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2015년 4월 23일 목요일

첫 번째 풀 스케일 로켓 부품을 3D 프린팅한 나사



 앞서 몇 차례 소개드린 것 처럼 나사는 3D 프린터에 많은 관심을 가지고 있습니다. 여기에는 직접 우주에서 3D 프린팅을 하는 것도 있지만, 우주로 발사할 로켓 엔진 부품을 3D 프린팅 하는 것도 있습니다. 이전에 소개드린 것처럼 나사는 소형 로켓 엔진을 3D 프린터로 출력한 후 이를 이용해서 연소 테스트를 성공적으로 진행한 바 있습니다. ( http://jjy0501.blogspot.kr/2013/09/3D-printed-rocket-part-tested.html 참조) 이 테스트에서 3D 프린터로 출력된 부품들은 고온 고압 환경에서 성공적으로 작동했습니다. 

 이 때 테스트한 로켓 부품들은 사실 앞으로 제작될 3D 프린팅 로켓 부품의 축소 스케일 테스트 모형이었습니다. 여기서 성공적인 결과를 얻지 이제 풀 스케일 부품 출력에 나서고 있습니다. 나사는 금속 3D 프린트 기술을 이용해서 복잡한 모양의 엔진 부품을 주물로 제작하는 대신 출력하는 방법을 사용하려고 시도하고 있습니다. 성공하면 엔진 제작 기간 및 비용이 크게 단축될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.


(3D 프린터로 출력된 첫 번째 풀 스케일 로켓 엔진 부품 . 
Inside the combustion chamber, propellant burns at more than 5,000 degrees Fahrenheit. To prevent melting, hydrogen at temperatures less than 100 degrees above absolute zero circulates in more than 200 intricately carved cooling channels Cooling inlets are visible along the top rim of the chamber.
Credits: NASA/MSFC/Emmett Given  )

 이 연구를 이끌고 있는 스티브 줘크짘(Steve Jurczyk, associate administrator for the Space Technology Mission Directorate at NASA Headquarters in Washington)은 적층공법을 이용해 첫 번째 풀 스케일 로켓 부품을 만는데 성공한 것이 매우 고무적인 일이라며, 앞으로 이 기술이 인류를 붉은 행성(화성)으로 인도하는 데 큰 역할을 할 것이라고 기대했습니다.

 첫 부품의 용도는 로켓 연소실 라이너(combustion chamber liner)입니다. 이 부품은 섭씨 2760도에 달하는 고온을 견뎌야 합니다. 어떤 금속 합금도 이 온도에서 버티기 어렵지만 나사의 엔지니어들은 오래전부터 이를 해결할 방법을 알고 있었습니다. 그것은 이 부품 안쪽으로 100K (즉 영하 173도) 정도의 차가운 액체 수소를 통과시키는 것입니다. 그러면 금속 부품이 녹지 않고 강도를 유지할 수 있습니다.

 나사의 엔지니어인 크리스 싱어(Chris Singer, director of the Engineering Directorate)에 의하면 이 라이너에는 200개의 작은 통로가 있어 액체 수소가 통과할 수 있습니다. 재질은 열전도가 좋은 구리로 이뤄져있는데, 열에 약할 것 같지만 역발상으로 오히려 앞서 설명한 방법으로 잘 견딜 수 있습니다. 냉각제를 겸하는 수소가 고갈되면 어차피 연소도 멈추기 때문에 문제될 것이 없는 것이죠.

 다만 이런 복잡한 내부 구조를 지닌 부품은 한번에 주조하기가 어려웠습니다. 나사의 마셜 우주 비행 센터의 소재 및 가공 연구소(Marshall’s Materials and Processing Laboratory )의 엔지니어들은 적층 가공(additive manufacturing)과 선택척 레이저 융해(selective laser melting) 방식을 사용해서 총 8,255층의 구리 가루를 내부에 미세한 관을 지닌 로켓 부품으로 변환시켰습니다.

 현대판 연금술 같은 금속 3D 프린터가 이 부품을 만드는데는 10일하고도 18시간이 걸렸다고 합니다. 제작 기간이 긴 것 같지만, 기존의 방식보다 훨씬 간단하고 빠르게 제작된 것입니다. 다만 한꺼번에 주조한 것이 아니라 구리 가루를 조금씩 녹여서 붙여 만든 만큼 강도를 비롯한 여러 가지 물리적인 특성이 기존의 부품과는 다를 수 있습니다.

 나사의 엔지니어들은 3D 프린터로 출력한 부품들의 성질과 특성을 자세히 분석하는 작업을 진행 중에 있습니다. 여기에 쓰이는 구리 합금은 GRCo-84이라는 것으로 나사의 글렌 연구소에서 제작한 것입니다. 물론 목표로 하는 것은 3D 프린터로 만들었을 때 기존의 부품에 못지않은 특성을 지닌 제품을 만드는 것입니다.   


 (3D 프린터에 사용되는 구리 파우더의 전자 현미경 사진.  This electron microscope image shows raw copper powder used to build the 3-D printed copper liner. Scientists at NASA’s Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, where the alloy was invented, characterized the samples to understand how powder quality and characteristics impacted build qualities. Credits: NASA/GRC/Laura Evans)


(3D 프린터 출력 샘플의 광학 현미경 사진. This optical microscope image of an etched copper sample helped scientists at NASA’s Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, as they characterized the quality of the copper for various build parameters for the copper liner. Credits: NASA/GRC/Ivan Locci)  

 이 프로젝트의 리더인 크리스 프로츠(Chris Protz, the Marshall propulsion engineer leading the project)는 3D 프린터가 로켓 엔진 제조 시간을 10배나 빠르게 만들고 비용 역시 50%나 줄이는 것을 목표로 개발 중이라고 언급했습니다. 확실히 대량 생산을 하는 게 아닌 로켓 부품은 3D프린터가 더 좋은 대안일 수 있겠다는 생각입니다.

 과연 로켓 제조 부분에서 3D 프린터가 혁신을 가져올 수 있을지 결과가 궁금합니다.


 참고         




  

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