우주항공 산업 ‘게임체인저’ 적층제조, 韓 지원·관심 必

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 소재 기술 및 시장 동향

3)금속 PBF 기술 동향

4)금속 DED(WAAM 포함) 기술 동향

5)폴리머 적층제조 기술 동향

6)에너지·발전 분야 적층제조 응용사례

7)우주항공 분야 적층제조 응용사례

8)뿌리산업 분야 적층제조 응용사례

9)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

▲ 김종근 케이피항공산업(주) 수석

약 20년전 대학생 시절 RP(Rapid Prototyping, 카이스트에서 개발)로 실습을 했던 경험이 있어서인지 세계적인 적층제조 전시회인 폼넥스트를 방문하면서 기대감과 함께 회사의 미래를 준비할 수 있는 기회를 만들어보자는 마음이 들었다.

케이피항공산업㈜은 우주, 항공, 방산 분야에 업을 두고 우주발사체 티타늄 부품을 적층제조로 제작하는 기술을 개발하고 있다.

인류의 기술개발 역사를 보면, GPS나 알루미늄-리튬 합금처럼 우주항공 분야에서 개발된 기술이 일부 개량되어 우리 일상생활에서 유용하게 사용되고 있는 사례가 많다. 특히 GPS는 1983년 여객기 격추 사건 이후 군사용에서 공공재로 활용되면서 현재는 자율주행 기술까지 활용되고 있다.

이처럼 우주항공 기술은 발사체, 위성, 항공기 등 초정밀 기술과 고내구성 부품개발 기술이 단순한 제조 기술을 넘어 새로운 적용 가능성을 열어 주고 있어 우리의 기대가 크다. 적층제조가 어떻게 우주항공의 ‘게임체인저’ 기술로 자리매김하고 있는지 정리해본다.

■설계 자유도와 경량화 기여

▲ ▲아리안(Ariane) 로켓 Vinci 인젝터 헤드(좌). AMCM社는 구리합금으로 대형 노즐을 적층해 전시했다.(右)

전통 제조방식으로 우주항공 부품을 제작할 경우 여러 단계의 프로세스를 거치면서 많은 시간과 비용이 필요하며 복잡한 형상일 경우 여러 개로 나눠 제작할 수밖에 없다.

하지만 적층제조 기술을 활용하면 부품의 단순화, 경량화를 통해 제작단계를 줄이면서 발사체와 항공기의 효율을 향상시킨다. 연소관에 연료와 산화제가 흘러 냉각시킨 후 인젝터를 통해 분사되는 과정이 하나의 부품으로 제작되고 있다. 기존에는 하나씩 제조하고 용접으로 결합시켰지만 이 부품을 적층제조를 통해 일체화 시킬 경우 단일부품 제작이 가능하다.

■다품종 소량 생산 적합

▲ 연도별 로켓 발사 횟수 (Seradata SpaceTrak Launch & Satellite Database)

기존 금형을 통한 부품 제작의 경우 10만~100만번까지 사용해야 제품의 단가를 낮출 수 있다. 그러나 우주항공 분야에서 2022년부터 꾸준히 우주 로켓을 발사했지만 모든 발사 횟수를 합해도 10만 회가 되지 않으며 최근 재사용 발사체로 그 제작 수가 더 줄어들었기 때문에 금형을 사용해 부품을 제작하는데는 한계가 있다.

반면 적층제조는 부품을 생산할 때 필요한 부가적인 금형, 치공구 등이 필요 없어 항공우주에 필요한 시제품 제작이나 시험용, 다품종 소량 생산에 유리하다.

■적층제조, 대형 부품 제작 생산성↑

▲ BLT社가 폼넥스트에서 전시한 대형 금속 적층제조 부품

우주항공 부품은 큰 추력을 이용하기 때문에 대형 부품이 많다. 가령 가로·세로·높이가 각 2m 부품을 제작하기 위한 장비는 더 큰 사이즈가 필요하다. 특히 화학반응을 일으키는 소재일 경우 제작 설비를 구축하려면 설비 투자비가 더욱 커지고 주문 수량은 적기 때문에 민간 업체에서는 쉽게 만들 수 없는 상황이다.

이에 적층제조 기술의 일종인 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 기술은 대형우주항공 부품을 제작하는데 적합하다. 최근에는 시간당 적층 무게가 커지면서 생산성이 향상되고 있다.

2023년 3월 해외 relativityspace社는 적층제조로 제작한 우주 발사체를 성공시킨 적이 있다. 우주발사체는 1~3개의 단으로 연결되어 있다. 각각의 부품을 조립할 때 필요한 부품도 상당히 크다.

다품종·소량·경량화·대형 부품 수요 효과적 대응 솔루션 자리매김

고가 소재비·인프라 구축비 절감 효과 커, 방산 등 적용 확대

▲ double coeur社 SATELLITE INTERFACE

▲ (左)재사용 발사 시 자세 제어용에 필요한 그리드 핀 부품을 적층제조로 제작한 사례로 로켓(위성발사, 유도무기)에서도 사용된다. (右)MX3D는 압력용기 등 대형부품을 적층제조로 제작해 전시했다.

우주항공 분야 부품을 제작할 때 다양한 금형이 필요하다. 대부분 문제가 되는 것은 대형부품으로 관련 필요한 것은 적층제조 기술을 활용하고 있다.

▲ CMS社가 레이더 돔 제작에 사용한 금형

우주항공 분야에서도 모터를 많이 사용하는데 흔히 사용하지 않는 스펙이다. 그래서 항공우주의 경우 수작업으로 권선작업을 하는 회사도 많다. UAM, 소형무인기, 드론 뿐만 아니라 발사체 연료 펌프에도 사용되어지는 모터를 적층제조 할 경우 개발비를 많이 줄일 수 있다.

▲ 스틱 형태 모터 권선

■선진국과 기술 격차 줄이는 적층제조

냉전시대부터 미국과 러시아는 우주 로켓을 쏘았다. 우리나라는 40년도 더 지난 지금에야 한국형발사체를 개발하고 있다. 전 세계에 1톤 이상 실용 위성을 자력으로 발사한 7번째 나라이지만 제일 마지막이다. 기술격차 뿐만 아니라 인프라 구축에도 많은 시간과 비용이 발생할 것이다.

때문에 적층제조가 가장 알맞은 분야는 우주항공이라 생각한다. 이번 전시회에서도 대부분 우주항공 부품이 많았다. 부품을 생산하는 과정에 버려지는 소재를 상당히 줄일 수 있다. 산업분야 특성상 소재 단가가 높기 때문에 비용절감 효과가 크다.

스페이스X의 스타십은 높이 120m, 직경 9m, 무게만 5천톤이다. 가전제품처럼 수십만대 대량 생산하지 않기 때문에 인프라 구축 비용에 대한 경제성도 무시할 수 없다. 유사하게 방산분야도 로켓과 유사하기 때문에 함께 개발 할 수 있는 좋은 분야이다.

지속적으로 적층제조 기술이 개발된다면 GPS 기술처럼 우리 일상생활에서도 쉽게 사용되어 질 것이다. 미국의 스페이스X처럼 우리나라도 정부주도가 아닌 민간주도의 우주개발 뉴스페이스 시대에 정부의 지원과 관심이 필요하다.

적층제조는 인증·규격도 현재 만들어지고 있는 시점이라서 이제 개발 시작단계라고 생각된다. 우리나라는 22년 이미 발사 경험을 바탕으로 세계 1위를 할 날도 멀지 않았다고 생각한다. 세계 최초로 금속활자를 만든 저력이 있는 나라라 충분히 할 수 있을 것이다.

마지막으로 케이피항공산업은 고압용기탱크, UAM모터냉각유로에 대한 적층제조 기술을 개발하고 있다. 두 과제 모두 마지막 단계로 성공적으로 마무리 하고 다양한 우주항공 부품을 적층개발 후 생산하여 대한민국이 글로벌 우주항공 강국으로 도약하는데 있어 초석이 될 수 있도록 노력하겠다.