미래 아리안 추진 모듈 간소화

도전 과제

부품 수를 최대한 줄이고 단가를 낮춘 로켓 엔진용 사출 헤드 생산

유럽우주국(ESA)은 효율적인 발사체 기술을 사용하여 우주 운송 분야에서 강력하고 독립적인 입지를 확보하고자 합니다. 이를 달성하기 위해 유럽 항공우주 기업인 에어버스 그룹과 프랑스 그룹 사프란의 합작사인 아리안그룹에 차세대 발사체 제작을 의뢰했습니다. 아리안은 통신 위성과 같은 무거운 탑재체를 지구 궤도에 올려놓을 수 있도록 설계된 일련의 유럽 발사체입니다.

추진 모듈에서는 극한의 조건에서 엄청난 힘이 발생합니다. 따라서 좁은 공간에서 최고 수준의 신뢰성과 정밀도가 요구됩니다. 인젝션 헤드는 추진 모듈의 핵심 요소 중 하나로 연료 혼합물을 연소실에 공급합니다.

전통적인 디자인은 다양한 제조 단계에서 생산 및 조립되는 248개의 부품으로 구성되어 있습니다. 주조, 브레이징, 용접, 드릴링과 같은 다양한 공정 단계로 인해 극한의 하중에서 위험을 초래할 수 있는 약점이 발생할 수 있습니다. 또한 시간이 많이 걸리고 복잡한 공정입니다. 인젝터 요소의 경우, 기존 생산 방식에서는 구리 슬리브에 8,000개 이상의 십자형 구멍을 뚫은 다음 이를 통해 흐르는 수소를 산소와 혼합하기 위해 122개의 인젝터 요소에 정밀하게 나사로 고정해야 합니다.

이 수치를 한 눈에 보면 모든 요소를 결합한 기능적으로 통합된 하나의 부품이 분명하지만 야심찬 목표임이 분명합니다. 이는 특히 클래스 1 구성 요소의 경우 상당한 경제적 잠재력을 발휘하고 처리 단계 수와 생산 시간을 단축할 수 있습니다.

솔루션

기능 통합을 통해 248개의 개별 부품이 아닌 단일 요소로 구성된 적층 제조 제품

이러한 과제에 대한 해결책은 적층 가공으로 제공됩니다. "EOS 기술을 사용하면 인젝터 헤드를 일체형으로 생산할 수 있습니다."라고 아리안그룹의 재료 및 공정 생산 기술 책임자인 스테픈 베이어(Steffen Beyer) 박사는 산업용 3D 프린팅을 선택한 이유를 설명합니다. "적층 제조만이 단일 부품에 통합된 기능, 경량 구조, 더 단순한 설계, 더 짧은 리드 타임을 구현할 수 있습니다." 프로젝트 팀은 다시 내열성 및 내식성 니켈 기반 합금(IN718)을 재료로 선택했습니다. 이 소재는 고온에서 인장, 내구성, 크리프 및 파단 강도가 우수하며 새로운 생산 기술과 함께 사용될 예정입니다.

"부품을 성공적으로 개발한 후, 우리는 비용 효율성에 주목했습니다."라고 생산 기술 - 재료 및 공정의 파비안 리스 박사는 말합니다. 아리안그룹의 핵심 요구 사항은 리드 타임과 단가를 줄이는 것이었습니다. 처음에 제조는 점진적 프로세스를 통해 수행되었으며 EOS M 290. 성공적인 파일럿 테스트 후, 생산은 더 큰 규모의 EOS M 400-4 시스템으로 확장되었습니다. 4레이저 기술을 통해 추진 모듈 부품을 최대 4배 더 빠르게 제조할 수 있었습니다. "아리안 프로젝트의 산업화와 경쟁력을 높이기 위해 생산성이 높은 EOS M 400-4 시스템으로 제작 공정을 확장하는 것은 우리에게 중요한 단계였습니다. EOS 직원들의 경험과 업계 전문성 덕분에 협업은 매우 효율적으로 진행되었습니다. 그 결과는 그 자체로 훌륭한 팀 성과를 증명합니다."라고 Steffen Beyer 박사는 덧붙입니다.

결과

적층 가공으로 제작된 새로운 인젝터 헤드의 결과는 매우 인상적입니다. 248개의 부품 대신 단 하나의 부품으로 구성되어 동일한 기능을 제공하면서 소요 시간을 최소한으로 줄였습니다.

EOS의 파우더 베드 기반 산업용 3D 프린팅 기술은 예를 들어 122개의 분사 노즐, 베이스 및 전면 플레이트, 수소 및 산소 연료용 공급 파이프가 있는 분배 돔을 하나의 통합 부품으로 프린팅할 수 있다는 것을 의미했습니다. 단일 레이저 시스템에 비해 훨씬 높은 생산성을 자랑하는 멀티 레이저 시스템( EOS M 400-4)은 AiO 인젝터 헤드의 예에서 시공 시간을 3배, 비용을 50%까지 절감할 수 있었습니다.

프로젝트 팀은 일련의 추가 성공을 기록할 수 있었습니다. 주조 부품의 품질에 비해 단순화된 설계와 개선된 재료 특성 덕분에 적층 기술을 통해 강도를 잃지 않으면서 벽 두께를 크게 줄일 수 있었습니다.

무게를 크게 줄인다는 것은 시공 시간과 비용을 더욱 줄일 수 있다는 의미이기도 합니다.

마지막으로, 적층 제조 프로세스를 통해 혁신 주기를 크게 단축할 수 있습니다. 개발 단계의 구조 개선, 설계 수정, 테스트 부품 제조는 주조 부품의 경우처럼 엔지니어가 공구를 준비하는 데 시간을 들일 필요 없이 CAD 데이터를 기반으로 바로 생산에 투입할 수 있습니다. 따라서 산업용 3D 프린팅은 리드 타임 측면에서 비약적인 발전을 이루었습니다. 일반적으로 각 반복에 약 반년이 걸렸던 반면, 이제는 한 번의 반복에 며칠밖에 걸리지 않습니다. 게다가 이제 전체 제조 체인이 아리안그룹 구내에서 자체적으로 이루어집니다. 한마디로 요약하면: 미션 달성!