석유·가스 산업에서는 설비의 신뢰성과 안정성이 무엇보다 중요합니다. 미국 루이지애나주에 위치한 ExxonMobil Baton Rouge 정유공장에서는 유체 오염으로부터 핵심 계측 시스템을 보호하는 것이 필수적인 과제였습니다.
이번 사례는 기존 절삭가공 방식에서 Meltio M600 기반의 Laser Metal Deposition(LMD) 기술로 제조 방식을 전환하여, 핵심 보호 장치를 개선한 프로젝트를 소개합니다.
특히 ExxonMobil은 이전까지 티타늄을 제조 소재로 고려한 적이 없었습니다. 높은 소재 비용 때문이었습니다.
그러나 Meltio 기술을 적용한 결과, 티타늄은 충분히 경제적이면서도 부품의 성능과 품질을 유지할 수 있는 현실적인 대안임을 확인했습니다.
최종적으로 보호 장치인 Anti-Wicking Device를 새롭게 설계하여 구조적 성능을 향상시키고 동시에 상당한 비용 절감 효과까지 달성했습니다.
“Wire-DED 기술을 적용하기 전에는 티타늄 부품을 사용하는 것은 너무 비싸다고 생각했습니다. 하지만 Meltio 기술을 도입한 이후에는 티타늄도 충분히 경제적인 소재라는 것을 알게 되었습니다.”
1. 기존 설계의 한계와 개선 과제
기존 Anti-Wicking Device는 열전대(Thermocouple) 배선을 따라 오일이 계측기 캐비닛 내부로 침투하는 것을 방지하기 위해 사용되는 장치입니다.
하지만 기존 설계에는 구조적·운용적 한계가 존재했습니다.
2. Titanium 64 적용: 소재와 공정의 새로운 가능성
가장 먼저 진행된 것은 기존 소재를 보다 효율적인 소재로 변경하는 작업이었습니다.
여러 후보 소재를 검토한 결과 Titanium 64(Ti-6Al-4V) 가 최종 선정되었습니다.
Titanium 64는
- 기존 소재보다 가볍고
- 제조 비용을 절감할 수 있으며
- Meltio에서 이미 검증 및 최적화된 공정 파라미터를 보유하고 있는 소재입니다.
하지만 티타늄을 적층제조에 적용하는 과정에서는 여러 기술적 과제를 해결해야 했습니다.
불활성 분위기 구축
– Titanium 64는 우수한 미세조직과 기계적 특성을 확보하기 위해 철저한 불활성 분위기(Inert Atmosphere)가 필요합니다.
이를 위해 적층 시작 전 약 1시간 30분 동안 산소를 제거하는 챔버 준비 과정이 필요했습니다.
열 관리
– 티타늄은 적층 중 과열을 방지하기 위해 레이어 간 최소 7분의 냉각 시간이 요구됩니다.
단일 부품만 생산할 경우 장비 대기 시간이 길어져 생산성이 크게 저하되는 문제가 발생했습니다.
적층 품질 문제
– 초기 출력에서는 다음과 같은 문제가 확인되었습니다.
- 국부적인 열 축적으로 인한 표면 산화
- 측면 클램프 부위의 과도한 적층
- 고속 이동 과정에서 부품이 흔들려 레이저 초점이 벗어나는 현상
이러한 문제들은 추가적인 공정 최적화가 필요한 요소였습니다.
“정유 설비는 극한의 환경과 지속적인 진동을 견뎌야 합니다. 부품을 새롭게 설계하고 출력 중 안정적으로 고정하는 방식을 적용함으로써, ExxonMobil이 요구하는 높은 신뢰성을 만족하는 견고하고 완전한 밀봉 성능의 티타늄 부품을 구현할 수 있었습니다.”
3. 전략적 적층제조: 전용 지그부터 공정 최적화까지
ExxonMobil 엔지니어링 팀은 Meltio M600을 활용하여 3축 적층에 최적화된 새로운 설계를 적용했습니다.
전용 지그(Custom Fixture) 설계
챔버 내부의 불활성 분위기를 최대한 효율적으로 활용하기 위해
SS304 베이스 플레이트 위에 SS-316LSi를 적층하여 전용 지그를 직접 제작했습니다.
이를 통해 한 번에 4개의 부품을 동시에 생산할 수 있었으며,
자연스럽게 레이어 간 냉각 시간이 확보되어 티타늄 표면 산화 문제도 해결할 수 있었습니다.
적층 전략 최적화
본체는 75° 오버행을 허용하는 구조로 재설계되었습니다.
복잡한 서포트 사용을 최소화하기 위해 비평면(Non-Planar) 적층 방식을 적용했습니다.
M600의 프로빙(Probing) 기능을 이용하여 기판의 최저점을 자동으로 측정한 후,
곡면 위에도 직접 적층을 수행할 수 있도록 공정을 구현했습니다.
또한 커버에는 실리콘 실란트를 삽입할 수 있는 중공(Hollow) 구조를 적용하여 밀봉 성능도 향상시켰습니다.
공정 파라미터 최적화
적층이 과도하게 이루어지는 영역에서는
- 레이저 출력
- 적층 속도
를 국부적으로 조정하여 형상 정밀도를 확보했습니다.
또한 이동 과정에서 부품이 흔들리는 문제를 해결하기 위해
전용 지그 양측에 강력한 기계식 클램프를 추가하여 출력 중 위치를 안정적으로 유지하도록 개선했습니다.
4. 정량적으로 입증된 성과
Meltio의 LMD 공정으로 전환한 결과, 생산성과 경제성 모두에서 의미 있는 개선 효과를 확인할 수 있었습니다.
5. 석유·가스 산업을 위한 차세대 제조 방식, LMD
Titanium 64 부품을 기존 CNC 절삭가공 대신 Laser Metal Deposition(LMD) 으로 제조함으로써,
설계 자유도를 높이고 경제성까지 확보할 수 있었습니다.
ExxonMobil Baton Rouge는 티타늄의 열 특성을 고려한 공정 최적화와 배치 생산(Batch Production), 전용 지그 설계를 통해 핵심 보호 장치를 성공적으로 현대화했습니다.
그 결과,
- 부품 단가 42% 절감
- 리드타임 90% 단축
이라는 성과를 달성하며, LMD 기술이 석유·가스 산업의 고신뢰성 부품 제조를 위한 경쟁력 있는 솔루션임을 입증했습니다.
“기존 절삭가공에서 벗어난 것이 생산 경제성을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 부품 단가는 42% 절감되었고, 리드타임은 최대 6주에서 60시간 이내로 단축되었습니다. 이는 적층제조가 석유·가스 산업에서도 실질적인 경제적 가치를 제공한다는 것을 보여줍니다.”
