항공기 도어용 금형의 금속 3D프린팅

ORNL과 Boeing은 열가소성 항공기 도어를 성형하는 금속 금형의 제조 방법을 탐색했다. 뜨거운 플라스틱 재료를 두 금형 사이에서 누르면 도어의 형상이 만들어진다. 3D프린팅한 대상은 도어가 아니라 이 과정에 쓰는 공구다.

보통 이런 금형은 절삭가공, 주조, 단조, 드릴링으로 만든다. 연구진은 온도 제어 기능을 가진 SFD 금형을 출력하면 더 빠르고, 저렴하고, 쉽게 만들 수 있을지 살폈다.

금속을 쌓는 과정

이 프로젝트는 와이어 아크 적층제조(WAAM)에 ORNL의 Arc-1을 사용했다. 로봇팔의 용접 토치가 금속 와이어를 녹여 층마다 쌓는다. 여러 와이어를 동시에 공급할 수 있는 시스템이다.

금형 구조부에는 강도와 강성을 위해 연강을 썼다. 표면에는 내식성과 치수 안정성, 내구성 있는 작업면을 위해 스테인리스강을 적층했다. 필요한 부위의 역할에 따라 재료를 나눈 셈이다.

금형의 가열·냉각 유체 통로는 보통 길고 곧은 구멍을 뚫어 만든다. 이번에는 금형의 형상을 가깝게 따라가는 곡선형 유로를 출력했다. ORNL은 부품의 가열과 냉각을 더 효율적으로 하고 금형 성능을 개선한다고 설명한다.

적층 금속이 식을 때 남는 응력은 금형을 비틀고 치수를 바꿨다. 연구팀은 뒷면에 임시 리브를 더하고 시뮬레이션으로 설계를 조정했다. 32차례 반복 뒤 제작된 금형은 목표 형상과 수 밀리미터 이내였다.

출력된 금형은 Baker Industries로 보내져 내부 응력을 제거하는 어닐링을 거쳤다. 임시 리브를 잘라낸 뒤 남은 제작 작업도 진행했다. 최종 공구의 모든 부품이 3D프린팅된 것은 아니다.

ORNL이 보고한 높이는 6피트, 너비는 4피트이고 무게는 원문 단위로 거의 2 tons이다. 용융 강철을 쌓아 형상을 만드는 데 8주가 걸렸다.