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[케이스 스터디] 우주 항공, 방위 및 보안 기술 그룹 RUAG
2018-06-01 1,721 22

적층제조한 인공위성 부품이 우주공간 사용 인증을 받다



201806_case_ruag01.jpg

▲ EOS의 알루미늄(AlSi10Mg) 소재로 적층제조된 위상최적화 디자인의 
매우 가볍고 견고한 Sentinel 인공위성 안테나 브라켓


RUAG은 우주 항공, 방위 및 보안 분야에서 활약하는 글로벌 운영체제를 갖춘 스위스 기술 그룹이다. RUAG의 주요 고객은 민간 기업 및 정부 기관이다. 제조 서비스 제공업체인 citim GmbH는 전체 생산을 체인을 지원하여 초기 시공부터 부품 마감까지 신속한 시제품 제작, 적층제조, 소규모 양산 서비스를 제공한다.

■ 자료 제공 : EOS, www.eos.info


■ 과제 : 매우 경량화되고 견고한 Sentinel 인공위성 안테나 브라켓 개발
■ 솔루션 : 매우 복잡하면서 위상최적화된 구조로 적층제조되었으며, 무게와 안정성 요구사항을 충족시키는 부품의 생산
■ 결과
인텔리전트 : 균일한 하중 분산 실현을 위한 자유로운 디자인
강도 : 최소 강성 요구사항 30% 초과 달성
경량 : 새로운 디자인으로 파트 무게 40% 감소
승인 : 항공 우주 분야의 포괄적 테스트 검증


RUAG의 Sentinel 인공위성용 안테나 브라켓 : 우주에서의 사용 인증


우주의 무한한 광대함에 대해서 이야기할 때, 많은 사람들은 보통 헐리우드 영화 스튜디오에서 들려주는 공상과학 소설 이야기를 떠올린다. 그러나 실제로 다른 어떤 분야보다 우주탐사 분야에서 강력하고 명확한 비전이 우주 배치를 위한 기술과 준비에 필수적이다. 이는 높은 곳에서 행성들을 관찰하기 위한 Sentinel 인공위성의 건설에서 스위스 기술 그룹 RUAG이 직면한 도전이었다. 여기에서도, 지구의 대기권 밖에서도 적층제조는 매우 중요한 역할을 한다.


경량화되고 견고한 Sentinel 인공위성 안테나 브라켓 개발


2016년 독일우주항공센터(DLR) 보고서에 따르면, 우주선 수송 비용은 수송화물 1kg당 20만유로 이상이다. 또한 우주선이 줄어들 때마다 발사비용이 줄어드는데, 이는 필요한 연료량이 상응하여 감소하기 때문이다. 부품의 무게가 초과하여 축적되게 되면, 우주항공 분야의 엔지니어들은 모든 부품들을 가능한 만큼 면도하듯이 깎아내야 한다. 이를 위하여 RUAG 그룹은 최적화된 디자인으로 설계된 안테나 브라켓이 필요하였다.

그러나 무게 최적화만으로는 충분하지 않다. 로켓 발사 중, 탑재화물도 온전해야 하며 진동수준 역시 상당하다. 또한 높은 관성력(G-force)는 말할 것도 없고 시간당 수천 킬로미터의 엄청난 스피드에서의 비행은 여객기에서 기대되는 만큼 원활하지 않다. 안정성과 강성은 요구사항에서 두 번째로 필수적인 요소이다. 그러나 안타깝게도, 이는 경량화 설계와 정반대되는 개념이다.

엔지니어들은 복잡한 구조를 통해 형태와 무게 사이에서 실행 가능한 수준의 타협을 정의하기 위한 연구를 진행하였다. 구조 변경이 어려웠던 전통적 제조 방법과는 달리, 구조 변경이 가능한 적층제조를 통해 RUAG 팀은 안테나 브라켓의 구조를 위한 강도와 무게의 최적화된 조합을 찾아냈다. 적층제조는 필요한 디자인 자유도를 충족시켰으며, 완벽한 대체 가능성을 제공하였다. 부품 테스트는 앞서 언급한 진동 때문에 매우 어려운 문제이다. 일반적으로 우주공간에서는 수리가 불가능하기에 안정성이 매우 중요하다. 그렇기에 이러한 부품의 인증은 매우 오랜 시간이 소요되며 프로세스도 매우 복잡하다. 그렇기에 우주항공분야의 모든 인증은 엔지니어에게 ‘포상’을 뜻하기도 한다.


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적층제조를 통해 무게와 안정성의 요구사항 충족


우주항공분야에서 전체 생산 체인은 매우 중요한 역할을 한다. RUAG의 구조 총책임자인 Frank Mouriaux는 “우리는 적층제조를 통하여 부품을 생산해 내는 큰 장점에 큰 관심을 가지고 있었다. 예를 들어 적층제조를 통해 디자인의 자유와 복잡한 구조를 통해 부품의 무게를 줄일 수 있으며, 기능 통합 역시 가능하다. 그러나 결국은 이점에 대한 잠재가능성 확인, 이상적인 방법으로 실현, 필요 승인을 얻는 과정이 필요하다. 이 과정을 충족시키지 못한다면, 부품은 사용될 수 없다”고 말했다.

기본 적합성 및 강성 테스트는 안테나 브라켓 디자인에서 시작되었다. 다음단계는 재료의 선택, 공정의 정의, 재료특성에 대한 초기 기본 테스트로 구성된다. 그 후 파트의 위상최적화를 위한 스타트 포인트로서 초기 테스트가 실행된다. RUAG은 궁극적으로 알테어(Altair)의 CAD와 FED 시스템을 통한 집중적 협업과, EOS의 적층제조를 이용한 설계 및 제조에 대한 지침을 결합하여 이론적으로 완벽한 안테나 브라켓 형태를 구현했다.

약 40cm 길이의 안테나 브라켓은 EOS M400 시스템을 사용하여 독일 Barleben 지역의 citim GmbH에서 생산되었다. EOS M400의 400×400×400mm의 제작 공간에서 2개의 안테나, 30개의 인장바를 한번에 생산해냈다. 빌딩 시간은 약 80시간 소요되었으며, 표면 품질과 생산성에 최적화된 Layer thickness 60μm 파라미터가 사용되었다.

부품을 제작하는데 사용된 EOS의 Aluminium AlSi10Mg 소재는 고강도, 강한 동적 응력의 특성을 가지고 있어, 강한 응력을 버텨야 하는 안테나 브라켓에 매우 적합한 소재이다. 또한 전체 프로젝트의 80%를 차지하는 우주항공 분야에서 요구되는 포괄적 테스트를 시행하였다. 이는 특별 제작된 테스트 구조였다. 무엇보다 엔지니어들은 CT(기계단층촬영)뿐 아니라 여러 기계 및 물리적 테스트를 통해 브라켓을 시험했다. 때로는 파트를 파괴하기 위해 의도적으로 부하 한계를 초과하는 스트레스를 가하기도 했다.


항공 우주 분야의 포괄적 테스트 검증


이러한 모든 노력의 결과로, Sentinel 위성을 위한 안테나 브라켓은 모든 요구사항을 초과 달성하였다. 이 부품은 인증과 우주공간에서의 사용 승인을 받았다. 우주항공 산업을 위해 적층제조의 도입이 아직 초기 단계인 것을 고려할 때, 이 성과는 매우 주목할 만하다.

예를 들어 부품의 최소 강성 요구사항을 30% 이상 초과 달성했다. 초과 달성 강성 덕분에 난류 비행 후 이상적 안테나 위치를 확보하고, 지구와의 무선 통신 보장이 가능해졌다. 또한 부분적으로 매우 균일한 응력 분포로 요구 안정성 수준을 달성하였다. 적층제조를 통해 최종 구성 요소의 무게를 1.6kg에서 940g으로 대폭 약 40% 감소시켰다. 이 혁신적 기술의 도입으로 부품의 특징은 개선되고 비용은 절감되는 예상 밖의 조합을 성공시켰다.

Aerospace Engineer Mouriaux는 “우리는 이 프로젝트 결과에 매우 만족한다. 우리는 미지의 영역에 들어와 안정적이고 경량화된 부품으로 보상을 받았다. 적층제조는 우주산업 분야의 기본적 절차상의 요구사항을 충족시켰다. 여러 디자인적 이점과 구성요소 자체의 특성 그 자체가 이를 증명한다. 앞으로 이 기술에 대한 커다란 잠재력을 기대한다”고 밝혔다. 할리우드 영화는 단지 흥미진진한 이야기일 뿐이지만, 혁신적인 기술은 일상에 함께하며 디자인과 생산의 영역을 넓혀준다.


기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.

이예지 yjlee@cadgraphics.co.kr


출처 : CAD&Graphics 2018년 6월호

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