항공 분야 적층 제조! APA와 함께라면 가능해집니다!

데이터포인트 랩(Datapoint Labs)과의 협업으로,
적층 제조와 토폴로지 최적화를 이용해 벨 크랭크 무게 45% 절감 달성

  최근 적층 제조와 3D 프린팅에 관한 다양한 광고들이 나오고 있습니다. 더 나은 제품 제작을 위해 혹시 지금 이러한 프로그램을 찾고 계시진 않으신가요? 항공우주산업에서는 실제로 이러한 광고들이 점점 늘어나고 있다고 합니다. 광고가 되는 애플리케이션은 비-구조 파트, 오래된 시스템을 위한 대체 파트, 제트 엔진 부품, 위성 구조 등 다양합니다. 문제는 이러한 적층 제조 기법으로 만든 부품을 신뢰할 수 있느냐는 것입니다. 이는 설계, 제조 공정, 프로토콜 검사 등의 검증이 필요합니다. 사실 적층 제조된 부품의 검증 과정은 크게 다르지는 않지만, 제조 프로세스가 크게 다르며, 특히 이러한 설계를 전통적인 응력 해석 방법을 사용하여 해석하기에는 용이하지 않습니다. 항공기 부품을 설계하고 검증하기 위해 알테어는, 파트너인 데이터포인트 랩(Datapoint Labs)과 함께 연구를 시작하게 되었습니다. 그리고 적층 제조와 토폴로지 최적화를 이용해, 구성 요소의 성능 요구 사항을 충족하면서도 무려 45% 더 가벼운 벨 크랭크를 얻을 수 있었습니다.

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첫 번째! 검증 단계

  연구진은 코넬 자전거 크랭크를 이를 검증하기로 하였습니다. 작업 흐름은 그림 1에서 확인하실 수 있습니다. EOS의 알루미늄 AlSi10Mg 가스 원자화 파우더와, 파트와 샘플 제조에 사용되는 EOS 280 Selective Laser Melting (SLM)를 이용하여 실험에 들어갔습니다. 자전거 크랭크의 샘플은 총 세 가지로 제작되었는데, 각각의 실험 표본은 재료 특성 곡선 생성을 위해 테스트 되었습니다. 실험 중 탄성과 함께 파괴 변위도 발생했습니다. 이런식으로 얻어진 물성 데이터는 망가진 자전거 크랭크의 시뮬레이션을 위해 사용되었습니다. 자전거 크랭크 테스트 기간 동안 부품에 변형을 더 잘 확인하기 위해 디지털 이미지 상관 관계(DIC) 방법을 사용했습니다. 시뮬레이션 결과와 실제 파단 위치 및 하중에 대해 비교했습니다.

APA1▲ 그림 1. 자전거 크랭크 확인: 적층 제조 인쇄 레이아웃 -> 실험에서의 소재 특성 그래프
-> 실제 실험을 위한 자전거 크랭크 셋업 -> 변형에 대한 실제 실험(위)과 시뮬레이션(아래)의 비교
-> 파단에 대한 실제 실험(위)과 시뮬레이션(아래)의 비교


두 번째! 항공우주 분야에 적용

  이번에는 동일한 방법을 172 세스나 후방 엘리베이터 벨 크랭크(172 Cessna rear elevator bellcrank)에도 적용해보기로 했습니다. 프로젝트의 목표는, 부품의 안전계수 2와 최대 편차가 3.8mm이 되도록 유지하면서, 최대 허용 하중을 고려하여 중량을 최적화하는 것이었습니다. 그림 2에서 확인하실 수 있습니다. 기존의 벨 크랭크에서 고체 판이 보입니다. 재료 특성과 크랭크를 설정 및 검증하고, 설계는 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking Inspire)를 이용해, 공학적인 측면과 성능적인 측면을 모두 충족하면서 보다 가볍게 최적화가 되었습니다. 이 설계는 EOS AlSi10Mg와 같은 물성으로, 그리고 자전거 크랭크 샘플과 같은 프로세스로 하여 제작되었습니다. 적층 제조된 벨 크랭크를 DIC 실험용으로 설정한 후, 실제 실험의 변형 결과와 시뮬레이션 결과로 얻은 변형 결과를 비교하며 실제 실험과 시뮬레이션의 상관관계를 알아보았습니다.

APA2▲ 그림 2. 벨 크랭크의 설계 최적화, 인쇄, 및 실제 테스트: 기존의 벨 크랭크 설계
-> 최적화된 벨 크랭크 설계 -> 실험을 위한 셋업
-> 변형에 대한 시뮬레이션(왼쪽)과 실제 실험(오른쪽)의 비교


  이렇게 하여 얻은 최적화된 벨 크랭크는, 구성 요소의 성능 요구 사항을 충족하면서도 무려 45% 더 가벼워질 수 있었습니다. 토폴로지 최적화와 적층 제조 기법이 만나, 비용을 증가시키지 않으면서 항공기 부품의 중량을 크게 감소시켜 준 것입니다. 제품의 소량 생산 측면에 있어서도, 형상을 최적화하여 중량을 절감하는 것은 매력적인 성공 사례가 될 수 있으며, 경량화로 인해 실제 비용을 크게 절감하게 되었습니다. 이번 사례를 통해 적층 제조 기법과 최적화된 항공 부품에 대해 다시 한 번 확인하고 검증할 수 있었습니다.

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