기존의 우주 발사체 공급망이 구축되어 있지 않은 국가에서 로켓을 개발한다는 것은 단순히 부품을 만드는 것이 아니라, 부품을 어떻게 제작할 것인지에 대한 제조 전략까지 직접 구축해야 한다는 의미입니다. 남아프리카공화국 KwaZulu-Natal 대학교 항공우주시스템연구소(ASRI) 는 자체 우주 발사체 기술 확보를 목표로, 독자적인 우주 발사 시스템을 개발하고 있습니다.
현재 개발 중인 STEVE 사운딩 로켓의 핵심 부품 중 하나가 바로 Radax Joint입니다.
Radax Joint는 두 개의 로켓 구조체를 연결하면서 하중을 안정적으로 전달하는 방사·축 방향(Radial-Axial) 결합부로, 직경 500mm의 수·암(Male/Female) 티타늄 링 두 개가 맞물려 하나의 조인트를 구성합니다.
기존 방식에서는 이러한 링을 제작하기 위해 직경 500mm 이상의 대형 티타늄 판재를 확보한 후 대부분의 소재를 절삭해야 했습니다. ASRI는 이러한 방식이 경제적이지 않다고 판단했습니다.
Buy-to-Fly Ratio(구매 소재 대비 실제 부품 중량 비율) 를 줄이고 제조 비용을 절감하기 위해, Petrawell과 AMT3D는 Meltio와 협력하여 적층제조 기반의 새로운 생산 방식을 연구했습니다.
이 프로젝트는 남아프리카공화국 과학기술혁신부(DSTI)가 지원하는 CPAM SMME Support Programme의 지원을 받아 수행되었습니다.
1. 지나치게 큰 판재가 필요했던 기존 제조 방식
직경 500mm의 티타늄 링을 절삭가공으로 제작하려면, 먼저 링 전체를 포함할 수 있는 대형 티타늄 판재를 준비해야 합니다.
하지만 최종적으로는 대부분의 소재가 절삭 칩으로 제거됩니다. 즉, 고가의 티타늄 소재 대부분을 구매한 뒤 다시 폐기하는 구조였습니다.
또한 대형 티타늄 판재는
- 가격이 매우 높고
- 조달 기간도 길기 때문에
반복 생산 체계를 구축하기에는 적합하지 않았습니다.
ASRI는 기존처럼 하나의 판재에서 하나의 부품을 만드는 방식 대신, 부품을 여러 개의 세그먼트(Segment)로 나누어 적층제조하는 새로운 접근 방식을 선택했습니다.
2. 대형 티타늄 링을 위한 하이브리드 제조 전략
AMT3D와 Meltio는 두 개의 장비와 세 단계의 공정을 결합한 새로운 제조 방식을 개발했습니다.
1단계 : Meltio M600에서 세그먼트 제작
티타늄은 동일한 티타늄 소재 위에서 가장 안정적으로 적층됩니다. 하지만 대형 티타늄 기판을 제작하는 비용 역시 거의 완제품 제작 비용과 비슷했습니다.
이를 해결하기 위해 직경 500mm 링을 4개의 세그먼트로 분할하여 제작했습니다.
각 세그먼트는 표준 크기의 Meltio M600 또는 Meltio Robot Cell 빌드 플레이트에서 출력이 가능하도록 설계되었습니다.
첫 번째 출력은 약 10시간이 소요되었습니다.
2단계 : 강재 베이스 플레이트 조립
출력된 네 개의 티타늄 세그먼트를 제거한 후, 직경 600mm 강재 플레이트 위에 볼트 체결하여 조립했습니다.
이후 평면 가공을 수행하여 네 개의 개별 세그먼트를 하나의 연속된 링으로 만들었습니다.
이 공정을 통해 추가 적층을 위한 안정적인 기초 구조가 완성되었습니다.
3단계 : Meltio Robot Cell에서 최종 적층
조립된 강재 플레이트는 불활성 분위기(Inert Bubble) 가 적용된 Meltio Robot Cell로 이동했습니다.
Robot Cell은
- 넓은 작업 영역
- 로봇 암의 긴 작업 반경
- 완전한 불활성 환경
을 활용하여
직경 500mm 티타늄 링의 나머지 부분을 안정적으로 적층했습니다. 이는 일반적인 독립형 시스템이나 개방형 적층 환경에서는 구현하기 어려운 공정입니다.
제작 과정
프로젝트는 다음과 같은 순서로 진행되었습니다.
- 강재 베이스 플레이트 가공
- Ti64 세그먼트 출력
- 세그먼트 가공
- 조립
- 두 번째 세그먼트 제작
- Robot Cell 설치
- 최종 적층
두 개의 티타늄 링 제작에 소요된 총 적층 시간은 78시간이었습니다.
3. 대형 티타늄 판재 없이 완성한 500mm 링
이번 프로젝트는 아직 최종 비용 분석이 완료되기 전이지만, 제조 전략 자체만으로도 충분한 성과를 입증했습니다.
4. Wire-Laser Metal Deposition이 적합한 이유
이번 프로젝트에서는 세 가지 특징이 특히 중요한 역할을 했습니다.
금속 분말이 아닌 와이어 사용
ASRI는 Wire Feedstock의 장점을 다음과 같이 설명합니다.
“와이어는 시중에서 쉽게 공급받을 수 있으며, 반응성이 높은 티타늄 분말보다 취급과 보관이 훨씬 용이하고 산업 현장에 적합합니다.”
티타늄 용접 와이어는 일반 용접 재료처럼 쉽게 구매하고 보관할 수 있습니다.
하이브리드 제조 프로세스
최종 부품은 적층만으로 완성되지 않습니다.
공정은 처음부터 적층 → 열처리 → 스캐닝 → 가공 → 와이어컷 → 검사 순으로 설계되었습니다.
즉, Near-Net Shape 형태까지만 적층하면 최종 정밀도는 기존 기계가공으로 확보할 수 있습니다.
이러한 하이브리드 방식은 생산성과 품질을 동시에 만족시키는 제조 전략입니다.
동일한 공정을 두 개의 플랫폼에서 활용
이번 프로젝트는 Meltio M600과 Meltio Robot Cell 두 시스템에서 동일한 적층 공정을 적용했습니다.
M600은 정밀한 독립형 적층 장비이며, Robot Cell은 더 큰 구조물 제작을 위한 확장 플랫폼입니다.
500mm 링에서 검증한 제조 방법은 향후 더 큰 궤도 발사체(CL V) 구조물에도 그대로 적용할 수 있습니다.
5. 이번 프로젝트의 핵심은 ‘부품’이 아니라 ‘제조 전략’
대부분의 금속 적층제조 사례는 완성된 부품 자체에 초점을 맞춥니다.
하지만 이번 프로젝트에서 가장 중요한 성과는 기존 방식에서 반드시 필요했던 대형 티타늄 판재를 완전히 없앤 새로운 제조 전략을 개발했다는 점입니다.
직경 500mm 링을 4개의 세그먼트로 분할하여 출력하고, 강재 플레이트에 조립한 뒤, 불활성 분위기의 Robot Cell에서 최종 적층하는 방식은 단순한 우회 방법이 아닙니다.
이는 앞으로 더 큰 티타늄 구조물에도 적용 가능한 새로운 하이브리드 제조 공정입니다.
ASRI, Petrawell, AMT3D는 이번 프로젝트를 통해 남아프리카 차세대 발사체 개발을 위한 대형 티타늄 구조물 제조 기술의 기반을 성공적으로 확보했습니다.
