[FDM]항공우주 분야의 제조 툴링 재정의

노스롭 그루먼이 로켓 모터 개발 시간을 단축하기 위해 툴링 패러다임을 바꾼 방법



로켓 모터 개발을 가속화하기 위해 툴링 프로세스를 혁신합니다.



지금까지 설계된 가장 유명한 로켓 모터 중 하나는 거의 이륙하지 못했습니다. Apollo Saturn V의 F-1 로켓 엔진을 개발하던 엔지니어들은 테스트 스탠드에서 엔진이 폭발하는 문제로 인해 당황했습니다. 팀이 연료 분사 시스템의 표준 설계에 새로운 접근 방식, 즉 새로운 사고 방식을 고안했을 때야 연소 안정성과 성공을 달성했고, 궁극적으로 인류가 달에 도달할 수 있었습니다.

60년이 빠르게 흘러 또 다른 로켓 모터 개발사인 노스럽 그러먼(Northrop Grumman)은 까다로운 생산 장애물을 극복하기 위해 비슷한 신선한 접근 방식 사고방식을 취하고 있습니다. 이번에는 툴링 공급망 내의 과도한 리드타임이 문제가 되어 새로운 로켓 모터 개발에 과도한 지연을 초래합니다. 노스럽 그러먼의 팀은 현상 유지를 받아들이지 않고 새로운 길을 개척하고 적층 제조(AM)를 사용하여 새로운 개발이 지연되는 금속 툴링을 대체했습니다. 그 결과 툴링 생산 시간이 극적으로 단축되었고 1년도 채 안 되어 새로운 로켓 모터가 탄생했습니다.






공급망 중단으로 지연 발생



Northrop Grumman Propulsion Systems는 60년 이상 방위, 민간 및 상업용 로켓 애플리케이션에 대한 리프트 기능을 제공하면서 고체 로켓 모터 개발에 대한 풍부한 역사를 가지고 있습니다. Northrop Grumman 팀은 Apollo 달 탐사를 위한 로켓 모터를 제공하기도 했습니다. 이 수준에서 성공하려면 혁신과 건강한 공급망이 있어야 하며, 모든 제품 개발 프로그램에서 직면하는 기술, 비용 및 일정 문제를 해결해야 합니다. 그러나 공급망은 취약하며 이는 COVID 팬데믹으로 인해 더욱 분명해졌지만, 이것이 유일한 원인은 아닙니다. 정치적 긴장, 무역 전쟁 및 이와 유사한 지정학적 문제는 안정적인 공급망에 대한 끊임없는 위협이며, 온쇼어링 또는 니어쇼어링 전략의 가치를 강조합니다. 로켓 모터 개발과 관련하여 약점 중 하나는 임무 목표를 충족하기 위해 모터 케이스 내부에 고체 로켓 추진제를 성형하는 데 사용되는 새로운 툴링을 조달하는 것입니다. Northrop Grumman의 경우 앞서 언급한 공급망 현실로 인해 일부 프로젝트의 툴링 리드 타임이 1년 이상 지연될 수 있습니다.

Northrop Grumman 툴링 엔지니어인 Chase Smaellie는 프로젝트 계획에 영향을 미치는 조달 지연에 대해 너무나 잘 알고 있습니다. "COVID 동안 많은 다른 공급업체가 문을 닫았고, 우리는 정말 어려움을 겪었고, 여전히 대형 단조품, 주조품 및 용접물을 가져오는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 대형 툴 중 일부를 회사에 가져오는 데 예상보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다."

공급망 중단의 여파는 시간 관련 지연을 넘어섭니다. 모든 제조업체가 알다시피, 생산 중단은 제품이 일찍 출시되는 것이 아니라 늦게 출시된다는 것을 의미합니다. 경쟁이 치열한 산업에서 이는 궁극적으로 사업 기회를 놓치는 결과를 초래할 수 있습니다. 프로세스 지연은 변화하는 시장 상황, 새로운 고객 요구 사항 또는 새로운 트렌드에 신속하게 대응하는 능력을 방해합니다. 또한 납품 일정에 부정적인 영향을 미쳐 고객 기대에 부응하지 못하고 회사의 신뢰성이 떨어지며 매출이 손실됩니다.






새로운 솔루션에 대한 SMART 접근 방식



이러한 어려움을 상쇄하기 위해 Northrop Grumman은 혁신적인접근 방식을 취했습니다. 이 회사는 Solid Motor Annual Rocket Technology Demonstrator, 줄여서 SMART Demo를 개발했습니다. 이는 특정 산업 및 고객 요구 사항을 충족하고 프로세스 과제를 해결하기 위해 도구, 재료 및 설계에서 로켓 모터 개발을 발전시키는 연례 프로그램입니다. 2023 SMART Demo의 한 측면은 장기 리드타임 툴링 문제의 핵심을 찔렀습니다. 로켓 모터 추진제를 주조하기 위해 기존 금속 툴에 의존하는 대신, Northrop Grumman은 자체 Stratasys FDM® AM 기술을 사용하여 프로세스 를 가속화하고 복잡한 모양의 툴링을 3D로 인쇄했습니다. 

 그 결과 금속 툴링을 조달하는 데 걸리는 시간의 일부만으로 완성된 몰드 툴이 탄생했습니다. Smaellie는 기존 공급 소재에 비해 적층 제조의 가치를 강조하며 "필요합니다. 자체 대규모 제작이 유리합니다. 1년의 제작 시간을 6주로 단축하고 있습니다."라고 말했습니다.

그러나 공급망 중단에 대한 솔루션으로서 AM을 검증하는 것 외에도 2023 SMART Demo는 금속을 대체하는 폴리머 기술의 중요성을 강조했습니다. 로켓 모터 추진제는 고온에서 주조되므로 추진제를 성형하는 데 사용되는 모든 첨가제 폴리머 재료는 이러한 조건을 견뎌야 합니다. 성공적인 결과, 특히 툴링 사이클 시간 단축을 바탕으로 2023 SMART Demo는 폴리머 대 금속 접근 방식의 가치를 확인했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 첨가제 기술이 리드 타임을 줄이고 새로운 고체 로켓 모터를 더 빠르게 제작하는 데 기여할 것으로 기대합니다.






폴리머 AM 툴링에 대한 새로운 사고방식

 


수십 년 동안 AM 채택자들은 이 기술을 일반적으로 금속으로 만든 지그, 고정 장치 및 기타 일반적인 제조 도구를 만드는 더 빠르고 저렴한 방법으로 사용해 왔습니다. 그러나 일부 제조업체의 경우, 특히 더 높은 요구 사항의 도구 응용 분야에서 금속 대신 폴리머를 사용하는 것은 고려 대상이 되지 않습니다. 이는 일반적으로 폴리머 AM의 기능을 인식하지 못하는 데서 비롯됩니다. 그러나 Northrop Grumman은 다른 방향을 선택하여 폴리머 첨가 기술이 특히 신속한 개발 노력에 있어 금속에 대한 효과적인 대안이 될 수 있다는 확신을 보였습니다.

회사의 2023 SMART Demo에서 첨가제를 사용하는 데 필수적인 요건은 적합한 적용 특성을 가진 재료를 찾는 것이었습니다. 로켓 모터 몰드 툴링은 추진제 및 세척 용매와 호환되어야 했습니다. 또한 추진제를 치명적으로 점화할 수 있는 정전 축적 및 우발적 방전을 방지하기 위해 전기적으로 접지되어야 합니다.

이러한 요구 사항을 충족하는 AM 소재 선택은 정전 방전 안전 ABS 플라스틱인 ABS-ESD7™과 뛰어난 내화학성 및 ESD 특성을 가진 고강도 PEKK 기반 폴리머인 Antero ® 840CN03으로 귀결되었습니다. "우리는 Antero로 다운셀렉션했습니다. 기계적 특성과 용매에 대한 저항성 때문에 Antero를 선택했습니다. 우리는 용매로 코어와 툴링을 세척합니다. (Antero)는 그것에 저항했습니다." Smaellie가 설명합니다.

Antero의 ESD 특성은 또 다른 상당한 이점을 제공했습니다. "저희 공정의 대부분은 금속 대 금속 접촉이나 절연체의 전도 문제를 통해 스파크를 방지하는 데 중점을 두고 있습니다."라고 Smaellie는 말합니다. "저희의 내부 안전 문서는 스파크가 발생하지 않는 전도 재료를 찾도록 이끌고 있으며, Antero는 그 요건을 충족합니다. 재료 특성은 안전 목적으로 매력적이었습니다."라고 Smaellie는 덧붙입니다.

툴링 크기는 Northrop Grumman 엔지니어가 처리해야 할 또 다른 문제였습니다. 로켓 모터의 코어 설계는 길이가 약 10피트였습니다. 코어의 몰드 툴을 만들려면 여러 개의 큰 조각으로 인쇄해야 했습니다. 여기에는 각 큰 섹션을 빌드하기에 충분한 볼륨을 가진 3D 프린터가 필요했습니다. 궁극적으로 Northrop Grumman은 회사의 Stratasys F900 프린터에서 코어를 네 조각으로 인쇄했습니다. Smaellie에 따르면 F900의 장점은 "큰 빌드 볼륨과 정확성"이었습니다. 각 섹션의 빌드 시간이 길었기 때문에 인쇄 안정성도 고려 사항이었습니다.

무게 감소는 기존 금속 툴링을 사용하는 대신 툴을 인쇄하는 또 다른 이점이었습니다. 사용자 정의 충전재(비고체, 벌집과 같은 내부 구조)로 인쇄하면 무게를 최소화하는 동시에 필요한 구조적 무결성을 제공했습니다. 3D 인쇄의 설계 자유도는 코어 섹션의 결합 표면에 필요한 인쇄 후 가공을 돕기 위해 내장된 작업 고정 고정 장치도 가능하게 했습니다.








폴리머 AM 툴링은 새로운 기회를 열어줍니다



Northrop Grumman의 2023 SMART Demo 경험에서 다른 AM 사용자를 위한 교훈이 있다면, 폴리머 AM 툴링에 대한 더 넓은 지평과 그에 따른 유리한 적용에 대한 보상이 있다는 것입니다. ESD가 가능한 Antero 소재는 원래 우주선 부품을 위해 개발되었지만, Chase Smaellie와 Northrop Grumman 팀은 툴링 적용에 대한 잠재력을 인식했습니다. 그 결과 리드 타임이 극적으로 단축되어 훨씬 더 짧은 기간 내에 새로운 로켓 모터를 생산하는 데 도움이 되었습니다. 그리고 그 '상자 밖에서 생각하는' 접근 방식은 계속해서 이익을 내고 있으며, 팀은 후속 연례 SMART Demonstrators에서 더 많은 성과를 달성할 수 있는 지식을 얻었습니다.



 


폴리머 대 금속 거래는 분명히 부품의 구조적 요구 사항에 달려 있습니다. 그러나 고성능 폴리머 소재의 가용성은 새로운 기회를 열어 다축 금속 가공의 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 프로세스를 피할 수 있는 기회를 제공합니다. Smaellie는 "3D 프린팅이 진정으로 진가를 발휘하는 곳은 대형 단조품과 복잡한 5축 기계 부품을 Antero로 대체할 수 있을 때입니다."라고 말합니다. "우리는 현재 Antero로 제작하는 다른 구성 요소와 미래의 코어에서 이를 보고 있습니다. 그리고 이것이 속도와 장기적 가치 외에도 이러한 부품에서 초기 달러와 센트 절감을 보는 곳입니다."라고 그는 덧붙입니다.

복잡한 공급망에서 발생할 수 있는 모든 문제를 해결할 수 있는 마법의 총알은 없습니다. 해결책은 원인 자체만큼 다양할 수 있습니다. 그러나 적층 제조는 특히 툴링의 리드 타임 지연을 상당히 줄일 수 있다는 것이 입증되었습니다. 그리고 Antero와 같은 고성능 및 특수 폴리머의 가용성은 고유한 툴링 응용 프로그램을 가능하게 합니다.


하지만 결국 가장 중요한 것은 적층 기술이 열어주는 사업 기회입니다. 체이스 스멜리는 AM이 제공하는 더 짧은 개발 주기 이점을 강조합니다. "고객으로부터의 납품 및 지불, 마감일과 의무 준수, 그리고 그것이 우리 사업에 미치는 영향을 볼 때, 그것은 엄청납니다." 그는 계속해서 "마감일을 맞추고 새로운 프로세스를 사용하여 더 빨리 진행함으로써 되찾은 달러가 있습니다. SMART Demo 프로젝트를 위해 모터를 주조하고 1년 만에 발사한 것만으로도 우리 회사에 기회가 열렸습니다."라고 말합니다.


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[출처] https://www.stratasys.co.kr/resources/case-studies/northrop-grumman-cut-rocket-motor-costs/

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