▲ 30bar 가스 내압평가 중인 공통격벽 형태의 발사체용 추진제 탱크의 모습

한국생산기술연구원(원장 이낙규) 3D프린팅제조혁신센터 손용 박사 연구팀이 금속 3D프린팅 기술로 우주 발사체용 추진제 탱크의 시제품 제작에 성공했다.

이 제품은 한국항공우주연구원(원장 이상률) 미래발사체연구단의 성능평가에 합격하면서 상용화 기대감을 높였다. 이는 지난 2020년 10월 16일에 한국생산기술연구원-한국항공우주연구원간 체결된 ‘항공우주부품 제조자립 업무협약’의 성과다.

생기원이 개발한 시제품은 금속 3D프린팅 기술을 적용해 두 개의 탱크를 한데 합친 공통격벽(두 개의 구(球)형이 위아래로 겹쳐진 형상) 형태로 구현해 냈다. 기존의 발사체용 추진제 탱크는 ‘산화제’와 ‘연료’ 탱크를 별도로 제작해 이어붙인 ‘숫자 8’의 형태로, 불필요한 여백이 생기고 부피도 커서 공간 효율성이 떨어졌다.

손 박사 연구팀은 하나의 탱크 벽면 위에 또 다른 탱크를 바로 겹쳐 쌓아 올리는 제작 기법을 고안했다. 이는 소형발사체 상단 설계 시 공간 효율성은 12% 높이고, 부품무게는 27% 낮춰 경량화에 크게 기여했다.

연구팀은 복잡한 형상 구현을 위해 DED(Directed Energy Deposition, 직접 에너지 적층)방식의 금속 3D프린팅 기술을 적용했다. DED방식은 공정 시간이 길어질 경우 열 누적으로 인해 제작품의 열 변형을 일으킬 수 있어, 기존에는 주로 소요시간이 짧은 파손 부품의 보수 등에만 사용되어 왔다.

이번에는 DED방식에 실시간으로 공정 모니터링을 더해, 공정 변수를 적절히 제어하는 기술을 적용함으로써 제작시간이 긴 추진제 탱크 부품을 고품질로 제작하는데 성공할 수 있었다.

생기원이 개발한 공통격벽 구조의 축소된 추진제 탱크는 항우연 미래발사체연구단의 30bar의 내압 성능평가에서 합격점을 받았다. 이는 3D프린팅 기술이 시제품 제작 수준을 넘어서 실제 현장에 적용하는 상용화 단계까지 도달했음이 검증된 것이다.

향후 3D프린팅 기술이 성형, 용접 및 절삭 등의 전통적 우주발사체 탱크 생산방식을 대체하고, 구조 설계의 자유도 향상, 공정 자동화, 제작 기간 단축 등의 효과를 이끌어 낼 것으로 기대된다.

생기원 손용 박사는 “국외에서는 이미 다품종 소량생산의 맞춤형 항공우주부품 제작에 3D프린팅 기술이 적극적으로 활용되고 있다.”며, “점차 고성능 엔진, 대형 구조 부품 등으로 그 적용 범위가 확대되는 가운데 생기원과 항우연의 지속적 협력을 통해 3D프린팅 기술을 적용한 항공우주 부품 개발과 제조산업의 혁신을 앞당길 것”이라고 밝혔다.