[쿠키과학] 우주발사체 고압용기 '티타늄합금 3D프린팅', 세계 최초 '극저온 내압시험' 성공

생기원-항우연, -196℃ 극저온 환경 330bar 입증압 시험 통과
우주항공 핵심 부품 3D프린팅 기술 활용 기대

3D프린팅으로 제작 중인 티타늄 고압용기. 한국생산기술연구원

한국생산기술연구원(이하 생기원)과 한국항공우주연구원(이하 항우연)이 세계 최초로 우주발사체용 3D프린팅 부품의 극저온 내압 시험에 성공했다.

우주발사체 및 위성에 탑재되는 고압용기는 액체연료와 추진제의 저장·공급, 자세제어용 가스의 고압상태를 유지하기 위한 핵심 부품으로, 고강도이면서 가볍고 추진제탱크의 극저온 환경에서 안정적 성능을 유지할 수 있어야 하기 때문에 티타늄합금이 주요 소재로 사용된다.

그러나 주조나 단조로 티타늄합금 용기를 대형화 하려면 소재 수급이 어렵고 설계상 제약이 따른다.

이에 생기원과 항우연은 케이피항공산업㈜, ㈜에이엠솔루션즈, 한양대와 3D프린팅 기술로 대형 티타늄합금(Ti64) 용기를 제작, 영하 196℃ 액체질소로 냉각한 극저온 조건에서 330㍴ 고압을 견디는 시험에 성공했다. 

공동연구팀은 형상과 크기에 제약 없는 맞춤형 생산체계를 구현해 소재 효율성을 높이고, 후처리 공정과 제작비용을 줄이기 위해 적층 제조공정을 도입했다.  

생기원 3D프린팅제조혁신센터 이협 수석연구원팀은 레이저 및 금속와이어를 사용하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식 적층제조 공정으로 직경 640㎜, 크기 130L급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다. 

특히 공정 중 실시간 모니터링으로 적층 품질을 정밀하게 제어하고, 구조 특성과 열변형을 반영한 적층 경로 최적화 기법으로 대형 용기의 형상 정밀도와 기계적 물성을 동시에 확보했다.

이어 두 개의 반구형 티타늄 부품을 각각 적층 제조한 후 열처리, 정밀가공, 용접공정을 순차 적용해 우주환경에서의 부품 요구품질을 만족하는 일체형 고압용기를 완성했다.

3D프린팅 완료 직후 티타늄 고압용기 반구. 한국생산기술연구원

극저온 시험을 주관한 항우연은 용기 내부를 영하 196℃의 액체질소로 냉각한 뒤 330㍴의 입증 압력까지 단계적으로 가압하는 방식으로 내압 성능을 평가했다.

이 때 용기표면에 부착된 변형률 센서와 온도센서, 영상시스템을 활용해  정밀 계측한 결과 구조해석 수치와 일치하는 용기 성능을 기록했다.

극저온 시험 중인 고압용기. 한국생산기술연구원

이 수석연구원은 “실증을 통해 실제 운용조건을 모사한 극저온 및 고압 조건에서 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보했다”며 “이 기술은 다양한 우주항공 응용 분야에 적층제조 기술을 활용할 수 있는 기반을 구축해 큰 의미를 갖는다”고 말했다.

김현준 항우연 책임연구원은 “운용압에서 반복 가압시험을 진행해 우주부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획”이라고 밝혔다.
이재형 기자 jh@kukinews.com