3D시스템즈, '연료 인젝터에서 열 교환기까지?' 금속 3D프린팅으로 유체 흐름 어플리케이션 지원

적층제조 기술(AM)을 최대로 활용한다는 것은 단순히 프린터를 잘 작동하는 것만을 의미하지는 않는다. 다른 기술과 마찬가지로, 공정에 대한 지식이 깊을수록 프로세스 과정에서 더 많은 것을 얻을 수 있고 관련된 응용 프로그램을 더 많이 개발할 수 있다. 

▲DMP 금속 프린터로 제작한 연료 노즐 


따라서 적층제조 전문가와 애플리케이션 엔지니어는 기존 방식의 제조와 관련된 많은 과제를 혁신하고 해결하는 독특한 위치에 있다고 할 수 있다. 


자동차와 모터스포츠, 항공우주, 에너지 및 그 외 적층제조 기술 채택을 주도하는 다양한 산업에서, 유체 흐름 애플리케이션보다 역동성을 더 잘 보여주는 분야는 없을 것이다. 


수년간 유체 역학에 대한 우리의 지식은 기존 방식의 제조 공정을 사용하여 달성할 수 있었던 수준을 넘어섰다. 이제 적층제조는 이러한 현실을 변화시키고 있으며, 이전에는 불가능했던 최적화된 디자인을 만들 수 있게 했다.


적층제조 기술은 성능, 효율성, 신뢰성 면에서 우수한 유체 흐름 시스템을 만든다. 최근 3D시스템즈는 유체 흐름 시스템용 적층제조 기술 어플리케이션과 성능 개선에서 경량화에 이르는 다양한 분야에서의 광범위한 이점을 소개한 바 있다.

디자인 자유도


유체 흐름 에플리케이션을 위한 적층제조의 다양한 이점은 설계와 밀접한 관련이 있다. 적층제조는 기존 절삭 방식 제조에 비해 설계 자유도가 뛰어나 복잡한 내부 및 기하학적 구조와 특징을 가진 부품을 제작할 수 있다. 요약하자면, 이는 우리가 이제 유체 흐름 적용을 위해 혁신적인 디자인을 구상할 수 있다는 것을 의미한다.


거대 하드론 충돌기(LHC)를 운영하는 스위스에 본사를 둔 유럽 조직 CERN은 3D시스템즈 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)과 제휴해 LHC 실험을 위한 티타늄 쿨 바를 재설계하고 제조했다. 


적층제조 기술은 연구용 목적으로 검출 영역을 -40˚C로 냉각시켜 입자 반응을 보존하는 데 사용되는 금속 부품 제작과 관련된 여러 난제를 극복할 수 있도록 지원했다.


▲LHCb 어셈블리용 3D 프린팅 쿨 바를 설계한 CERN 및 3D 시스템즈


가장 큰 도전은 제한된 공간이었다. 충분한 열을 발산하면서도 제한된 공간에 맞춘 쿨 바를 제작해야 했고 검출기 효율성 및 해상도를 위해 평탄도 사양을 맞추는 동안 길이 140m, 폭 2㎜ 이하의 광 검출 스트립의 길이에 걸쳐 온도 균일성을 달성해야 했다. 


이러한 요건을 바탕으로 완벽한 부품 설계를 구상했다. CERN의 LHCB SciFi Tracker 프로젝트의 리더인 안토니오 펠레그리노는 "이 디자인은 매우 아름다웠지만, 일반적인 기존 제작 방식으로 제작할 수 없었다"고 설명했다.


3D시스템즈의 애플리케이션 혁신 그룹과 CERN은 DMP(Direct Metal Printing) 프린터를 사용해 티타늄 쿨바를 300개 이상 제조할 수 있었는데, 각각 0.25mm 벽 두께, 누설 조임성 및 평탄성 50미크론 등 필요한 사양을 충족했다. 


▲라멜라 열교환기 설계



산업 부문에 걸친 유체 흐름 시스템


유체 흐름 시스템에서 적층제조의 이점은 CERN을 훨씬 넘어 열 교환기에서 통합 냉각, 추진 시스템 및 연료 인젝터, 유체 다지관 및 마이크로 유체 공학에 이르기까지 광범위하다. 적층제조는 이러한 모든 유체 흐름 애플리케이션에 대해 한 가지 이상의 방법으로 효율성 향상을 실현하고 있다. 


한편, 적층제조는 기하학적 구조 최적화 덕분에 더 경량화된 구조물을 생산할 수 있다. 이는 중량의 요인으로 운영비가 증가될 가능성이 있는 추진 시스템과 연료 인젝터와 같은 응용 분야에서 특히 중요하다.


예를 들어 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계할 때, 독일 우주 센터(DLR)는 3D시스템즈 고객 혁신 센터와 협력해 30개의 부품을 단일 부품으로 통합할 수 있었고, 최종 중량을 최대 10%까지 줄였다. 


여기에 통합 설계는 기존 시스템에 존재하는 고장 지점을 제거해 전반적인 시스템 성능을 개선했다. 3D프린터로 제작한 연료 인젝터에는 압력 및 온도 센서 채널과 같은 특정 기능도 통합되어 있어 냉각 및 연소 성능이 우수했다. 이러한 성능 향상 기능은 3D시스템즈의 DMP 기술을 통해 실현 가능했다.

▲DLR의 발화 테스트


DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하고 있는 마르쿠스 쿤은 "DMP 기술을 활용한 우주 연구 성공을 바탕으로 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두 했을 때 3D시스템즈 기술은 인젝터 헤드의 제조 설계 측면에 완벽하게 적합하다고 생각했다"고 설명했다. 

단순하고 더 뛰어난 흐름성


적층제조는 또한 유체 역학을 직접적으로 개선함으로써 유체 흐름 애플리케이션의 효율성을 향상시킬 수 있다. 대부분의 기존 제조 공정은 내부 채널을 통해 이동하는 유체가 정체된 구역에 갇힐 수 있기에 모서리 부분이 뾰족한 설계를 선호하는데, 이는 문제가 될 수 있다. 


이는 결국 압력 손실로 이어지고 효율을 떨어뜨린다. 적층제조를 위한 설계는 이러한 골치 아픈 설계 특징을 없애고 유체 역학에 최적화된 내부 채널을 만든다. 이러한 이점은 반도체 기계의 유체 다 지관과 연구소에 사용되는 마이크로 유체 소자에서 가장 명확하게 볼 수 있다.


마찬가지로, 최대 냉각을 달성하기 위해 의도적인 난류를 가진 유체 흐름 시스템을 설계한다. 예를 들어 열 교환기의 경우 내부 난류는 열 전달을 증가시키며, 이는 냉동 기기, 에너지 생성 및 기타 많은 용도에 유용할 수 있다. 전체적으로 적층제조는 엔지니어와 유체 흐름 전문가가 제조상의 제약이 아닌 유체 역학으로부터 설계를 기초할 수 있도록 한다.

 

▲3D프린터로 제작한 유압 매니폴드(흐름 최적화)


요약하자면 적층 제조는 유체 흐름 애플리케이션의 상태를 보다 개선해 부품 통합으로 제조 가능성 향상, 중량 감소 및 혼합 효율을 통한 뛰어난 효율성 및 공간 활용도를 제공하고 있다. 


이는 LHC용 3D프린팅 금속 쿨바, 연료 인젝터 또는 작은 채널이 있는 플라스틱 마이크로 유체 소자 등 사실상 모든 유체 역학 영역에 해당된다. 


그럼에도 연구 곡선은 새로운 제조공정뿐만 아니라 완전히 새로운 설계 방식까지 포괄하기에 상당히 가파르다고 할 수 있다. 다행히 적층제조 기술 도입 장벽 화를 위해 전문가들이 손을 잡고 있다. 


3D시스템즈는 사용자가 교육 및 제조 서비스를 통해 유체 흐름 애플리케이션용 3D프린팅 기술을 대한 활용하도록 지원한다. 3D시스템즈 관계자는 “우리는 수년간의 노하우를 통해 적층제조 기술이 기존 아키텍처 내에서 어디에 어떻게 적합한지 찾아내고 기존 프로세스를 간소화하는 방법에 대해 컨설팅 및 기술 지원을 제공하는데 최선을 다하고 있다”고 말했다. 


출처: http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=201&sub=004&idx=55522


/서재창 기자(prmoed@hellot.net)