현장 적층 제조기법

2021/01/28

적층 제조로 항공우주 산업 비용 절감

일반적으로 우주선을 제조하는 과정은 지구에서 우주선을 개발, 시험하고, 완전히 조립한 후 발사체가 이를 운반합니다. 각 구성요소는 시작 단계에서 높은 부하를 견디도록 설계됩니다. 우주선을 만들때 대부분의 경우 시험 절차가 매우 복잡하고, 로켓 발사에 많은 하중이 필요하기 때문에 대형우주선을 제작합니다. 발사체와 위성의 양 등 운송에 필요한 전체 질량이 높다면 그만큼 많은 비용이 듭니다. 또한 로켓 공간이 제한적이라 우주선 디자인에도 한계가 있습니다. 미래 우주 활동의 가능성을 확장하고, 자원을 절약하며 비용을 절감하기 위한 연구가 현재 이루어지고 있습니다.

한 가지 가능한 접근 방식은 자체생성제조 (generative manufacturing) 방식을 사용하여 궤도에서 직접 우주선 부품을 제조하는 것입니다. 생성 기술을 통해 현장에서 효율적이고 민첩하게 구성요소를 생산할 수 있습니다. Munich 대학의 응용과학 학부의 AIMIS-FYT팀은 무중력 상태에서의 적층 제조 공정을 개발, 연구하고 있습니다. 우주 여행에 필요한 요소는 미션 요구사항을 정확히 충족해야 합니다. IDS의 uEye CP 산업용 카메라 지원으로 무중력의 포물선 비행이 연구되고 있습니다.

"현장제조 in-situ manufacturing" (라틴어로 in situ 는 현장) 라고 하는 이 적층 제조 공정을 위해 팀은 액체 포토 폴리머가 분배되는 압출기를 장착한 3D프린터를 개발했습니다. “당사의 3D프린팅 프로세스는 UV 경화 접착제나 포팅 컴파운드를 사용하여 현장에서 3차원 구조를 직접 인쇄할 수 있습니다” AIMIS-FYT팀의 Torben Schaefer가 설명합니다. 구성요소를 레이어별로 생성하는 대신 기존 3D 프린팅의 경우처럼 프린트 헤드가 3차원으로 이동하여 직접 생성합니다.

무중력 상태에서 “대각선 막대”로 성공적인 3D 프린팅이 가능합니다 [이미지: AIMIS-FYT]

합성수지는 UV광선으로 무중력 상태에서 자유롭게 압출되고, 짦은 시간 안에 굳게 됩니다. 기존에 중력으로 인해 제작에 제한이 있었던 형태를 이제는 무중력 상태에서 아무 제한없이 제조할 수 있습니다. 중력상태에서는 긴 오버행이나 정교한 지지 구조를 제작하는 것이 매우 제한적입니다. 무중력 상태에서는 압력판 같이 고정된 앵커포인트 없이 구성요소를 만들수 있습니다.

이 생산 공정은 태양 전지판이나 안테나의 인쇄구조와 같은 다양한 디자인을 가능케 합니다. 그 예로 포물선 안테나용 거울이나 태양광 발전기 장착을 위한 트러스 구조물 제조가 가능합니다. 위성 관련 제조업체와 유통업체는 이 시스템을 궤도로 이동하는데 드는 단위 비용과 발사 비용을 줄일 수 있는 것에 주목하고 있습니다.

또한 우주선의 총 질량이 감소되어 자원을 더 절약할 수 있고, 그 질량만큼 더 많은 연료를 채워넣어 우주선 수명을 늘릴 수 있습니다. “위성은 연료가 매우 중요한 요소입니다. 현재로서는 약 15년 지속됩니다. “Torben Schaefer는 설명합니다.

어플리케이션

제조에서 가장 중요한 공정은 인쇄 공정입니다. 이는 기본적으로 3가지 주요 단계로 구성됩니다.

1 압출기로 합성수지 압출
2 무중력 상태에서 점성 상태로 노즐에서 나옴
3 UV LED 에 의해 수지 경화됨

직선 막대 인쇄, 막대 연결과 자유 형태 막대의 생성이 시험됩니다. 기존 인쇄판을 인쇄의 시작점으로 사용하거나, 자유롭게 떠다니는 막대의 인쇄 동작을 조사합니다.

인쇄공정의 주요 매개 변수는 수지의 압출 속도, UV 광도, UV 광시간과 궤적 등 프린트의 이동 경로입니다. “인쇄 과정은 정확해야하고, 안정된 압력과 지속적인 매체 전달이 필요합니다. 이와 동시에 전체 과정에서 이 매개변수는 일정하게 유지되어야 합니다.” Torben Schäfer 는 설명합니다.

무중력 상태에서 완성된 트러스 구조 - IDS 카메라로 촬영한 디테일한 이미지 [이미지- AIMIS-FYT]

IDS의 USB3 카메라는 이 프로세스를 면밀히 주시합니다. 프린터의 노즐을 클로즈업하여 관찰하고 상태에 맞게 이동합니다. 카메라가 노즐의 움직임을 따라가며 정확한 초점을 맞춥니다. 이미지는 노즐에서 약 4.5 센티미터아래 막대가 형성되는 곳에서 캡쳐됩니다. “IDS카메라는 수지 배출과 경화에 매우 중요한 역할을 합니다. 경화 작업에 필요한 UV LED로 조명 조건은 열악할 수 밖에 없습니다. 하지만 IDS의 U3-3260CP를 사용하면 문제 없습니다. 2.30 MPixel Sony 센서 IMX249 (1920 x 1200 px)를 통해 광 감도와 다이나믹 레인지 측면에서 높은 표준을 설정할 수 있습니다. 5.86 µm의 글로벌 셔터 CMOS 센서가 이런 어플리케이션에 적합합니다. 어려운 조명 조건에서도 (이 경우 과다 노출로 인한 강한 밝기 환경) 완벽한 결과를 제공합니다.

무중력 상태에서 노즐의 움직임을 분석할 수 있도록 해당 공정은 더 느린 속도로 수행됩니다. 로드의 윤곽을 정확하게 캡쳐해야 합니다. “이를 위해 카메라의 높은 프레임 속도와 해상도는 고품질 평가에 매우 중요합니다” AIMIS 팀의 Torben Schäfer는 설명합니다. 프레임 속도가 47.0fps인 IDS 카메라는 뛰어난 이미지 품질을 보장하고 노이즈가 낮아 우주에서 수행하는 이 작업에 적합합니다. 카메라의 이 단순한 통합이 연구진들을 설득할 수 있었습니다.

소프트웨어

IDS SDK를 사용하여 카메라를 C++기반 모니터링 시스템에 쉽게 통합할 수 있었습니다

— Torben Schäfer, AIMIS-FYT 팀의 언론 책임자 —

그에 따르면 프린터의 현재 상태와 개별 인쇄 매개 변수에 대한 포괄적 개요를 센서의 모든 데이터를 통해 제공합니다. “ 한 번의 클릭으로 IDS 카메라 및 기타 측정 기록을 자유자재로 시작하고 중지할 수 있습니다. 포물선 비행에는 20초의 무중력 시간과 1분 30초의 휴식시간이 있어 목표한 부분만 측정하고 기록하여 가장 중요한 정보만 저장합니다. 또한 IDS 소프트웨어를 사용하여 인쇄 프로세스의 라이브 이미지가 모니터에 표시됩니다. “이 라이브 피드를 사용하면 프린트 헤드를 쉽게 설정하고 신속하게 분석할 수 있습니다”

esa 프로그램 FYT의 포물선 비행 중 무중력이 20초간 지속됩니다. [사진제공 AIMIS-FYT]

전망

실험 결과는 네 가지 기본 3D 프린팅 작업 (직선 막대, 시작/ 중지가 있는 직선 막대, 자유 형태의 막대, 막대 간 연결이 되는 막대 등)을 최적화하고, 무중력에서의 적층 제조 기능을 입증하는데 사용됩니다. 목표는 우주 기술의 부품 비용을 대폭 절감하고, 우주에서 기술을 직접 시험하는 것입니다. AIMIS-FYT 팀의 프로젝트 관리자 Michael Kringer는 “ 이 프로젝트로 우리는 우주 여행의 미래를 구체화하는데 한 걸음 나아가게 되었습니다. “ 라고 설명합니다.

강력한 소형 IDS 카메라는 이 우주산업에서 성공적으로 스스로를 입증합니다.

USB3 uEye+ CP -작고 강한 제품

인터페이스: USB 3
모델: UI-3260CP-M-GL
센서 타입: CMOS
제조사: Sony
프레임 속도: 47.0 fps
해상도: 1920 x 1200 / 2.30 MPixel
셔터: 글로벌 셔터
센서 포맷: 11.251 mm x 7.032 mm
치수: 29.0 mm x 29.0 mm x 29.0 mm
무게: 50 g
커넥터: USB 3.0 micro-B, 나사식
어플리케이션: 산업용 BV, 품질 보증, 검사, 의료 기술 ( 및 실험실 자동화), 교통 및 운송 (ITS), 시각화

고객사 / 대학교

AIMIS-FYT: AIMIS는 Additive Manufacturing In Space의 약자이며 뮌헨 응용 과학 대학의 항공 우주 공학과 학생 4명으로 구성된 팀입니다. AIMIS-FYT (Additive Manufacturing in Space - Fly your Thesis)팀은 ESA (European Space Agency) 캠페인의 Fly Your Thesis 2020! 일환으로 무중력 실험에 참여하고 있습니다. IDS는 이 대학 후원 프로그램을 통해 이 프로젝트를 참여하게 되었습니다.
https://aimis-fyt.eu/

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