생기원 등, 3D 프린팅 공정 개발…"우주부품 인증 추진"

우주발사체용 티타늄 고압 용기

[한국생산기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

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(천안=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국생산기술연구원은 3D 프린팅으로 제작한 대형 티타늄 합금 용기가 극저온 조건에서 고압을 견디는 시험에 성공했다고 12일 밝혔다.

생기원이 한국항공우주연구원, 케이피항공산업, 에이엠솔루션즈, 한양대와 공동으로 개발한 이 용기는 영하 196도의 극저온 조건에서 330바(bar)의 고압을 견디는 내압 시험을 처음으로 통과했다.

우주발사체에 탑재되는 고압용기는 액체연료와 추진제의 저장과 공급, 자세 제어용 가스의 고압 상태를 유지하기 위한 핵심 부품으로, 높은 강도를 내면서 무게도 적게 나가는 티타늄 합금이 용기 소재로 주목받고 있다.

다만 티타늄 합금 용기를 기존 주조 방식으로 제작할 경우 대형 제품으로 제작 시 소재 수급이 어렵고, 설계상 제약으로 인해 비용과 납기가 늘어나는 문제가 있었다.

생기원 이협 수석연구원 연구팀은 형상과 크기에 제약이 없고, 후처리 공정과 제작 비용을 줄일 수 있는 적층제조(3D 프린팅) 공정을 도입했다.

레이저와 금속 와이어를 사용해 130ℓ급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다.

공정 중 실시간 모니터링을 통해 적층 품질을 정밀하게 제어하고, 열변형을 반영해 경로를 최적화하는 방법으로 정밀도와 기계적 물성을 확보했다.

두 개의 반구형 티타늄 부품을 각각 제작한 뒤 정밀 가공과 용접을 통해 우주 환경에서의 부품 요구 품질을 만족하는 일체형 고압 용기를 완성했다.

티타늄 고압용기 반구

[한국생산기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

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극저온 시험을 주관한 항우연은 용기 내부를 196도의 액체질소로 냉각한 상태에서 330바까지 압력을 단계적으로 높이는 방식으로 내압 성능을 평가했으며, 정밀 계측 결과 구조 해석 수치와 일치하는 용기 성능을 기록했다.

이협 수석연구원은 "실제 운용 조건을 모사한 극저온·고압 조건에서도 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보할 수 있음을 입증했다"고 말했다.

김현준 항우연 책임연구원은 "운용압에서 반복 가압 시험을 진행해 우주 부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획"이라고 밝혔다.

jyoung@yna.co.kr