ORNL·보잉, 와이어 아크 3D프린팅으로 2톤급 항공기 성형 금형 제작

항공기 도어용 열가소성 부품 성형 금형

이번에 제작된 금형은 스탬프 폼 다이(SFD)로, 열가소성 항공기 도어를 만들 때 쓰인다. 가열된 플라스틱을 두 개의 SFD 금형 사이에 넣고 찍어 내는 방식이다. 이런 금형은 보통 기계 가공, 주조, 단조, 드릴링으로 만든다. ORNL과 보잉 연구진은 온도 조절 기능을 갖춘 금형을 3D프린팅하면 더 빠르고 저렴하며 쉽게 만들 수 있는지 확인하려고 이번 시도에 나섰다.

HiCAM은 NASA와 산업계 파트너들이 복합재 항공기의 생산 속도를 높이기 위해 추진하는 프로젝트다. 연료 효율이 높고 비용이 낮은 항공기에 대한 수요가 커지는 데 대응하는 것이 목적이다.

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다중 와이어 WAAM 시스템 Arc-1 활용

제작에는 ORNL의 WAAM 장비 Arc-1이 사용됐다. 로봇 팔에 장착된 용접 토치가 금속 와이어를 녹여 층층이 쌓는 방식이며, 여러 종류의 와이어를 동시에 공급할 수 있다. 이 덕분에 출력 가능한 형상이 넓어지고 여러 금속을 조합해 부위별로 성능을 달리하는 설계가 가능하다. 소재 구성은 다음과 같다.

• 구조부: 강도와 강성을 위해 연강 사용

• 금형 표면: 내식성, 치수 안정성, 내구성을 위해 스테인리스강 적층

• 냉각·가열 유로: 직선 드릴 가공 대신 금형 형상을 따라 휘어지는 유로를 내부에 구현

TCT 매거진에 따르면 휘어진 유로는 부품을 더 효율적으로 가열하고 냉각해 금형 성능을 높이는 것으로 알려졌다. 또 다른 보도(3dprinting.com)에 따르면 출력에는 약 8주가 걸렸다.

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변형 문제, 시뮬레이션 32회로 보정

가장 큰 과제는 뒤틀림이었다. 증착된 금속이 식으면서 잔류응력이 생겨 형상이 틀어지고 치수가 어긋났기 때문이다. 연구진은 금형 뒷면에 임시 보강 리브를 추가하고, 변형을 미리 반영해 설계를 고치는 컴퓨터 시뮬레이션을 32회 반복했다. 그 결과 의도한 형상과 수 밀리미터 이내로 일치하는 금형을 얻었다.

출력이 끝난 금형은 미시간주의 베이커 인더스트리즈(Baker Industries)로 보내 어닐링으로 내부 응력을 제거했다. 이후 지지 리브를 잘라내고 보잉의 요구 사양에 맞추는 나머지 가공을 마쳤다. 최종 금형이 전부 3D프린팅된 것은 아니지만, 이번에 개발한 기술은 비슷한 유형의 공구에 같은 방식으로 적용할 수 있다고 참여 기관들은 밝혔다.

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연구진 설명

ORNL의 안드레이 니치(Andrzej Nycz) 선임 로봇공학자는 다중 소재 WAAM이 기계적 성능을 세밀하게 조정하면서 시간과 비용도 줄일 수 있는 새로운 설계를 가능하게 한다고 설명했다. ORNL 복합재 혁신 그룹의 아흐메드 아라비 하센(Ahmed Arabi Hassen) 그룹 리더는 이번 작업을 시험 사례로 규정하며, 성공 결과가 에너지와 자동차 등 다른 산업의 대형 열가소성 구조물 제작으로 이어질 수 있다고 말했다.

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의의와 전망

대형 금형과 공구는 납기와 비용 부담이 큰 분야다. 이번 사례는 와이어 기반 금속 적층이 대형 공구 제작에 쓰일 수 있음을 항공우주 프로젝트에서 보여 준 것이다. 같은 달 ORNL은 공작기계 업체 마작(Mazak)과도 금속 적층제조와 고정밀 가공을 하나로 묶는 WAAM 기반 통합 플랫폼을 공동 개발한다고 알려졌다. 적층과 후가공을 결합하는 흐름이 대형 금속 분야에서 이어지고 있다.