석유·가스 산업에서는 설비의 높은 신뢰성과 안정적인 운영이 필수적입니다. 미국 루이지애나주에 위치한 ExxonMobil 배턴루지(Baton Rouge) 정유공장 역시 주요 설비의 계측 시스템을 유체 오염으로부터 보호하는 것이 중요한 과제였습니다.
ExxonMobil은 기존 절삭가공 방식에서 벗어나 Meltio M600의 레이저 금속 증착(LMD, Laser Metal Deposition) 기술을 도입해 핵심 보호 부품의 제조 방식을 전환했습니다.
특히 ExxonMobil은 그동안 높은 소재 비용으로 인해 티타늄을 제조용 소재로 고려하지 않았습니다. 그러나 Meltio 기술을 적용하면서 티타늄이 단순히 제조 가능한 소재를 넘어, 부품의 품질과 성능을 유지하면서도 경제적으로 활용할 수 있는 소재임을 확인했습니다.
이번 프로젝트에서는 오일의 침투를 방지하는 **Anti-wicking Device(오일 침투 방지 장치)**를 재설계하여 구조적 안정성을 개선하고 제조 비용을 크게 절감했습니다.
“와이어 DED 기술을 도입하기 전에는 티타늄 부품의 높은 비용 때문에 사용을 고려하지 않았습니다. 하지만 Meltio 기술로 전환한 후, 티타늄 부품도 충분히 경제적으로 제조할 수 있다는 사실을 확인했습니다.”
1. 기존 제조 방식의 한계
기존 Anti-wicking Device는 오일이 열전대(Thermocouple) 와이어를 따라 계측 캐비닛 내부로 침투하는 것을 방지하기 위한 장치입니다.
그러나 기존 설계에는 구조적·운영상의 한계가 있었습니다.
2. Titanium 64 적용: 금속학적·열적 제약 극복
ExxonMobil은 기존 소재를 대체할 수 있는 효율적인 소재를 검토했습니다. 여러 소재를 비교하고 시험한 결과, 기존 소재보다 가볍고 비용 측면에서도 유리한 **Titanium 64(Ti-6Al-4V)**를 최종 선정했습니다.
Titanium 64는 이미 Meltio 기술을 통해 공정 파라미터가 확보된 소재였습니다.
다만 해당 소재를 LMD 공정에 적용하기 위해서는 몇 가지 기술적 과제를 해결해야 했습니다.
① 불활성 분위기 확보
Titanium 64는 최적의 미세조직 특성을 확보하기 위해 엄격하게 관리된 불활성 분위기가 필요합니다.
이에 따라 출력 전 챔버 내부의 산소를 제거하고 적절한 분위기를 조성하는 데 약 1시간 30분이 소요되었습니다.
② 열 축적 관리
티타늄은 출력 중 과열을 방지하기 위해 각 레이어당 최소 7분의 시간이 필요했습니다.
따라서 단일 부품만 출력할 경우 대기 시간이 길어져 생산 효율이 저하되는 문제가 있었습니다.
③ 초기 출력 과정의 결함
본체의 초기 출력 시험에서는 다음과 같은 문제가 확인되었습니다.
- 국부적인 열 축적으로 인한 표면 산화
- 측면 고정 날개 부위의 과도한 재료 증착
- 빠른 비출력 이동 중 고정되지 않은 본체의 위치 이동
- 본체 위치 이동에 따른 레이저 초점 이탈
이러한 문제를 해결하기 위해 출력 방식과 부품 고정 구조를 개선했습니다.
” 정유공장 설비는 극한의 환경과 지속적인 진동을 견뎌야 합니다. 부품을 재설계하고 출력 과정에서 견고하게 고정함으로써 ExxonMobil의 엄격한 신뢰성 기준을 충족하는
견고하고 누설 방지 성능을 갖춘 티타늄 보호 장치를 구현했습니다.“
3. Meltio M600을 활용한 설계 및 출력 공정 최적화
엔지니어링팀은 Meltio M600을 활용해 3축 출력에 적합하도록 부품을 전면 재설계했습니다.
맞춤형 지그 설계 및 다중 부품 생산
챔버 내 불활성 분위기 조성의 효율을 높이기 위해 맞춤형 고정 지그(Fixture)를 제작했습니다.
이 지그는 SS304 베이스 플레이트 위에 SS316LSi 소재를 증착하는 방식으로 제작되었습니다.
이를 통해 한 번에 4개의 부품을 동시에 출력할 수 있도록 구성했습니다.
다중 부품 출력 방식은 각 레이어 사이의 냉각 대기 시간을 자연스럽게 늘려 열 축적을 줄였으며, 결과적으로 표면 산화 문제를 해결했습니다.
비평면 출력 전략 적용
본체는 최대 75°의 오버행(Overhang)을 고려하여 재설계했습니다.
복잡한 서포트 구조의 사용을 피하기 위해 비평면 출력(Non-planar Printing) 방식을 적용했습니다.
Meltio M600의 프로빙(Probing) 기능을 활용하여 기판의 가장 낮은 지점에서 Z축 터치오프(Touch-off)를 수행한 후, 곡면 위에 직접 재료를 증착했습니다.
또한 덮개(Lid)에는 실리콘 실란트를 채울 수 있도록 내부가 비어 있는 테두리 구조(Hollow Perimeters)를 적용했습니다.
출력 파라미터 및 고정 방식 개선
특정 부위에서 발생하는 과도한 재료 증착 문제는 해당 영역의 레이저 출력과 출력 속도를 크게 낮추는 방식으로 해결했습니다.
또한 재료를 증착하지 않는 이동 구간에서 부품이 움직이는 현상을 방지하기 위해 지그 양쪽에 견고한 기계식 클램프를 추가했습니다.
이를 통해 출력 중 부품이 지정된 좌표계에서 벗어나지 않도록 안정적으로 고정했습니다.
4. 제조 비용 42% 절감, 생산 리드타임 90% 단축
ExxonMobil은 Meltio 기술 도입을 통해 제조 비용 42% 절감과 생산 리드타임 90% 단축을 달성했습니다.
Meltio LMD 공정으로 전환하면서 제조 비용과 생산 효율 측면에서 뚜렷한 개선 효과를 거두었습니다.
5. 석유·가스 산업에서 LMD 기술의 활용 가능성 입증
ExxonMobil 배턴루지 정유공장의 이번 사례는 기존 CNC 절삭가공을 LMD 기술로 전환하여 티타늄 부품의 설계를 최적화하고 실질적인 경제적 효과를 확보한 사례입니다.
티타늄 소재의 열적 특성을 고려한 공정 제어와 다중 부품 생산을 위한 맞춤형 지그 설계를 통해 기존 제조 과정의 한계를 극복하고 핵심 보호 장치의 제조 방식을 개선했습니다.
특히 단위 제조 비용 42% 절감이라는 성과는 높은 신뢰성이 요구되는 석유·가스 산업에서도 LMD 기술이 경제적인 제조 솔루션이 될 수 있음을 보여줍니다.
“기존 절삭가공 방식에서 벗어나면서 생산 경제성이 완전히 달라졌습니다. 단위 제조 비용을 42% 절감하고 생산 리드타임을 6주에서 60시간 미만으로 단축했습니다. 이를 통해 적층제조 기술이 석유·가스 산업에 실질적인 경제적 가치를 제공할 수 있음을 입증했습니다.”
