3D 프린팅, 항공기 설계의 새로운 장을 열다

불과 10년 전만해도 금속 부품을 3D 프린팅 기술로 만든다는 생각은 과학 소설처럼 보였다. 그러나 이제는 현실이다. 적층제조 기술은 빠르게 성장하고 있다. GE항공은 신형 터보프롭 엔진인 GE Catalyst 엔진의 테스트를 지난 12월 시작했다. 이 엔진은 다양한 금속 재료로 부품의 1/3을 3D 프린팅 기술로 만들었다.

이 부품들은 주머니에 넣을 수 있는 작은 장식품 수준이 아니다. 부품의 무게는 몇 킬로그램씩이나 되고 기어 박스는 전등의 갓만큼 크다. 이 부품들은 신시내티에 위치한 GE항공 적층제조기술센터(ATC, Additive Technology Center)에서 인쇄되었다. ATC는 세계에서 가장 크고 가장 첨단의 적층제조 공장 중 하나다. 축구장 2개 크기의 이 시설에는 300명의 엔지니어, 설계 엔지니어, 기술자가 일하고 있으며 세계에서 가장 큰 3D 프린터 6대를 포함하여 75종 이상의 다양한 3D 프린터를 보유하고 있다. 마시모 지암브라(Massimo Giambra)는 “적층제조는 전혀 새로운 기술이었기 때문에 처음에는 다소 회의적이었습니다. 그러나 마침내 거기에 갔을 때, 나는 완전히 깜짝 놀랐습니다.”라고 그의 첫인상을 이야기한다.

지암브라는 2013년에 GE항공이 인수한 아비오 아에로(Avio Aero)의 엔지니어이다. 지암브라와 그의 동료 파브리지오 부시(Fabrizio Bussi)는 이탈리아 토리노 외곽에 있는 그의 사무실에서 GE Catalyst 엔진의 주요 부품인 가속기, 변속기, 공기와 연료를 혼합하는 연소기인 스월러 등을 설계하는 책임을 맡았다. 둘은 36세 동갑으로 적층제조를 연구하는 대부분의 엔지니어와 마찬가지로 대학에서 3D 프린팅을 배운적이 없다. “아무도 하지 않았습니다. 공대에서 공부할 때, 단 하나의 적층제조 과목도 없었습니다. 우리는 모두 현업에서 적층제조를 배우고있습니다.” 지암브라가 웃으며 이야기한다.

적층제조 기술은 여러 측면에서 도움이 될 수 있습니다. “과거의 방식처럼 시도와 검증을 반복하는 방식을 따를 필요가 없습니다. 적층제조 기술은 완전히 새롭고 혁신적입니다. 이 기술의 장점을 이해하면, 설계 엔지니어는 제약조건 없이 자유롭게 설계할 수 있고, 더 창의적이 될 수 있습니다. 매우 흥분되는 일이죠.” 부시의 설명이다.

두 엔지니어와 개발팀은 적층제조 기술로 실용적인 시제품을 인쇄하고, 테스트하고, 수정하는 과정을 반복하면서 개발 속도를 높일 수 있었다. 이들은 과거에는 너무 비싸거나 제조가 불가능한 설계를 제안할 수 있었다. 예를 들어, 과거에는 4개의 부품으로 만들던 스월러를 이제는 1개의 부품으로 인쇄한다.

“과거에는 설계 엔지니어는 설계한 제품을 공장에서 실제로 만들 수 있을지를 항상 스스로에게 물어봐야 했습니다. 하지만 이러한 제약은 사라졌고 과거라면 정말 엄청나 보이는 설계도 이제는 완벽하게 가능해졌습니다. 이제 우리의 숙제는 최적의 설계를 찾는 것입니다. ” 파브리지오 부시의 설명이다.

드릴링이나 기계가공 같은 전통적인 제조 기술은 재료를 깍아 내며 부품을 완성한다. 그래서 복잡한 형상의 내부 구조를 얻는 것은 어려울 수 있다. 그러나 금속용 3D 프린터는 속이 빈, 격자 모양이나 기타 복잡한 모양을 컴퓨터 파일에서 직접 레이어별로 인쇄 할 수 있다.

예를 들어 부시가 3D 프린터로 만든 기어박스용 커버는 표면에 작은 리브(Rib)와 돌출부가 있어 구조적 강성이 높고 동시에, 설계 엔지니어가 부품의 두께를 1mm만큼 더 얇게 만들 수 있다. 결과적으로 구성 부품의 무게는 기존 부품보다 15-20% 가량 가볍다. “단조나 주조 방식을 사용하면 불가능할 두께로 부품을 만들 수 있었습니다.”라고 부시는 말한다.

3D 프린팅 기술을 활용해 개발 기간을 단축하고 3주 만에 새로운 설계를 반복할 수 있었다.

“전통적인 단조나 기계가공과 전혀 비교할 수 없습니다. 이제는 모든 것을 하나의 기계로 만들기 때문에 더 이상 고가의 주조, 단조, 기계가공이 필요하지 않습니다.”라고 지암브라는 말한다.

지암브라와 부시는 아비오 아에로와 GE항공이 모두 적층제조 분야를 선도할 것이라고 말한다. 10년 전 아비오 아에오는 토리노 인근에 3D프린팅 기업 ProtoCast를 인수했고, 이탈리아의 바리(Bari)와 토리노(Turin)의 대학과 파트너쉽을 맺고 새로운 3D 프린팅 응용프로그램을 개발하고, 3D 프린팅에 사용되는 금속 분말을 사용하는 새로운 방법을 모색했다. 몇 년 후 폴리테크닉과 협력하여 두 개의 실험실을 만들었다. 하나는 바리 시(市)의 적층제조 수리 솔루션을 위한 것이고 다른 하나는 토리노에서 공정과 프린팅용 금속 분말을 연구하는 것이다. GE항공은 미국의 적층제조 선도 기업인 모리스 테크놀로지(Morris Technologies)를 인수했다.

토리노의 공장, 신시내티의 ATC, 폴란드 바르샤바의 엔지니어링 디자인 센터에서 이룩한 성과에도 불구하고 GE의 3D 프린팅 엔지니어들은 지금은 아직 시작 단계라고 말한다. “우리는 쉬운 여정이 아니라는 것을 잘 알고 있으며 아직 시작 단계에 있습니다. 그러나 우리는 유럽과 미국에서 함께 일하고 있으며 그 결과는 놀랍습니다.”라고 부시는 말한다.

실제로 아비오 아에로는 이탈리아 남부 아풀리아(Apulia) 브린디시(Brindisi) 공장에 새로운 적층제조 시설을 증설할 예정이다. GE가 인수한 3D 프린터 제조사 컨셉 레이저(Concept Laser)의 새로운 기계가 GE Catalyst 엔진 부품을 인쇄할 예정이다.

GE Catalyst 엔진은 3D 프린팅 기술로 855개의 개별 부품을 12개로 줄였다. 이 획기적인 기술과 디지털 제어기술 덕분에 항공사는 엔진의 연료 소비는 20% 줄었고, 동급 엔진에 비해 출력은 10%나 높아졌다. GE Catalyst 엔진은 이륙도 하기 전에 터보프롭 항공기 설계의 새로운 시대를 열었다.