1. 서 론

최근 항공우주 산업에서는 소형위성 시장이 성장하고 있으며 2028년까지 전 세계 소형위성 수요는 약 5.8배 증가할 것으로 예상되고 있다^[1]. 소형위성 수요 증가에 따라 소형 발사체 수요 또한 증가 되고 있으며 발사체 제작 비용 감소 및 개발 기간 단축을 위해 주로 3D프린팅이라 불리는 적층제조 방식이 대두되고 있다 ^[2].

적층제조란 3차원 형상의 데이터를 일정한 두께 층으로 나누어 한 층씩 쌓아 올려 최종 부품을 제작하는 제조방식으로 복잡한 형상 제작 및 부품 통합 제작에 용이하다 ^[3].

유럽의 Ariane Group의 경우, Ariane 6의 로켓 엔진 제작 과정에서 후공정의 비율이 큰 로켓 엔진 인젝터를 금속 분말 용융 방식을 통하여 248개의 부품을 하나의 부품으로 제작하였다 ^[4]. NASA는 액체 로켓 엔진의 연료 펌프 부품을 금속 분말 용융 방식으로 제작하여 전통적인 제조방식 대비 45%의 부품을 감소하였으며, 90,000 RPM 환경 실험을 통하여 제작 부품에 이상이 없음을 확인하였다 ^[5]. NASA는 단조, 기계가공, 슬로팅 등의 공정을 통해 약 18개월의 제작 기간과 31만 달러의 비용으로 제작되던 액체 엔진 스러스트 챔버를 금속 분말 용융을 활용한 부품 일체화 및 위상 최적화를 통해 제작 기간의 72% 감소와 비용의 60% 절감 효과를 확인하였다 ^[6]. 소형 발사체의 터보 펌프는 하우징(Housing), 임펠러(Impeller), 인듀서(Inducer), 블리스크(Blisk), 가이드 베인(Guide vane)과 같은 다양한 부품으로 구성되어 있으며 돌출 구조(Overhang structure) 형상을 포함하는 부품이 많아 전통적인 제조방식을 통한 개발의 경우제작 기간이 길고 비용이 비싸다. 따라서 최근 전통적인 제조방식에서 벗어나 적층 제조를 활용한 터보 펌프 부품의 통합 제작을 위한 연구가 진행되고 있다.

금속 분말 용융 방식은 앞서 언급한 바와 같이 레이저 등의 열원을 활용하여 높은 에너지로 분말을 급속으로 녹인 후 급속 냉각하는 과정을 반복하는 제조방식으로 제조 과정 중 높은 수준의 열 누적이 발생하며, 반복되는 순간적인 용융과 응고 과정은 용융 풀 움직임과 열팽창에 의해 잔류응력을 발생시키고 결과적으로 부품의 뒤틀림, 왜곡, 균열을 일으킨다 ^[7]. 따라서 금속 분말 용융 방식으로 부품을 제작할 경우 공정 중 열 누적 관리가 중요하며, 일반적으로 열이 배출될 수 있는 통로인 지지 구조체를 사용하여 열 누적 문제를 해결한다.

터보 펌프의 임펠러는 닫힌 형상으로 내부 돌출 형상의 지지 구조체 제거가 어렵다. 따라서 지지 구조체 없이 돌출 형상 제작하는 연구들이 수행되고 있다.

Yanbing Liu et al(2022).의 연구에 따르면 조사 길이가 짧은 경우 용융 풀 최고 온도 및 크기가 증가하며 이는 왜곡이나 거친 표면의 결과로 나타날 수 있음을 확인하였다 ^[8]. 이를 통해 돌출 구조의 외곽에서 짧아지는 조사 길이로 인해 열 누적이 발생할 수 있음을 유추할 수 있다.

Amal Charles et al(2018).의 연구에 따르면 금속 분말 용융 공정 변수인 체적 에너지 밀도에 따라 돌출 구조 하단면에 생성되는 Dross의 형성 정도와 치수 정밀도가 달라지며, 체적 에너지 밀도가 증가함에 따라 표면 거칠기와 치수 정밀도가 감소하는 경향이 보임을 확인하였다 ^[9].

Amit Kumar et al(2023).의 연구에 따르면 지지 구조체 없이 제작한 돌출 구조 부품에서 미세 경도가 비돌출 구조 대비 떨어지며, 수지상 거리 또한 비돌출 구조 대비 약 4~6배 증가하는 것을 확인하였다 ^[10].

Zijun Yuan et al(2023).의 연구에 따르면 Defocus를 통해 레이저 빔 에너지 분포를 조절, 레이저 스폿 크기를 변화하여 지지 구조체 없는 수평 돌출 구조를 제작하였다 ^[11].

Manuel Biedermann et al(2021).의 연구에 따르면 돌출 구조를 포함하는 매니폴드의 유로 형상 적층제조를 위한 설계(Design for Additive Manufacturing, DfAM)를 통해 돌출 구조를 방지하였다 ^[12].

열 누적의 첫 번째 원인인 열 전도도는 소재의 고유한 특성으로 쉽게 변화할 수 없다. 따라서 본 연구는 레이저 조사 경로 보상설계 최적화를 통한 돌출 구조의 열 누적을 완화를 공정 모니터링을 통해 확인하였으며 X-ray 단층촬영장비 Vtomex m300(Baker Hughes, 미국)을 통해 적층된 돌출 형상의 형상 정밀도를 비교 분석하였다.

2. 실험 방법

2.1 L-PBF 방식 적층 제조

본 연구는 적층제조 방식 중 하나인 금속 분말 용융 방식을 통해 진행하였으며, M290(EOS, 독일) 장비를 사용하여 시편의 제작을 진행하였다. 활용한 장비의 제원은 아래 표 1을 통해 나타내었다. 금속 분말 용융 방식은 그림 1과 같이 Build Platform이 일정 두께만큼 내려가면 Powder Storage가 올라와 Recoater를 통해 Build Platform으로 분말을 이송하며, Optic System을 거친 레이저가 금속 분말을 선택적으로 조사하여 용융시켜 한 층을 형성한다. 이 과정을 반복하여 한층 씩 쌓아 올려 부품을 완성하는 제조방식이다.

표 1 M290 장비 제원

Table 1 Equipment specification of M290

변수	값
레이저 최대 출력	400 W
레이저 스폿 사이즈	80 $\mu m$
레이어 두께	40 $\mu m$
공정 분위기	Ar(아르곤)
예열 온도	80 $^{\circ}{C}$
기판 치수	250 * 250 mm

그림 1. 금속 분말 용융 방식의 개략도

Fig. 1. Schematic diagram of powder bed fusion

2.2 레이저 조사 경로 보상설계

금속 분말 용융 방식의 레이저 조사 경로는 그림 2와 같이 나타낼 수 있다. 기존 레이저 조사 경로는 그림 2의 붉은색 화살표를 따라 레이저가 분말을 선택적으로 조사하게 되며, 이에 따라 조사 길이가 짧은 경우에 열 누적이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구는 경로 설계 시 레이저 조사 경로에 레이저 출력이 0인 가상의 조사 경로인 파란색 점선 영역을 보상하여 열 누적 현상을 완화하고자 한다. 시편의 제작에 활용한변수 α는 수식 (1)과 같이 계산되며, 활용 변수는 표 2와 같다.

그림 2. 레이저 조사 경로 보상설계 개략도

Fig. 2. Schematic diagram of laser scan path compensation design

(1)

$\alpha =\dfrac{minimum \;vector \;length(mm)}{square\; width(mm)}$

표 2 레이저 조사 경로 보상설계 변수

Table 2 Parameter of laser scan path compensation design

변수	값
𝛼	1	2	3

2.3 돌출 구조

돌출 구조는 적층제조 전처리 과정인 슬라이싱 과정에서 그림 3-(a)와 같이 계단 현상이 일어나 기판이나 이전에 적층된 영역 없이 분말 위에 레이저를 조사하게 되며, 이에 따라 3-(b)와 같은 과정에 의해 열 누적이 발생한다. 일반적으로 돌출 구조는 지지 구조체를 활용하여 제작하지만, 본 실험에서 금속 분말 용융 방식으로 제작된 시편은 30도 각도의 돌출 각도를 가지며, 지지 구조체 없이 제작되었다. 시편의 치수 정보는 아래 그림 4와 표 3을 통해 나타내었다.

그림 3. (a) 적층제조 전처리 과정 시 발생하는 문제점 (b) 돌출 구조 열 누적 발생 과정

Fig. 3. (a) Problems during pre-processing of AM (b) Heat Accumulation process of Overhang Structure

그림 4. 돌출 구조 시편 모델

Fig. 4. Model of overhang structure specimen

표 3 돌출 구조 시편 치수 정보

Table 3 Size information of overhang structure specimen

	값
W	3 mm
D	7 mm
H	14 mm
$\theta$	30°
h	3 mm

2.4 광학 단층 촬영

본 연구는 금속 분말 용융 공정 중 열 이력 모니터링을 위해 단일 레이어의 레이저 조사 시 발생하는 근적외선 파장대 빛 방출의 강도를 CMOS 카메라인 pco.edge 5.5(PCO AG, 독일)를 장비 외부에 설치하여 측정하는 광학 단층 촬영 기법을 통해 진행하였다. CMOS 카메라는 기판 크기 250 * 250 mm 영역을 비동축으로 촬영하였으며, 픽셀 하나당 125 * 125 $\mu m$크기로 금속 분말 용융 과정 중 발생하는 900 – 940 nm 대역 열 복사의 강도를 측정하였으며, 단일 레이어를 모두 조사하였을 때, 하나의 이미지로 변경한다. 단일 레이어의 금속 분말 용융 과정에서 발생하는 열 복사 강도 데이터의 수는 4,000,000개이다. 광학 단층 촬영 기법의 개략도는 아래 그림 5로, 활용한 카메라의 사양은 아래 표 4에 나타내었다.

제작된 시편은 아래 그림 6과 같이 Z=9.88 mm 지점의 단면 6 * 7 mm, 48 * 56 pixel 단일 레이어 영역에 대한 근적외선 영역 열 복사 강도를 측정하였다.

그림 5. 광학 단층 촬영 기법의 개략도

Fig. 5. Schematic diagram of optical tomography

표 4 CMOS 카메라 제원

Table 4 Equipment specification of CMOS camera

	값
파장대역	900 - 940 nm
시야	250 * 250 mm
프레임 레이트	100 Hz
단일 픽셀 사이즈	125 * 125 $\mu m$

그림 6. 열 복사 모니터링 영역

Fig. 6. Monitoring Region of thermal radiation

3. 실험 결과

3.1 돌출 구조 열 이력 모니터링 결과

그림 7은 제작된 시편 Z=9.88 mm(247 레이어)에서의 광학 단층 촬영 이미지를 나타냈으며, 레이저 조사 경로 보상설계를 적용하지 않은 시편(Default)의 돌출 영역에서 전체 영역 대비 높은 열 복사 강도가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 레이저 조사 경로 보상설계 변수 𝛼=1을 적용한 시편의 경우 Default 시편 대비 돌출 영역의 높은 열 복사 강도를 나타내는 영역이 줄어듦을 확인할 수 있다. 각각 𝛼=2와 3을 적용한 시편의 경우, 전체 영역에 균일한 열 복사 강도가 나타남을 확인할 수 있다.

그림 7. 돌출 구조 시편의 Z=9.88 mm 광학 단층 촬영 이미지

Fig. 7. Optical tomography image of overhang structure specimen at Z=9.88 mm

표 5 𝛼에 따른 열 복사 강도 평균값과 표준 편차

Table 5 Mean and standard deviation value of thermal radiation intensity by 𝛼

	Default	𝛼=1	𝛼=2	𝛼=3
평균값	23,524	16,728	14,924	15,286
표준 편차	9,253	6,162	4,978	5,066

그림 8. 돌출 구조 시편의 𝛼에 따른 열 복사 강도 변동 계수

Fig. 8. Coefficient of variation of thermal radiation intensity by 𝛼 at overhang structure specimen

그림 9. X-Ray를 활용한 𝛼에 따른 돌출 구조 시편의 변형 비교

Fig. 9. Comparison of overhang structure specimen’s deformation by 𝛼 using X-Ray CT

표 5는 변수 𝛼에 따른 열 복사 강도 평균값과 표준 편차를 나타냈으며, 이를 활용하여 그림 7의 변동 계수를 계산하였다. 그림 8을 통해 Default 시편의 변동 계수가 39.34%로 계산됨을 확인할 수 있다. 레이저 조사 경로 보상설계 변수 𝛼=10을 적용한 시편의 경우 36.75%의 변동 계수가 𝛼=20의 경우 33.36%, 𝛼=30의 경우 33.14%로 계산되었다.

4. 고 찰

레이저 조사 경로 보상설계 변수 𝛼값에 따른 돌출 구조의 제작 과정에서 광학 단층 촬영을 통한 시편의 열 복사 강도를 모니터링하였을 때, 변수 𝛼값을 적용하지 않은 Default 시편 대비 변수 𝛼=2까지 변동 계수가 감소하여 열 누적 완화 효과를 확인할 수 있으며, 𝛼=3의 경우 변동 계수 33.14%로 열 누적 완화 효과가 𝛼$\ge$2의 값에서 미미한 것을 확인할 수 있다.

X-Ray 단층촬영을 통한 돌출 형상의 형상 정밀도를 비교하였을 때, 변수 𝛼값이 증가할수록 돌출 시편의 변형이 감소하며 𝛼$\ge$2에서 변형이 100$\mu m$ 대로 감소한 것을 확인하였다.

변수 𝛼값에 따른 돌출 구조 시편의 제작 시간을 비교하였을 때, 변수 𝛼가 늘어남에 따라 제작 시간이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

변동 계수를 활용한 열 누적 완화 효과, 형상 정밀도 비교를 통해 𝛼$\ge$2에서 30도 각도 돌출 구조 시편의 열 누적 완화 효과를 보이며, 변형 또한 100$\mu m$ 대로 감소하는 효과를 확인할 수 있다. 제작 시간을 고려하였을 때, 30도 각도의 돌출 구조 시편 최적의 레이저 조사 경로 보상설계 변수는 𝛼=2임을 확인할 수 있다.

5. 결 론

본 연구는 광학 단층 기법 모니터링을 활용한 30도 각도의 돌출 형상 구조의 지지 구조체 없는 금속 분말 용융 제작에서 레이저 조사 경로 보상설계 최적화를 통해 열 누적 완화를 통한 돌출 구조의 변형 최소화를 확인하였다.

이를 통해 서론에서 언급한 터보 펌프의 임펠러와 같은 돌출 구조를 포함하는 복잡한 형상을 가지는 항공우주 부품의 금속 분말 용융 방식 제작 시 열 누적 완화에 따른 변형 감소의 효과를 기대할 수 있다.

향후 더 낮은 돌출 각도에서의 열 누적 완화를 위한 공정 최적화가 필요하다.