그림 1: 여기에 표시된 것과 같은 터보 기계 부품은 일반적으로 레이저 금속 융합을 사용하여 생산된다.

 

다음 프론티어에는 3D 프린팅 재료와 안테나가 포함된다.

 

우주 탐사에 대해 어떻게 생각하는가? 새로운 우주 경쟁이 시작된 이후로 우리는 기본적으로 기술 스타트업인 "새로운 우주" 회사가 등장하는 것을 보기 시작했다. 즉, 자신의 임무에 전념하고 목표를 달성하기 위해 "올바른 일"을 할 의욕이 넘치고 열정적이며 의욕이 넘치는 개인이다. AM(적층 제조) 또는 3D프린팅은 목표를 달성하는 데 사용할 수 있는 도구이다. 우주선이나 발사대에 있는 금속 부품의 적층 가공(AM)은 간단히 말해서 차세대 우주 탐사를 추진한다.

 

지난 몇 년 동안 우리는 공공 및 민간 우주 탐사 산업에서 엄청난 성공을 거두었다. 전설적인 윌리엄 샤트너("스타트렉"의 커크 선장)는 90세에 블루 오리진의 뉴 셰퍼드 차량을 타고 우주에 간 최고령자가 되었다. SpaceX의 Starship은 2022년 말에 새로운 잠정 발사 날짜를 잡았다. Virgin Orbit은 모하비 항공우주항에서 위성을 발사했으며 앞으로 몇 달 안에 영국에서 발사할 예정이다. Firefly는 첫 번째 성공적인 비행을 했으며 Astra도 알래스카 시설에서 발사로 돌아왔다. NASA의 아르테미스 임무는 진행 중이며 비록 연기되었지만 안전할 때 재개될 것이다. Rocketlab, ABL Space, Stoke Space, Venus Aerospace, Firehawk 등 많은 사람들이 계속 발전했다.

 

우주 탐사에 적층 가공(AM)을 사용하는 것에 대한 대화는 줄어들지 않고 계속되었다. 예를 들어, Relativity Space는 2022년 10월 말에 출시할 계획이라고 발표했다. 차량의 상당 부분이 WAAM(와이어 아크 적층 제조) 및 레이저 파우더 베드 융합과 같은 AM 프로세스를 사용하여 생산된다는 점을 감안할 때 이는 중요한 의미가 있다. - 레이저 금속 융합(LMF)이라고도 한다.

 

기존 및 신규 우주비행 회사는 구조 부품, 연료 탱크, 배럴 및 추진 장치에 적층 가공(AM) 프로세스를 사용하고 있다. 고전적인 로켓 엔진은 3D 프린팅에 적합하며 레이저 금속 융합은 터보 기계, 인젝터, 연소실 및 노즐을 생산하는 데 적합하다.

 

우주 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 우주로 전달되는 페이로드도 적층 가공(AM)을 통해 생성될 수 있다. 예를 들어 위성 안테나는 3D프린팅을 활용하여 더 좋고, 빠르고, 더 신뢰할 수 있는 완벽한 금속 부품이다.

 

이 기능에서는 우주 탐사를 위한 적층 가공(AM)의 몇 가지 분명한 예와 이러한 개발이 매우 흥미로운 이유를 자세히 설명한다.

 

 

그림 2: 이 위성 안테나 제조에 레이저 금속 융합이 사용되었다.

 

위성 안테나

 

우리 모두가 휴대폰에 중독된 시대에 사람들은 단순히 연결되지 않은 상태에 대처할 수 없다는 사실을 발견했다. 휴대폰, 시계, 고글 및 자동차의 앱은 글로벌 포지셔닝 위성을 사용하여 인터넷 액세스, 음악, 비디오 및 일반 연결을 제공한다. 과거에 휴대폰 서비스가 부족하여 서비스가 부족한 시골 지역 사회는 이제 연결을 위해 위성 별자리 네트워크를 활용할 수 있다. 저소득 가정의 학생들은 이제 온라인으로 공부하고 숙제를 할 수 있으므로 보다 공평한 교육을 받을 수 있다. 필요가 무엇이든 이러한 모든 연결 요구 사항은 더 많은 위성, 특히 CubeSat 및 별자리가 필요함을 의미한다. 다행스럽게도 레이저 금속 융합은 이러한 부품의 생산 속도와 품질을 높일 수 있는 훌륭한 솔루션이다.

 

그림 2는 Ka 대역용 3D프린팅 RF 안테나의 그래픽을 보여준다. 레이저 금속 융합(LMF)으로 위성 안테나를 생산하면 몇 가지 뛰어난 이점이 있다. 복잡한 디자인은 레이저 빔의 스캔된 움직임으로 쉽게 변환되어 기존 프로세스로는 제조하기 어려운 모양을 만들 수 있다. 이 예에서 우리는 산업 전반에 걸쳐 다양한 레이저 분말 베드 퓨전 기계에서 안정적으로 잘 인쇄되는 잘 알려진 알루미늄 합금인 AlSi10Mg의 부품을 볼 수 있다. 모놀리식 설계는 실제로 입력 손실을 줄이면서 혼, 필터 및 도파관과 같은 기능을 포함할 수 있다.

 

충분히 작은 스폿 크기를 사용하면 우수한 표면 마감(6-7mm Ra)으로 매우 미세한 벽 두께(0.1mm까지)를 얻을 수 있다. 부품의 크기와 기계의 크기에 따라 다중 레이저 기계는 레이저 중첩 및 예기치 않은 시작 중지에 대한 걱정 없이 빌드 플레이트의 전체 크기를 사용하여 단일 주기로 여러 부품을 인쇄할 수 있다는 점에서 생산성 이점도 있다. 우리가 LMF 프로세스의 신뢰성과 품질을 계속해서 개발한다면 그것은 위성 구성 요소 제조를 위한 이동 프로세스가 될 것이다.

 

엔진 노즐용 C103 니오브 합금

 

기존의 밀 제품 형태로 생산하기 어려운 모든 재료는 공급 원료를 사용할 수 있는 한 AM 공정의 후보로 간주될 수 있다. 원래 우주 경쟁에서 나온 특정 고온 레거시 금속인 니오븀 기반 C103 합금이 적절한 예이다. 우주선용 2단계 진공 엔진과 군용 항공기의 일부 애프터버너는 무려 1,370°C에 달하는 내열성을 가진 C103을 사용하여 개발되었다.

 

 

그림 3: 레이저 금속 증착은 복잡한 노즐 구조를 만드는 이상적인 방법이다.

 

그러나 기존의 압연 제품인 판금은 전자 빔 1차 용융물에서 진공 아크 재용융 "EB-VAR" 잉곳으로 이동한 다음 단조 및 압연하여 시트로 만들기 때문에 이 재료로 생산하기 어렵다. 이 프로세스는 주문 입력에서 도크에 판금이 나타날 때까지 35주 이상이 소요된다. 이는 성형, 워터젯 절단, 최종 구성까지의 EB 또는 TIG 용접, 코팅을 포함하지 않는 엄청나게 긴 리드 타임이다. 또한 얇은 게이지 시트 섹션은 매우 날카롭고 작업자에게 부상을 입힐 수 있기 때문에 극단적인 취급 과정이 필요하다. 이 재료를 단순히 3D로 인쇄하지 않는 이유는 무엇일까?

 

이것은 말처럼 쉽지 않다. 판금 C103을 얻는 매우 힘든 공정은 분말이나 와이어를 생산하는 것보다 약간 나을 뿐이다. 그러나 C103 분말의 LMF를 사용한 AM ​​공정은 성공적으로 입증되었다. C103 파우더로 부품을 만들면 리드 타임이 단축되고 공정이 간소화된다. 3D프린팅을 사용하면 필요한 분말만 사용되며 커팅 시트 낙하로 인한 잠재적인 수율 손실이 없다. 성형 및 EB/TIG 용접 작업을 건너뛸 수 있다. 파트를 프린트하면 짜잔! 또한 날카로운 절단면을 다룰 때 부상을 입을 위험이 없다. 위성 추진기와 같은 소형 추진 장치의 경우 레이저 금속 융합은 빌드 볼륨에 이상적인 프로세스이며, 모두 동일한 빌드 플레이트에 맞을 수 있는 경우 다중 레이저 기계를 활용하여 다중을 인쇄한다.

 

또 다른 희소식은 와이어 첨가제 공정에 대한 작업이 시작되었다는 것이다. 물론 이 작업이 성공하려면 공급 원료 가용성이 더 높아야 한다. 나는 최근에 재료 과학 스펙트럼의 다른 측면에서 니오븀 또는 기타 내화성 금속 합금에 내열성이 훨씬 더 우수하고 저렴할 수 있는 더 나은 것이 있을 수 있는데 왜 우리가 C103을 계속 사용하는지 묻는 주장을 들었다. 이 주제에 대한 개선의 범위는 ICME 방법(열역학 모델 및 소프트웨어 도구)을 사용한 재료 개발을 위한 광범위하고 비옥한 기반임이 분명하다.

 

빛의 밝은 면에 있는 녹색 레이저

 

레이저를 포함하는 AM 공정은 모두 적외선(IR) 파장을 사용하여 분말을 빠르게 녹인다. 그러나 가시 광선 스펙트럼의 레이저 파장을 활용하는 절단 및 용접 분야의 기술인 녹색 레이저 광선도 가능하다. IR의 1030-1064nm와 반대되는 515nm에서 녹색 레이저 광은 구리 및 그 합금과 같은 반사율이 높은 판금을 절단하고 용접하는 데 사용되었다.

 

청색 레이저는 파장이 훨씬 더 짧지만 녹색 레이저 기술은 현재 더 개발되어 쉽게 사용할 수 있다. 반사율이 높은 재료는 구리를 넘어 일부 알루미늄 합금, 금, 은 및 백금까지 확장된다. 적외선 레이저를 사용하면 이러한 재료를 빔과 결합하기가 어렵다. 이는 레이저 광을 산란시켜 에너지 손실을 유발하는 경향이 있으며, 이는 재료에 펌핑하는 데 더 많은 에너지가 필요함을 의미한다. 결과적으로 스패터, 용융 풀 불안정성, 불량한 절단 또는 용접 마감이 발생한다.

 

 

그림 4: 이 GR Cop 엔진 부품은 녹색 레이저로 레이저 금속 증착을 통해 생산되었다.

 

파장이 짧은 녹색 레이저는 반사되는 레이저 광이 적다. 즉, 더 많은 레이저 에너지가 금속을 관통할 수 있으므로 스패터가 적고 용융 풀이 더 안정적이다. 이것을 3D프린팅으로 변환하는 것은 당연한 선택이었다. 열 교환기 구성 요소 또는 구리가 허용하는 더 높은 열 및 전기 전도성이 필요한 모든 것의 경우 결과 인쇄된 부품은 더 높은 밀도, 더 적은 스패터, 더 높은 인쇄 밀도(더 낮은 다공성) 및 더 나은 표면 마감을 갖는다. 놀랍게도 소비자 보석 산업도 혜택을 받았다. 대부분의 귀금속은 비싸기 때문에 이러한 재료에는 폐기물을 절약할 수 있는 능력이 유리하다. LMF 기계로 확장할 때 IR 레이저 사용의 또 다른 측면은 반사율이 높은 재료에 해로울 수 있으며 기계 제작 챔버 내부에 모여 렌즈 커버와 필터를 손상시키는 파편의 양이다. 이 경우 생산성을 고려해야 할 때 녹색 레이저를 사용하는 것이 훨씬 더 매력적이다(즉, 기계 청소에 필요한 시간 단축, 렌즈 커버 교체 빈도 감소, 레이저 광학 수명 연장).

 

로켓 엔진 추진 영역의 최근 개발에는 C18150(CuCrZr)이든 GR Cop 42 또는 84이든 관계없이 LMF에서 제조하는 구리 합금 엔진 부품이 포함되었다. 따라서 추가 강도를 제공하기 위해 니켈 기반 초합금과의 조합은 탁월한 솔루션이 될 것이다. 최대 Z 높이 크기가 800-1000mm에 달하는 적외선 레이저를 사용하는 현재 LMF 기계의 한계로 인해 설계자는 가능한 것의 한계를 뛰어넘고 있다. 엔진이 클수록 추력 출력이 커지고 페이로드 또는 더 높은 궤도를 달성할 수 있다.

 

 

그림 5: 이 예에서 레이저 금속 증착은 이 일련의 그리드 핀을 생성했으며, 기존 방법으로는 훨씬 더 어려운 작업이었다.

 

DED(방향성 에너지 증착)라고도 하는 LMD(레이저 금속 증착)의 자유 형식 특성을 통해 사용자가 최대 Z 높이 800-1000 mm에서 벗어날 수 있는 세상을 상상해 보자. 3D 프린팅된 로켓 연소실 또는 풀 사이즈 노즐을 생산할 수 있다. 그림 3은 고정 빌드 플레이트 없이 부품을 기울이고 이동하면 오버행을 처리할 수 있는 반면, 녹색 파장 레이저를 사용하면 더 나은 인쇄 속성을 가진 더 효율적인 인쇄 프로세스가 생성된다. 그림 4는 레이저 금속 융합 공정에서 녹색 레이저로 인쇄된 GR Cop 42를 보여준다. 약 15''[381mm] 높이의 부품을 위해 이 프린트는 650와트에서 프린트하는 데 52시간이 걸렸고, 우수한 표면 마감으로 많은 레이저 에너지와 효율성을 절약했다. 우리는 곧 이 공정으로 생산되는 더 많은 부품을 볼 수 있을 것으로 예상할 수 있으며, 이러한 부품을 열간 소성하면 부품의 전반적인 효율성과 추진력을 생성하는 능력에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있다.

 

마지막으로 WAAM, 레이저 와이어, 레이저 하이브리드 아크 또는 LMF와 같은 자유 형식 AM 프로세스를 사용하여 지상을 떠나지 않는 발사대의 품목이나 기타 비행 물품을 위한 대형 구조를 만들 수도 있다. 그림 5는 에어 브레이크로 사용되는 미사일이나 로켓의 구조인 그리드 핀을 만드는 데 사용되는 레이저 금속 융합 공정을 보여준다. 그것은 회복된 재사용 가능한 로켓의 재진입 첫 번째 단계를 늦추는 것과 같은 공기 흐름을 처리하기 위해 피치와 요로 움직이고 회전할 수 있다. 전통적으로 이러한 부품은 주조로 만들 수 있으므로 리드 타임을 절약하는 것이 중요하다면 3D 프린팅을 하지 않는 이유는 무엇일까?

 

아르테미스 프로그램이 진행됨에 따라 최초의 여성이 달 위를 걷는 것을 보는 것은 시간 문제이다. 의심할 여지없이 그녀와 그녀의 동료들은 적층 제조의 도움을 받아 그렇게 할 것이다.

 

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