액체로켓 분사기 금속 3D프린팅, 한 부품으로 만들 때 살펴볼 것
안녕하세요. 3D프린팅·CNC·다양한 소재 전문 플랫폼 기업 아이컨택입니다.
AI 개념 이미지: 금속 3D프린팅으로 만드는 액체로켓 엔진 분사기와 냉각 유로를 보여준다. 실제 장비나 제품의 사진은 아니다.
금속 3D프린팅으로 분사기 조립은 어떻게 달라지나
기존 액체로켓 분사기는 대개 여러 부품을 따로 설계하고 제작·검사한 다음 브레이징이나 용접 등으로 조립한다. 금속 3D프린팅은 재료를 층층이 쌓아 형상을 만드는 방식이다.
NASA 마셜 우주비행센터의 소형 분사기 사례에서는 추진제가 나오는 작은 구멍을 출력된 상태 그대로 시험했다. 출력물을 바닥판에서 떼어낸 뒤 점화기용 나사산을 만들고, 액체산소 구멍 안쪽은 표면 거칠기가 흐름에 미치는 악영향을 줄이도록 다듬었다.
분말 베드 융합은 내부 통로를 어떻게 만드나
분말 베드 융합(PBF)은 금속 분말을 얇게 펼친 뒤 레이저로 필요한 부분을 굳히는 공정이다. 자료에서는 선택적 레이저 용융(SLM)이라고도 부른다. 새 층을 바로 아래 층과 결합하며 쌓기 때문에 냉각재가 지나가는 내부 유로도 형상에 넣을 수 있다.
여기에는 제작 순서가 걸린다. 통로에 남은 분말은 응력 제거를 포함한 열처리 전에 빼내야 한다. 갇힌 분말이 가열 중 서로 붙으면 나중에 제거하기 어렵거나 불가능해질 수 있다.
그래서 자료가 다룬 당시의 분사기 통로는 대체로 비교적 곧거나, 부품이 제작 바닥판에 붙어 있을 때 입구 또는 출구로 접근할 수 있어야 했다. 통로의 안쪽 형상과 분말을 꺼내는 경로가 함께 설계 조건이 되는 이유다.
큰 노즐에는 어떤 금속 적층 공정을 검토하나
SLM은 복잡한 내부와 외부 형상을 만들 수 있지만 제작 공간에 크기 제한이 있다. NASA 자료에 따르면 당시 부품 제작에 이용 가능한 장비 다수의 제작 공간은 250 × 250 × 300mm였고, 600 × 400 × 500mm급 장비도 등장하고 있었다. 어떤 노즐은 그 공간에 들어가지 않을 만큼 컸다.
NASA 마셜 우주비행센터는 SLM 제작 크기를 넘는 부품을 위해 직접에너지적층(DED)을 평가했다. DED는 재료를 필요한 위치에 공급하며 쌓는 공정 계열이다. 제작 가능한 크기와 적층 속도가 커지는 대신, 작은 형상을 표현하는 해상도는 낮아진다.
열연소 시험은 무엇을 확인했나
연구진은 출력에 맞춰 설계 일부를 조금 수정하되 분사 요소의 주요 치수는 기존 제작 분사기와 같게 만들었다. 앞선 시험과 비슷한 크기의 연소실에서 열연소 시험을 한 결과, 두 제작 방식의 특성 배기속도 효율 차이는 측정 오차 범위 안에 있었다. 추진제의 연소 효율을 나타내는 이 지표에서는 시험한 분사기 사이에 오차를 넘어서는 차이가 확인되지 않았다는 뜻이다.
NASA 자료는 개발 과정에서 기존 방식 대비 비용 50% 절감과 제작 일정 50% 초과 단축도 보고했다. 절감 폭은 부품마다 크게 달랐다.
아이컨택은 복잡한 내부 통로를 한 몸체에 담는 소형 분사기라면, 유로의 형상과 함께 분말을 꺼낼 경로를 설계할 때부터 정해야 한다고 본다. 큰 노즐에서는 필요한 세부 형상이 DED의 해상도에 맞는지가 공정 선택의 갈림길이다.
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