3D시스템즈, 금속프린터 활용한 유체흐름 어플리케이션 지원 확대
3D시스템즈, 금속프린터 활용한 유체흐름 어플리케이션 지원 확대
  • 엄재성 기자
  • 승인 2020.12.14 09:31
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

무료로 다운 가능한 eBook 발행으로 유체흐름시스템용 적층기술 어플리케이션 소개

적층제조(AM) 기술을 최대로 활용한다는 것은 단순히 프린터를 잘 작동하는 것만을 의미하지는 않는다. 다른 기술과 마찬가지로, 공정에 대한 지식이 깊을수록 프로세스 과정에서 더 많은 것을 얻을 수 있고 관련된 응용프로그램을 더 많이 개발할 수 있다. 따라서 적층제조 전문가와 애플리케이션 엔지니어는 기존 방식의 제조와 관련된 많은 과제를 혁신하고 해결할 수 있는 독특한 위치에 있다고 할 수 있다.

3D시스템즈의 DMP 기술을 사용하여 제조된 열 교환기. (사진=3D시스템즈)
3D시스템즈의 DMP 기술을 사용하여 제조된 열 교환기. (사진=3D시스템즈)

자동차와 모터스포츠, 항공우주, 에너지 및 그 외 적층제조 기술 채택을 주도하고 있는 다양한 산업에서, 유체흐름 애플리케이션보다 역동성을 더 잘 보여주는 분야는 없을 것이다. 수년간 유체역학에 대한 우리의 지식은 기존 방식의 제조공정을 사용하여 달성할 수 있었던 수준을 넘어섰다. 이제 적층제조는 이러한 현실을 변화시키고 있으며, 이전에는 불가능했던 최적화된 디자인을 만들 수 있게 하였다.

적층제조 기술로 성능, 효율성, 신뢰성 면에서 우수한 유체흐름 시스템을 만들 수 있다. 최근 3D시스템즈는 무료로 다운 가능한 eBook 발행(https://ko.3dsystems.com/optimize-fluid-dynamics?utm_source=&utm_medium=Article&utm_campaign=7012T000001dL4h&utm_content=FY20_ADDITIVEPRODUCTION-METAL_Q4_APAC_PLAY_Fluid_flow_snmnews)을 통해 유체흐름시스템용 적층기술 어플리케이션을 소개하고 성능 개선에서 경량화에 이르는 다양한 분야에서의 광범위한 이점을 소개하였다.

적층제조, 기존 절삭 방식 대비 설계 자유도 뛰어나 복잡한 부품 제조 가능

유체흐름 애플리케이션을 위한 적층제조의 다양한 이점은 설계와도 밀접한 관련이 있다. 적층제조는 기존 절삭 방식 제조에 비해 설계 자유도가 뛰어나 복잡한 내부 및 기하학적 구조와 특징을 가진 부품을 제작할 수 있다. 요약하자면, 이는 우리가 이제 유체흐름 적용을 위하여 혁신적이고 더 뛰어난 디자인을 구상할 수 있다는 것을 의미한다.

DMP 금속프린터로 제작한 연료노즐. (사진=3D시스템즈)
DMP 금속프린터로 제작한 연료노즐. (사진=3D시스템즈)

세계 최대 입자충돌가속기(세계 최고 대형기계)인 거대 하드론 충돌기(LHC)를 운영하는 스위스에 본사를 둔 유럽조직 CERN은 3D시스템즈 애플리케이션 혁신그룹(AIG)과 제휴해 LHC 실험을 위한 티타늄쿨바를 재설계하고 제조했다. 적층제조(AM) 기술은 연구용 목적으로 검출영역을 -40˚C로 냉각시켜 입자반응을 보존하는 데 사용되는 금속부품 제작과 관련된 여러 난제를 극복할 수 있도록 지원했다.

가장 큰 도전은 제한된 공간이었다. 충분한 열을 발산하면서도 제한된 공간에 맞춘 쿨바를 제작해야 했고 검출기 효율성 및 해상도를 위해 평탄도 사양을 맞추는 동안 길이 140m, 폭 2㎜ 이하의 광 검출 스트립의 길이에 걸쳐 온도 균일성을 달성해야 했다.

CERN 및 3D시스템가 LHCb 어셈블리를 위해 설계한 쿨바. (사진=3D시스템즈)
CERN 및 3D시스템가 LHCb 어셈블리를 위해 설계한 쿨바. (사진=3D시스템즈)

이러한 요건을 바탕으로 완벽한 부품설계를 구상했다. CERN의 LHCB SciFi Tracker 프로젝트의 리더인 안토니오 펠레그리노는 “이 디자인은 매우 아름다웠지만, 일반적인 기존 제작 방식으로 제작할 수 없었다”고 설명했다.

라멜라 열교환기 설계. (사진=3D시스템즈)
라멜라 열교환기 설계. (사진=3D시스템즈)

3D시스템즈의 애플리케이션혁신그룹(AIG)과 CERN은 DMP(Direct Metal Printing) 프린터를 사용하여 티타늄쿨바를 300개 이상 제조할 수 있었는데, 각각 0.25mm 벽두께(열 방출을 개선하기 위한 것), 누설 조임성 및 평탄성 50미크론 등 필요한 사양을 충족했다.

광범위한 유체흐름시스템에서 장점 발휘, 모든 유체흐름애플리케이션에 대해 효율성 향상

유체흐름시스템에서 적층제조의 이점은 CERN을 훨씬 넘어 열교환기에서 통합냉각, 추진시스템 및 연료 인젝터, 유체다지관 및 마이크로유체공학에 이르기까지 광범위하다. 적층제조는 이러한 모든 유체흐름애플리케이션에 대해 한 가지 이상의 방법으로 효율성 향상을 실현하고 있다.

한편 적층제조는 기하학적 구조 최적화 덕분에 더 경량화된 구조물을 생산할 수 있다. 이는 중량의 요인으로 운영비가 증가될 가능성이 있는 추진시스템과 연료 인젝터와 같은 응용 분야에서 특히 중요하다.

예를 들어 액체로켓 엔진인젝터를 설계할 때, 독일우주센터(DLR)는 3D시스템즈 고객혁신센터와 협력하여 30개의 부품을 단일부품으로 통합할 수 있었고, 최종 중량을 최대 10%까지 줄일 수 있었다. 여기에 통합설계는 기존 시스템에 존재하는 고장지점을 제거해 전반적인 시스템 성능을 개선했다. 3D프린터로 제작한 연료인젝터에는 압력 및 온도센서 채널과 같은 특정 기능도 통합되어 있어 냉각 및 연소성능이 우수했다. 이러한 성능 향상 기능은 3D시스템즈의 DMP(Direct Metal Printing)기술을 통해 실현 가능했다.

최근 DLR의 시험 발화. (사진=3D시스템즈)
최근 DLR의 시험 발화. (사진=3D시스템즈)

DLR에서 인젝터 헤드프로젝트를 관리하고 있는 마르쿠스 쿤은 “DMP기술을 활용한 우주연구 성공을 바탕으로 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두했을 때 3D시스템즈 기술은 인젝터헤드의 제조설계 측면에 완벽하게 적합하다고 생각했다”고 설명했다.

직접 개선 통해 효율성 향상, 유체역학에 최적화된 내부채널 제작 가능

적층제조는 또한 유체역학을 직접적으로 개선함으로써 유체흐름애플리케이션의 효율성을 향상시킬 수 있다. 대부분의 기존 제조공정은 내부채널을 통해 이동하는 유체가 정체된 구역에 갇힐 수 있기 때문에 모서리 부분이 뾰족한 설계를 선호하는 데, 이는 문제가 될 수 있다. 이는 결국 압력 손실로 이어지고 효율을 떨어뜨린다. 적층제조를 위한 설계는 이러한 골치 아픈 설계 특징을 없애고 유체역학에 최적화된 내부채널을 만들 수 있다. 이러한 이점은 반도체기계의 유체다지관과 연구소에 사용되는 마이크로유체소자에서 가장 명확하게 볼 수 있다.

마찬가지로 최대 냉각을 달성하기 위해 의도적인 난류를 가진 유체흐름시스템을 설계할 수 있다. 예를 들어 열교환기의 경우 내부난류는 열 전달을 증가시킬 수 있으며, 이는 냉동기기, 에너지 생성 및 기타 많은 용도에 유용할 수 있다. 전체적으로 적층제조는 엔지니어와 유체흐름 전문가가 제조상의 제약이 아닌 유체역학으로부터 설계를 기초할 수 있도록 한다.

부품 통합을 통한 제조 가능성 향상, 중량 감소 및 혼합효율 통한 뛰어난 효율성 제공

요약하자면 적층제조는 유체흐름애플리케이션의 상태를 보다 개선하여 부품 통합을 통한 제조 가능성 향상, 중량 감소 및 혼합효율을 통한 뛰어난 효율성 및 공간 활용도를 제공하고 있다. 이는 LHC용 3D프린팅 금속쿨바, 연료 인젝터 또는 작은 채널이 있는 플라스틱 마이크로유체소자 등 사실상 모든 유체역학 영역에 해당된다.

3D프린터로 제작한 유압 매니폴드. (사진=3D시스템즈)
3D프린터로 제작한 유압 매니폴드. (사진=3D시스템즈)

그럼에도 연구곡선은 새로운 제조공정 뿐만 아니라 완전히 새로운 설계방식까지 포괄하기 때문에 상당히 가파르다고 할 수 있다. 다행히 적층제조 기술도입 장벽화를 위해 전문가들이 손을 잡고 있다. 3D시스템즈는 사용자가 교육 및 제조 서비스를 통해 유체흐름애플리케이션용 3D프린팅 기술을 활용할 수 있도록 지원할 수 있다.

그들은 “우리는 수년 간의 노하우를 통해 적층제조 기술이 기존 아키텍처 내에서 어디에 어떻게 적합한 지 찾아내고 기존 프로세스를 간소화하는 방법에 대해 컨설팅 및 기술지원을 제공하는 데 최선을 다하고 있다”고 말했다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.