3D PRINTER로 제작한 복합소재 로켓노즐 Material(사진. 인스텍)

국내 금속 3D 프린터 전문기업인 인스텍이 다중소재를 활용한 FGM 로켓 노즐 제작에 성공했다. 극악한 환경에서 사용되는 항공우주 부품에 부위별로 최적의 특성을 가진 소재를 사용할 수 있어 성장하는 우주산업 시장에 핵심 기술이 될 전망이다.

대부분의 항공 우주 산업 부품들은 극한의 환경에서 사용된다. 특히 로켓 노즐은 상부와 하부에 대한 고온의 발열 및 열 유량 등 요구사항이 달라 부위별로 선호되는 소재의 종류가 다르다. 이에 서로 다른 소재를 부위별로 적용하고자 하는 수요가 늘어나고 있다. 하지만 서로 다른 두 소재를 붙인다는 것은 쉽지 않은 일이다. 그래서 최근 각광받고 있는 복합 소재 활용 방식이 FGM(Functionally Graded Material)이다. 

인스텍이 개발한 금속분말 공급장치 PCM-Multi(사진. 인스텍)

FGM(Functionally Graded Material)은 새로운 복합 소재의 일종으로, 서로 다른 두 소재를 붙이는데 있어 점진적으로 조성을 바꾸는 방식으로 제작한다. 다른 특성을 가지는 두 소재를 바로 붙이게 되면 소재의 특성차 때문에 접착면이 취약해질 가능성이 있지만 조성을 서서히 바꾸게 되면 훨씬 안정적으로 붙일 수 있다. 

주조, 단조, 절삭 등 일반적인 금속 제작 공정 뿐만 아니라 대다수의 금속 3D 프린팅 기술에서는 단일 소재로 부품을 제작하게 된다. 하지만 인스텍이 금속 3D 프린팅을 진행하는 DED(Direct Energy Deposition) 방식의 경우 다중 소재 활용이 가능하다는 매우 큰 장점을 가진다. DED 방식은 레이저로 모재를 녹이고 생성되는 용융풀에 금속 분말을 공급하여 합금화 하는 금속 3D 프린팅 방식이다. 이때 공급하는 금속 분말을 여러 종류의 분말을 혼합하여 공급을 하게 될 경우 새로운 조성의 합금 결과물을 3D 프린팅 할 수 있다. 

이러한 다중 소재 3D 프린팅을 진행할 때 가장 중요한 기술이 ‘분말 공급 제어’ 기술이다. 장시간 동안 정량을 공급할 수 있어야 하며 동시에 여러 소재의 분말을 공급할 수 있어야 한다. 금속 합금은 미세한 성분차로 그 특성이 바뀌기 때문에 섬세한 ‘분말 공급 제어’ 기술이 필수요소다. 

FGM 로켓노즐의 레이어별 조성변화(사진. 인스텍)

인스텍의 CVM Powder Feeding System은 금속 3D 프린팅 공정에서 안정적인 분말 공급을 위해 제작된 기술로 분말 공급량을 실시간으로 모니터링하여 타겟 분말량의 ±5% 범위 내에서 제어가 가능하다. 또한 최대 6개의 분말을 독립적으로 제어할 수 있어, 새로운 조성을 가지는 다중소재 부품 제작에 최적화된 기술이다.

인스텍은 다중 소재 부품 제작에 필요한 HW, SW, 공정 기술을 자체 제작 및 보유하고 있으며 이를 바탕으로 실제 로켓 노즐을 FGM으로 제작하는데 성공했다. 뿐만 아니라 이들은 향후 항공우주, 선박, 의료 등 다양한 분야에 다중 소재 부품을 적용하기 위해 다양한 연구를 진행 중이다.

한편 인스텍은 오는 9월 미국 시카고에서 개최되는 IMTS와, 11월 독일 프랑크푸르트에서 개최되는 FormNext에 참여해 Metal Porous Coating 기술을 포함한 다양한 금속 3D 프린팅 기술을 선보일 예정이다.