additive(Arcam 장비 보유)의 일부 전자빔 관련 특허 만료되고, 6~7개의 신규 전자빔 활용 장비업체들이 등장하면서 전자빔 적층 기술이 강하게 자리 잡고 있는 모양세다.

또한 적층이 어려운 타이타늄알루미나이드(TiAl)이나 니켈기초내열합금(Alloy247) 등 소재 작업에서 전자빔 장비가 좋은 특성을 나타내고 고온에서 재료를 처리하는 능력에서 레이저보다 우수한 점이 부각되고 있다. 이에 향후 전자빔과 레이저 적층기술 경쟁이 격화될 것으로 보인다.

GE Additive는 Formnext 2023의 주된 마케팅 포인트를 전자빔 장비에 맞춘 것으로 보인다. 행사기간 중 열린 컨퍼런스에서도 전자빔 장비를 활용한 ‘Point Melt’ 기술을 소개하고 그 동안 적층제조의 기술적 문제점으로 제기되었던 지지대 제거(Supportless), 밑면(Down Skin)의 표면조도 개선 사례를 발표하였다.

레이저 PBF의 대표 주자 중 하나인 EOS에서도 ‘Smart Fusion’이라는 기술을 발표하며 GE Additive와 같은 개선 사례를 발표한 것은 적층제조 기술 발전 방향이 유사하다는 시사점을 보여준다.

특히 GE Additive는 전자빔 장비를 활용하여 타이타늄알루미나이드(TiAl) 소재로 적층한 민항기용 GE9X 엔진의 저압터빈 5단/6단 블레이드를 전시하였다. 뿐만 아니라 연간 몇 만개 블레이드를 생산할 수 능력을 보유하여 양산 수준에 이르렀음을 알렸다. 내년도에는 항공기 엔진 연료 노즐 이후 양산 적용된 회전체 부품(블레이드)이 하늘을 날아다니는 기념비적인 한 해가 될 것으로 보인다.

▲ GE9X 저압터빈 블레이드(TiAl소재 적층)

일본의 전자현미경 제작업체인 JEOL은 독자적인 전자빔 PBF 장비 ‘JAM-5200 EBM’을 전시하고, 항공우주규격 AMS7032에 따라 장비 인증(Machine Qualification)을 획득했다고 밝혔다. ProBeam은 전자빔 PBF/전자빔 Wire DED 장비를 선보이며 다양한 응용 부품을 전시했고, Wayland 및 Freemelt 등 EBM 장비업체들도 독자적인 전시부스를 마련했다.

GE Additive社, 민항기 블레이드 전자빔 적용 年 몇 만개 규모 양산 추진

中 미터급 대형 금속 장비 출시, 분말 제조사 확대 산업 성숙기 방증

■중국 3D프린팅 장비 업체 굴기(倔起)

중국의 3D 프린팅 장비 업체들의 발전은 필자의 관점에서 대단히 인상적인 장면이었다. 중국의 주요 3개 장비업체인 △BLT △Fasoon △Eplus3D 모두가 적층 바닥 면적이 1x1m 이상 되는 PBF 장비를 전시했다.

Formnext 2023에서 이러한 대형 PBF 장비를 내놓은 업체는 중국 3개 외에는 찾기 어려웠다. 특히 BLT의 경우, 26개의 멀티 레이저를 적용한 자체 장비 BLT-S1500을 활용하여 항공우주 엔진용 타이타늄 압축기 케이스(Intermediate compressor case) 적층 부품을 전시했다.

이 압축기 케이스는 벽 두께는 2mm, 직경 1350mm, 높이 205mm 크기로서 어떠한 엔진에 적용하였는지 정확히 알 수는 없었으나 대략적으로 볼 때 군용 항공기 엔진 부품의 가능성이 커 보였다. 만약 개발에 성공한다면 주조이나 용접 등 기존 공정을 대체하여 개발기간 및 제조 비용을 감축할 수 있을 것으로 보인다.

하지만, GE Additive가 공개적 발표했던 1m급 PBF 장비의 개발이 기술적 문제로 지지부진한 것을 비추어 볼 때, 중국 3개사의 대형 PBF 장비의 성공 여부는 좀 더 지켜봐야 할 것으로 보인다.

▲ 항공우주 엔진용 타이타늄 적층 압축기 케이스(중국 BLT)

■분말 소재 업체들의 참여 증가 및 새로운 분말 소재 눈길

이번 전시회에서는 분말 소재업체들의 참여가 증가했다. 국내에서도 코스글로벌, 이엠엘(EML) 등의 분말제조 업체가 참가했다. 이는 적층제조 산업의 성장에 따른 분말 사용량의 증가와 궤를 같이 한다고 볼 수 있으며 그만큼 적층제조 산업이 성숙기로 접어들고 있다는 것으로 해석 가능하다.

하지만 최근 선재(Wire) 기반의 적층 장비 개발이 활발해지는 것과 달리 선재 소재업체는 찾아보기 힘들었다. 아직까지 적층제조 산업을 분말 기반의 적층 공정이 주도하고 있으며, 특히 선재는 기존의 소재를 활용할 수 있는 것에 기인하는 것으로 생각된다.

신규 분말 소재에서는 로켓의 고온부에 사용할 수 있는 구리합금 GRCop-42에 대한 응용이 눈에 띄었다. 나사(NASA)에서 개발한 GRCop-42는 구리/크롬/니오비움 합금으로 우수한 크리프 저항성과 저주기 피로 수명, 높은 열전도성 특성을 가지고 있어 고온부품에 적용하기 위해 개발되었다. 이러한 GRCop-42의 특성은 연료분사 노즐, 연소실 라이닝 등 로켓엔진 부품에 특히 유용할 것으로 기대하고 있다.

Formnext 2023에서는 미국의 분말 제조회사 카펜터스(Carpenters)가 NASA와 협력하여 개발한 구리합금 GRCop-42를 개발한 과정과 합금의 특성에 대해 설명하는 자리를 마련했다. 또한 각기 다른 몇 개의 장비 제조업체에서는 GRCop-42분말을 활용하여 개발한 로켓발사체 부품을 전시했다.

▲ GRCop-42 소재로 제작한 Combustion Chamber (Velo3D)

Velo3D사는 이탈리아 우주발사체 제조업체인 AVIO S.p.A의 연소실챔버(combustion Chamber)를, 3D시스템즈는 추력기&분사기(Thruster & Injector)를 GRCop-42분말로 적층한 부품을 전시했다. 2개 회사가 전시한 부품은 얇은 이중벽 구조 사이에 냉각 통로를 설계하여 복잡한 형상의 부품을 제작할 수 있는 적층제조의 강점을 구현하였으며, 형상과 구조적 측면에서 유사함을 보여주었다.

▲ GRCop-42소재로 제작한 Thruster & Injector (3D시스템즈)

이밖에도 DED 장비에서는 로봇과 융합이 대세를 이루고 있는 것으로 보였고, 분말업체와 적층업체가 혼재하여 적층제조 공급망이 덜 정비된 듯한 인상을 받았다. 즉 앞으로도 분말업체가 적층하고, 적층업체가 분말을 제작하는 형태가 계속될지는 지켜봐야 할 듯하다.

마지막으로 일부 품질 검사 부문과 적층 공정 변수 최적화 부분에 인공지능(AI)이 업계에 도입되고 있는 것으로 보인다. 내년도에는 많은 장비 업체와 소프트웨어 업체가 인공지능 분야에 괄목할만한 성과물을 내놓을 것으로 기대된다.