국내 산학연 연구진이 개발한 우주 발사체용 3D 티타늄 부품이 세계 최초로 영하 196도의 극저온 내압 시험을 통과했다.
한국생산기술연구원은 12일 한국항공우주연구원·케이피항공산업·에이엠솔루션즈·한양대와 공동 개발한 대형 티타늄 합금(Ti64) 용기가 영하 196도의 액체질소로 냉각한 극저온 조건에서 330bar의 고압을 견디는 데 성공했다고 밝혔다.
고압 용기는 우주 발사체 및 위성에 탑재되는 부품으로 액체연료·추진제의 저장·공급, 자세제어용 가스의 고압 상태를 유지하는 데 이용된다. 고압 상태를 버티기 위해 강도가 높아야 하고, 무게가 가벼워야 할 뿐 아니라, 추진제 탱크의 극저온 환경에서도 안정적 성능을 유지할 수 있어야 한다. 이런 이유로 티타늄 합금이 주요 소재로 활용된다. 다만 티타늄 합금 용기를 기존 주조·단조 방식으로 제작할 경우 대형으로 제작 시 소재 수급이 어렵고, 설계상 제약 때문에 비용·납기가 늘어나는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 3D 프린팅 기술로 형상과 크기에 제약 없는 맞춤형 생산체계를 구현했다. 또 후처리 공정과 제작비용을 줄이고자 적층제조 공정을 도입했다. 먼저 이협 생기원 3D프린팅제조혁신센터 수석연구원 연구팀은 레이저 및 금속 와이어를 사용하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식의 적층제조 공정으로 직경 640㎜, 크기 130L급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다. DED는 금속 기판 위에 고출력 레이저 빔을 집속해 형성된 용융 영역에 금속분말을 공급·적층하는 기술이다. 금속 성형에 이용되는 3D 프린팅 기술인 셈이다. 또한 연구팀은 공정 중 실시간 모니터링을 통해 적층 품질을 정밀하게 제어할 수 있었다. 아울러 구조 특성과 열변형을 반영한 적층 경로 최적화 기법으로 대형 용기의 형상 정밀도와 기계적 물성을 동시에 확보했다. 이어 두 개의 반구형 티타늄 부품을 각각 적층 제조한 뒤 열처리·정밀 가공·용접 공정을 순차 적용, 우주 환경에서 요구되는 품질을 만족하는 일체형 고압용기를 완성했다.
항우연은 극저온 시험을 주관했다. 이를 위해 용기 내부를 영하 196도의 액체질소로 냉각한 뒤 330bar의 입증 압력까지 단계적으로 가압하는 방식으로 내압 성능을 평가했다. 용기 표면에 부착된 센서와 영상 시스템을 활용해 정밀 계측한 결과 구조 해석 수치와 일치하는 용기 성능을 기록한 것으로 나타났다.
이협 생기원 수석연구원은 "실제 운용 조건을 모사한 극저온 및 고압 조건에서도 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보할 수 있음을 실증했다"며 "다양한 우주항공 응용 분야에 적층제조 기술을 적극 활용할 수 있는 기반을 구축했다는 데 의미가 있다"고 말했다. 김현준 항우연 책임연구원은 "반복 가압 시험을 진행해 우주부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획"이라고 덧붙였다.
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