우주 극한 환경을 견디다: 3D프린팅 기술이 만들어낸 차세대 발사체 부품
최근 한국의 항공우주 산업에 있어 또 하나의 기술적 진보가 보고되었습니다. 한국생산기술연구원(생기원)은 한국항공우주연구원(항우연)을 비롯한 기업 및 학계와 협력하여, 3D프린팅 기술을 활용한 대형 금속 압력용기를 개발하고, 해당 부품이 극저온과 고압이라는 극한 환경을 견디는 데 성공했다고 밝혔습니다. 이와 같은 성과는 국내 3D프린팅 기술이 실제 우주발사체에 활용될 수 있을 만큼 신뢰성과 기술 수준을 확보했음을 의미합니다.
극저온·고압 조건을 견디는 3D프린팅 부품의 탄생
우주환경은 인간이 상상할 수 있는 가장 가혹한 조건 중 하나입니다. 그중에서도 극저온과 극고압 상태는 기술적 장벽으로 작용해왔습니다. 위성과 발사체에 사용되는 고압용기는 연료 저장과 가스 압력 유지에 필수적인 구성 요소로, 특히 액체질소 주입 시 영하 196℃에서도 기계적 안정성을 유지해야 하며, 동시에 300bar를 넘는 압력에도 변형 없이 견딜 수 있어야 합니다.
이번에 개발된 고압용기는 티타늄 합금을 소재로 하여 기존의 주조·단조 기술로는 제작이 어려운 형상과 크기를 구현했으며, 무엇보다 적층제조 방식으로 제작되어 기술적 제약을 최소화했습니다.
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지향성 에너지 증착(DED) 방식의 역할
연구팀은 금속 3D프린팅 중에서도 고온의 에너지원과 금속 와이어를 활용하는 ‘지향성 에너지 증착(DED, Directed Energy Deposition)’ 공정을 선택했습니다. DED 방식은 금속 재료를 에너지빔으로 녹이고, 동시에 대상 표면에 적층함으로써 높은 기계적 강도와 재료 밀도를 확보할 수 있는 기술입니다. 이 기술은 특히 대형 부품 제작에 유리하여, 기존 제조 방식의 한계를 넘어서는 데 핵심 역할을 하였습니다.
직경 640mm, 용량 130리터인 대형 고압용기를 제작하는 데 적용된 해당 공정은 설계 단계에서부터 열변형과 응력 분포를 예측하고, 이에 맞는 적층 경로를 최적화한 것이 주요 강점입니다. 또한 실시간 센서 모니터링과 컴퓨터 수치 해석을 기반으로 적층 품질을 정밀하게 제어함으로써, 우주 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 내구성과 품질을 확보하였습니다.
시험을 통해 입증된 신뢰성
이번 기술 실증은 단순한 제작 성공을 넘어, 극한 환경에서의 실제 작동 조건을 모사한 시험에서도 뛰어난 성능을 보였다는 점에서 의미가 큽니다. 항우연 주관으로 수행된 내압 시험은 고압용기 내부에 액체질소를 주입한 후, 단계적으로 330bar까지 압력을 높이며 수행되었으며, 이는 실제 운용 환경에서의 내구 성능을 객관적으로 검증하는 과정입니다.
시험 결과, 용기 외벽에 부착된 변형률 및 온도 센서의 데이터를 통해, 사전에 예측된 구조 해석 수치와 실제 측정값이 거의 일치함이 확인되었습니다. 이는 3D프린팅 공정 제어와 설계 최적화의 정확도를 보여주는 증거로, 추후 국제 규격의 우주 부품 인증에도 긍정적인 기반을 마련한 셈입니다.
항공우주 산업에 미치는 기대효과
이번 성과는 단순한 기술적 확장을 넘어, 국내 제조업 및 항공우주 산업 생태계에 새로운 전환점을 제시합니다. 먼저, 맞춤형 설계를 바탕으로 한 고효율 제조공정을 통해 비용과 납기 단축을 동시에 실현할 수 있게 되었고, 대형 복합 구조 부품의 국산화 가능성을 입증함으로써 향후 수입 의존도를 줄이는 데 크게 기여할 수 있습니다.
또한, 극한 조건에서의 구조물 신뢰성 확보는 향후 달 탐사, 심우주 탐사 등에서 요구되는 고난도 임무 수행에도 대응할 수 있는 중요한 기술 기반이 됩니다. 항우연은 향후 운용 조건에 맞춘 반복 가압 시험 및 수명 성능 검증을 통해, 해당 기술의 실용화를 위한 후속 인증 절차에 착수할 계획이라고 밝혔습니다.
마무리하며
이번 연구 결과는 3D프린팅 기술이 단지 시제품 제작에 머무는 단계를 넘어, 실전 운영이 가능한 전략적 제조 기술로 자리잡고 있음을 보여줍니다. 이는 정부 연구기관, 학계, 민간 기업 간의 긴밀한 협력을 통해 한국이 미래 우주시대에 대응할 기술력을 점차 확보해가고 있음을 나타내는 사례입니다.
앞으로도 3D프린팅 기술은 항공우주를 비롯해 다양한 산업 분야에서 설계 유연성, 제조 효율, 품질 신뢰성을 모두 갖춘 핵심적 제조 방식으로 자리매김할 것으로 기대됩니다. 극한의 조건에도 끄떡없는 기술, 이제 그 중심에는 3D프린팅이 있습니다.
한국생산기술연구원의 연구 결과는 3D프린팅 기술이 우주 환경에서도 활용 가능하다는 점을 입증했습니다. 이는 우주발사체 부품 제작의 혁신으로, 항공우주 산업의 미래를 밝히는 중요한 발걸음이 될 것입니다. 한편, 한양3D팩토리 또한 이러한 3D프린팅 기술 발전에 기여하며 다양한 산업 분야에서 협력을 이어가고 있습니다.
