금형, 툴링 및 정밀 금속 부품 제조를 전문으로 하는 Mol-Matric은 2025년 초 새로운 항공우주 프로젝트에 참여했습니다.
이번 프로젝트의 목표는 3개의 알루미늄 부품을 조립해 제작하던 항공기 구조 부품을 하나의 경량 티타늄 부품으로 전환하는 것이었습니다.
이 프로젝트는 적층제조와 첨단 후처리 기술을 활용해 보다 지속 가능한 항공기 구조물을 개발하는 SAFE-AIR 프로젝트의 일환으로 진행되었습니다.
Mol-Matric은 이번 프로젝트를 통해 와이어 레이저 금속 증착(Wire-Laser Metal Deposition) 기술이 단순한 연구용 시제품 제작을 넘어, Ti6Al4V(Grade 5) 티타늄 소재를 활용한 실제 항공 구조 부품 제조에 적용될 수 있는지 검증하고자 했습니다.
이를 위해서는 설계와 제조 공정 모두에서 높은 수준의 정밀도와 신뢰성이 요구되었습니다.
부품 설계가 적절하지 않으면 기계적 성능 시험을 통과할 수 없으며, 제조 공정에서 문제가 발생하면 수십 시간의 출력 시간과 고가의 티타늄 소재가 낭비될 수 있기 때문입니다.
“이를 실현하기 위해 적층제조 기술, 그중에서도 DED 기술을 활용했습니다.
DED 기술은 다른 적층제조 방식과 달리 중대형 부품을 제작할 수 있으며, 투입 에너지를 정밀하게 제어하고 소재를 매우 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.”
1. 기존 3개 부품 조립 구조의 한계
항공우주 산업에서 부품의 무게는 항공기 운용 비용과 직접적으로 연결됩니다.
항공기 구조물의 무게를 줄이면 운용 수명 동안 연료 소비를 절감할 수 있기 때문입니다.
Mol-Matric이 재설계를 맡은 기존 항공 구조 부품은 3개의 개별 알루미늄 부품을 조립한 구조였습니다.
이러한 구조에는 여러 연결 부위가 존재하며, 각각의 접합부는 잠재적인 구조적 취약 지점이 될 수 있습니다.
또한 기존 설계는 구조적 요구사항보다 제조상의 제약으로 인해 여러 부품으로 나뉘어 있었기 때문에 추가적인 경량화에도 한계가 있었습니다.
3개의 부품을 하나의 구조물로 통합하면 접합부를 제거하고 무게를 줄일 수 있습니다.
그러나 이를 위해서는 새로운 소재와 제조 공정이 항공 구조 부품에 요구되는 기계적·기능적 성능을 충족해야 합니다.
단순히 기존 알루미늄 부품의 무게를 줄이는 것이 아니라, 소재와 제조 방식을 함께 변경하는 접근이 필요했습니다.
2. 티타늄 소재 적용과 제조 기술의 과제
Mol-Matric은 기존 알루미늄 부품을 대체할 소재로 **Ti6Al4V(Titanium Grade 5)**를 선정했습니다.
Ti6Al4V는 높은 강도와 낮은 무게가 요구되는 항공우주 분야에서 널리 활용되는 티타늄 합금입니다.
- 위상 최적화를 통한 부품 통합
Mol-Matric은 위상 최적화(Topology Optimization)를 활용해 기존 부품을 재설계했습니다.
위상 최적화는 구조적 기능에 필요하지 않은 소재를 제거하고, 요구되는 성능을 유지하면서 무게를 줄이는 설계 기법입니다.
이를 통해 기존 3개의 알루미늄 부품을 **하나의 일체형 티타늄 구조물(Monolithic Structure)**로 통합할 수 있었습니다.
그러나 경량화를 위해 최적화된 형상이 반드시 제조하기 쉬운 형상을 의미하지는 않습니다.
따라서 위상 최적화로 생성된 복잡한 형상을 와이어 기반 금속 증착 공정에서 안정적으로 제작할 수 있도록 조정해야 했습니다.
- 티타늄 출력 품질 검증
고가의 티타늄 소재를 사용해 최종 부품을 제작하기 전에 출력물의 품질과 기계적 특성을 검증하는 과정이 필요했습니다.
주요 검증 항목은 다음과 같습니다.
– 인장강도 및 경도 등 기계적 물성
– 금속 미세조직의 균일성
– 내부 기공률(Porosity)
– 표면 건전성(Surface Integrity)
또한 출력이 완료된 부품은 항공 구조 부품에 요구되는 치수 공차와 표면 품질을 충족하도록 정밀 가공해야 했습니다.
특히 기존의 일반적인 금속 소재를 절삭해 제작하는 방식과 달리, 위상 최적화로 생성된 복잡한 일체형 구조에 적합한 가공 전략을 마련해야 했습니다.
3. Meltio M600을 활용한 소재 및 형상 검증
Mol-Matric은 스페인 Meltio 공식 유통사인 Sicnova를 통해 Meltio M600을 도입하고, 와이어 레이저 금속 증착 기술을 기반으로 제조 공정을 개발했습니다.
와이어 레이저 금속 증착은 L-DED 또는 Wire-DED라고도 하며, 레이저로 형성된 용융풀(Melt Pool)에 금속 와이어를 공급하여 부품을 제작하는 방식입니다.
분말 기반 공정과 달리 금속 와이어를 직접 공급하기 때문에 에너지 투입량을 정밀하게 제어할 수 있으며, 특히 중대형 부품 제조에서 높은 소재 활용 효율을 확보할 수 있습니다.
또한 금속 블록에서 불필요한 부분을 제거하는 기존 절삭가공 방식과 달리, 설계된 형상에 필요한 부분만 소재를 증착할 수 있습니다.
Mol-Matric은 최종 티타늄 부품 제작에 앞서 소재 특성 검증과 형상 제작성 검증을 병행했습니다.
- 소재 검증: 기계적 특성 및 품질 평가
연구팀은 최종 부품을 제작하기 전에 별도의 시험편을 출력하여 소재 특성을 평가했습니다.
인장시험, 경도시험 및 구조적 특성 분석을 수행했으며, 미세조직의 균일성, 기공률, 표면 건전성도 함께 확인했습니다.
이러한 검증을 통해 출력된 티타늄 소재가 해당 항공 구조 부품에 요구되는 기계적 성능을 충족하는지 확인했습니다.
- 형상 검증: 316L 스테인리스강을 활용한 사전 출력
Mol-Matric은 고가의 티타늄 소재를 사용한 초기 출력 실패 위험을 줄이기 위해 316L 스테인리스강으로 재설계된 부품의 시험 모델을 먼저 제작했습니다.
시험 출력에는 최종 부품과 동일한 Meltio M600이 사용되었습니다.
이를 통해 위상 최적화 과정에서 생성된 복잡한 형상과 내부 연결 구조가 와이어 DED 공정으로 실제 제작 가능한지 확인했습니다.
이러한 사전 검증을 마친 후 최종 티타늄 부품 제작을 진행했습니다.
- 최종 티타늄 부품 제작
소재와 형상에 대한 검증을 완료한 Mol-Matric은 Meltio M600을 활용해 최종 티타늄 구조 부품을 제작했습니다.
최종 부품은 9.90kg에 249x380x218mm로, 분당 20리터의 아르곤 가스를 공급하는 국소 보호 분위기에서 약 62시간 30분 동안 출력되었습니다.
그러나 출력만으로 제조 공정이 완료된 것은 아닙니다.
Mol-Matric은 부품에 요구되는 치수 공차와 표면 품질을 확보하기 위해 별도의 정밀 가공 공정을 개발하고 최적화했습니다.
다양한 절삭 전략과 공구, 가공 조건을 시험하여 기존에는 하나의 부품으로 제작된 적이 없었던 복잡한 구조물에 적합한 가공 방식을 확보했습니다.
이를 통해 와이어 레이저 증착과 정밀 절삭가공을 결합한 하이브리드 제조 공정을 구현했습니다.
4. 기존 대비 27% 경량화 및 3개 부품의 일체화
Mol-Matric은 위상 최적화와 Meltio M600을 활용한 제조 공정을 통해 기존 알루미늄 조립 구조를 하나의 티타늄 부품으로 전환했습니다.
5. 금형·정밀 부품 제조에서 항공우주 구조 부품으로의 확장
금형, 툴링 및 정밀 금속 부품 제조를 중심으로 사업을 운영해 온 Mol-Matric에게 이번 프로젝트는 새로운 제조 분야로 진출하는 계기가 되었습니다.
기존의 금속 소재를 절삭하여 부품을 제작하는 방식에서 벗어나, 설계 단계부터 적층제조 기술을 고려한 항공우주 구조 부품 제조에 도전한 사례입니다.
이번 프로젝트는 Mol-Matric이 기계적 성능 검증을 완료한 첫 번째 항공우주 구조 부품 사례이기도 합니다.
또한 와이어 DED 기술을 활용해 항공 구조 부품을 제작하고, 기계적 특성 검증부터 최종 정밀 가공까지 수행할 수 있음을 자체적으로 입증했습니다.
현재 적층제조 산업에서는 단순히 우수한 품질의 부품을 제작할 수 있는지를 넘어, 실제 생산 현장에서 동일한 품질을 안정적으로 구현하고 생산 규모를 확대할 수 있는지가 중요한 과제로 떠오르고 있습니다.
이번 프로젝트에서 확보한 검증된 제조 공정, 실제 기계적 물성 데이터, 3개 부품을 하나로 통합한 구조 부품은 이러한 기술적 가능성을 보여주는 사례입니다.
특히 항공기 구조물의 무게를 줄이는 것은 항공기 운용 수명 동안 연료 소비를 절감하는 데 기여할 수 있습니다.
항공우주 산업에서 경량 구조물에 대한 수요가 증가함에 따라, 이번 사례와 같은 적층제조 기반 부품 통합 및 경량화 기술의 중요성도 더욱 커질 것으로 기대됩니다.
