한국생산기술연구원(이하 생기원)과 한국항공우주연구원(이하 항우연)이 세계 최초로 우주발사체용 3D프린팅 부품의 극저온 내압 시험에 성공했다.
우주발사체 및 위성에 탑재되는 고압용기는 액체연료와 추진제의 저장·공급, 자세제어용 가스의 고압상태를 유지하기 위한 핵심 부품으로, 고강도이면서 가볍고 추진제탱크의 극저온 환경에서 안정적 성능을 유지할 수 있어야 하기 때문에 티타늄합금이 주요 소재로 사용된다.
그러나 주조나 단조로 티타늄합금 용기를 대형화 하려면 소재 수급이 어렵고 설계상 제약이 따른다.
이에 생기원과 항우연은 케이피항공산업㈜, ㈜에이엠솔루션즈, 한양대와 3D프린팅 기술로 대형 티타늄합금(Ti64) 용기를 제작, 영하 196℃ 액체질소로 냉각한 극저온 조건에서 330㍴ 고압을 견디는 시험에 성공했다.
공동연구팀은 형상과 크기에 제약 없는 맞춤형 생산체계를 구현해 소재 효율성을 높이고, 후처리 공정과 제작비용을 줄이기 위해 적층 제조공정을 도입했다.
생기원 3D프린팅제조혁신센터 이협 수석연구원팀은 레이저 및 금속와이어를 사용하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식 적층제조 공정으로 직경 640㎜, 크기 130L급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다.
특히 공정 중 실시간 모니터링으로 적층 품질을 정밀하게 제어하고, 구조 특성과 열변형을 반영한 적층 경로 최적화 기법으로 대형 용기의 형상 정밀도와 기계적 물성을 동시에 확보했다.
이어 두 개의 반구형 티타늄 부품을 각각 적층 제조한 후 열처리, 정밀가공, 용접공정을 순차 적용해 우주환경에서의 부품 요구품질을 만족하는 일체형 고압용기를 완성했다.
극저온 시험을 주관한 항우연은 용기 내부를 영하 196℃의 액체질소로 냉각한 뒤 330㍴의 입증 압력까지 단계적으로 가압하는 방식으로 내압 성능을 평가했다.
이 때 용기표면에 부착된 변형률 센서와 온도센서, 영상시스템을 활용해 정밀 계측한 결과 구조해석 수치와 일치하는 용기 성능을 기록했다.
이 수석연구원은 “실증을 통해 실제 운용조건을 모사한 극저온 및 고압 조건에서 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보했다”며 “이 기술은 다양한 우주항공 응용 분야에 적층제조 기술을 활용할 수 있는 기반을 구축해 큰 의미를 갖는다”고 말했다.
김현준 항우연 책임연구원은 “운용압에서 반복 가압시험을 진행해 우주부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획”이라고 밝혔다.
