VOCUS, 첨단 리버스 엔지니어링 및 3D 프린팅을 통해 인증된 항공기 배기 부품 공급

항공우주 제조 분야에서 핵심 부품의 예측 불가능한 가용성과 품질 불일치는 작전 준비 태세와 안전성을 모두 위협할 수 있습니다. 역설계 및 적층 제조(AM)를 전문으로 하는 혁신적인 항공우주 공급업체인 아우크스부르크 소재 VOCUS GmbH는 항공기 배기 시스템용 슬라이딩 부품의 재설계 및 인증이라는 고위험 프로젝트를 맡게 되었습니다.

완전히 인증 가능하고 반복 가능한 적층 제조 워크플로우를 구현하기 위해 VOCUS는 Materialise와 긴밀히 협력했습니다. 양사는 설계 데이터 준비 및 빌드 전략 수립부터 생산 추적성 확보에 이르기까지 원활한 디지털 프로세스 체인을 구축하여 항공우주 분야 승인을 위한 핵심 기반을 마련했습니다. 금속 생산은 산업용 EOS 금속 시스템에서 수행되어 반복 가능한 항공우주 제작에 필요한 공정 안정성을 제공했습니다.

기존 부품은 항공기용 강철로 전통적인 용접 방식으로 제작되었으나 치수 변동성, 용접으로 인한 응력 영역, 수동 용접으로 인한 작업 비효율성 및 제한된 수명 등의 문제가 있었습니다. 목표는 명확했습니다: 예측 가능하고 디지털 제어되며 인증 가능한 제조 공정을 개발하여 성능을 향상시키면서 EASA의 엄격한 보완형식인증서(STC) 요건을 충족시키는 것이었습니다.

솔루션

VOCUS는 CT 기반 역설계, 디지털 최적화, 적층 제조 공정, 엄격한 테스트 및 완전한 항공우주 인증을 결합한 다단계 접근 방식을 채택했습니다.

이 접근법을 구현하는 과정에서 Materialise는 항공우주 분야에서 검증된 소프트웨어 환경으로 VOCUS를 지원했습니다. 이 협력을 통해 인증 요건을 충족하는 데 핵심적인 요소인 신뢰할 수 있는 빌드 준비, 표준화된 데이터 처리 및 종단 간 문서화가 보장되었습니다.

1. CT 스캐닝을 통한 리버스 엔지니어링: 고해상도 산업용 컴퓨터 단층촬영을 통해 내부 및 외부 형상을 고정밀도로 포착하여 재설계에 필요한 정확한 디지털 기반을 확보했습니다.
   
   
2. CAD 재구성 및 최적화: CT 데이터를 기반으로 엔지니어들은 CATIA에서 형상을 재구성하고 적층 제조(AM)를 통해서만 가능한 개선 사항을 구현했습니다. 예를 들어:
   - 응력 집중부 감소 및 용접으로 인한 과도 영역 제거
   - 하중 반경 최적화
   - 고응력 영역 보강
   - 비중요 영역의 표적화된 중량 경감
   - 주기적 열적 및 기계적 하중을 견딜 수 있는 균일한 용접 없는 구조
   
   
3. 폴리머 프로토타입 검증: 금속 제작에 착수하기 전에 CAD 설계의 정확성을 보장하기 위해 치수 정확도와 적합성을 검증하기 위해 폴리머 프로토타입을 3D 프린팅했습니다.
   
   
4. EOS NickelAlloy 및 PBF/LB-M을 이용한 금속 생산: 최종 모델은 Materialise Magics를 활용한 제작 준비 및 EOS Build 통한 시스템 통합을 거쳐 EOS 금속 시스템에서 제작되었습니다. EOS 플랫폼의 안정성과 재현성은 일관된 용융 풀 거동과 신뢰할 수 있는 제작 결과를 달성하는 데 핵심이었습니다. 지속적인 검증을 위한 재료 시험용 시편과 함께 한 번의 제작으로 6개의 슬라이딩 부품이 생산되었습니다.
   
   
5. 후처리 및 품질 관리: 후처리 작업 흐름에는 응력 제거 열처리, 지지대 제거, 정밀 가공 및 세라믹 비드 블라스팅이 포함되었습니다. 또한 VOCUS는 부품 수명 주기 전반에 걸친 완전한 추적성을 확보하기 위해 고유 부품 식별자(배치 + 일련 번호)를 도입했습니다. Materialise와 협력하여 VOCUS는 Streamics 기반의 효율적인 디지털 추적성 시스템을 구축했습니다. 이 중앙 데이터 백본은 기계 파라미터, 재료 정보, 후처리 기록 및 검사 결과를 연결하여 항공우주 인증에 대비한 통합 문서 구조를 생성합니다.
   
   
6. 지상 및 비행 시험: EASA가 지정한 10시간의 지상 시험을 VOCUS가 Binder Motorenbau와 SOLO Aero Engines에서 총 20시간 수행했습니다. 부하 사이클은 다음과 같습니다: 냉간 시동, 엔진 시동, 5분간 최대 부하, 3분간 공회전 및 냉각, 반복. 비행 시험은 DreamWings의 Arcus 항공기로 수행되었으며, 35시간 동안 사고 없이 완료되었습니다. 현재 AM 슬라이딩 부품은 독일, 스위스, 호주에서 운영 중입니다.
   
   
7. 인증 및 연속 생산 승인: 역설계, 적층제조(AM), 후처리 및 품질 보증(QA)을 포함한 전체 생산 및 문서화 체인이 유럽항공안전청(EASA) 보완형식인증서(STC)의 일부로 승인되었습니다. 현재까지 알려진 바에 따르면, VOCUS는 인코넬(Inconel) 소재 적층제조 금속 부품에 대한 EASA STC를 보유한 소수의 기업 중 하나이며, 운용 중인 항공기용으로 해당 부품을 제조 및 공급할 수 있는 권한을 부여받았습니다. 

결과

이 프로젝트를 통해 VOCUS는 EASA STC(특별형식인증) 하에 승인된 EN 9100/ISO 9001 인증 생산 공정을 달성했습니다. 주요 성과는 다음과 같습니다:

• 치수 정확도와 재현성이 크게 향상되었습니다.
• 동질적이고 용접이 없는 구조로, 반복 하중 하에서 우수한 거동을 나타냄
• 예측 가능하고 디지털로 제어되는 제조 공정
• 수동 용접 공정 및 특수 고정 장치에 대한 의존도 감소
• 연장된 서비스 수명 - 용접 버전보다 약 10배 더 길 것으로 추정됨
• 전체 수명 주기 추적 가능성 및 무단 부품 또는 위조 부품에 대한 보호

AM(적층 제조)과 디지털 워크플로우의 결합을 통해 VOCUS는 기존 제조 방식 대비 더 안전하고 내구성이 뛰어나며 인증이 용이한 부품을 공급할 수 있었습니다. EOS 플랫폼의 견고성은 높은 공정 반복성을 보장했으며, 안정적이고 예측 가능한 빌드 환경을 통해 인증 작업을 지원했습니다.

"중소기업도 첨단 제조 기술인 적층 제조를 도입할 수 있습니다. 직접 투자하거나 적합한 파트너와 협력하는 방식으로 가능하며, 특히 확장 가능한 디지털 인프라를 제공하는 경험 많은 기술 파트너의 지원을 받을 때 더욱 효과적입니다."

스테판 고르케난트, 프로젝트 매니저, VOCUS GmbH

더 넓은 영향력

이 프로젝트의 성공은 항공우주 제조업 내 광범위한 변화를 부각시킵니다: 적층 제조는 더 이상 막대한 연구개발 예산을 가진 대형 OEM의 전유물이 아닙니다. VOCUS와 같은 기업들은 적절한 엔지니어링 전문성, 디지털 워크플로우 통합, 그리고 체계적인 품질 관리의 조합을 통해 중소기업도 항공우주 등급의 결과를 달성할 수 있음을 보여주고 있습니다.
Materialise와의 협업과 산업용 EOS 시스템의 활용을 통해 VOCUS는 디지털로 지원되는 공정 체인이 이러한 전환을 가속화하고 중소기업이 인증 준비가 된 적층 제조를 이용할 수 있게 하는 방법을 입증했습니다.

접근 가능한 적층 제조 기술과 업계 표준 인증 절차를 활용함으로써, VOCUS는 핵심 배기 부품을 공급했을 뿐만 아니라 소규모 기업이 최고 수준의 제조 정밀도 경쟁에 참여할 수 있는 선례를 마련했습니다. 이러한 접근 방식은 지역 공급업체들이 기존 부품을 현대화하고 항공기 운용 수명을 연장하며 공급망 회복탄력성을 강화할 수 있도록 지원합니다. 동시에 비용 효율성과 설계 유연성을 유지하는 것이 가능합니다.

궁극적으로, 슬라이딩 부품 프로젝트는 첨단 엔지니어링 도구와 적층 제조 기술에 대한 접근성이 민주화됨으로써 항공우주 산업 전반에 걸쳐 혁신의 새로운 가능성을 열어갈 수 있음을 보여주는 사례 연구 역할을 합니다. 이는 항공 제조 분야의 탁월함이 기업 규모가 아닌 비전, 정밀성, 그리고 지속적인 개선에 대한 헌신에 의해 정의됨을 입증합니다.

VOCUS가 비행 인증을 획득한 양산 단계에 진입한 것은 체계적인 디지털 워크플로우의 강력한 효과를 입증합니다. 엔지니어링 전문성과 소프트웨어 기반 품질 보증이 함께할 때 인증 획득이 가능하다는 점을 우리는 함께 증명했습니다.

팀 도마갈라, 연구개발 엔지니어, 머티리얼라이즈

회사 소개

VOCUS GmbH