한눈에 보기: 이 가이드에서는 적층 제조 기술이 국방용 무인항공기(UAV), 수직 이착륙(VTOL) 항공기, 3D 프린팅 VTOL 드론의 개발 및 생산을 어떻게 변화시키고 있는지 살펴봅니다. 항공우주 제조업체들이 3D 프린팅을 활용하여 중량을 줄이고, 부품을 통합하며, 개발 속도를 높이고, 즉시 비행 가능한 부품을 생산하며, 첨단 소재와 항공우주 산업 인증 워크플로우를 통해 생산 규모를 확대하는 방법을 알아보십시오.
모든 무인항공기(UAV) 프로그램이 동일한 제조 요건을 갖는 것은 아닙니다. 소형 전술용 무인항공시스템(UAS)의 경우 속도, 최소한의 인력이 필요한 생산 방식, 입수 가능한 자재, 신속한 반복 개선을 우선시할 수 있습니다. 반면, 규모가 더 큰 그룹 4 또는 그룹 5 무인항공시스템의 경우, 감항성, 자재 인증, 공정 관리, 추적성, 수명 주기 신뢰성 등에 있어 항공우주 등급의 엄격한 기준이 요구될 수 있습니다.
적층 제조는 방위 산업 분야의 무인항공기(UAV) 및 수직이착륙(VTOL) 프로그램에 단순한 신속 시제품 제작 이상의 이점을 제공합니다. 항공기 개발 기간 단축과 중량 경감부터 공급망 회복력 강화 및 규정 준수 생산 지원에 이르기까지, 적층 제조는 제조업체들이 이 분야에서 가장 시급한 엔지니어링 과제들을 해결하는 데 도움을 주고 있습니다.
무인항공기(UAV) 및 수직이착륙(VTOL) 프로그램에서 적층 제조가 제공하는 가장 큰 기회 중 하나는 단순히 부품을 더 빠르게 출력하는 데 그치지 않습니다. 바로 제조, 조립, 검사, 보관 및 유지보수가 필요한 부품의 수를 줄이는 것입니다. 여러 구성 요소를 하나의 프린팅 부품으로 통합할 수 있어 조립의 복잡성과 금형 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 브라켓, 하우징, 덕트, 마운트 및 구조적 요소를 더 적은 수의 부품으로 통합함으로써, 적층 제조는 조립 인력, 품질 검사 및 물류 복잡성도 줄여줍니다.
방위 프로그램은 종종 새로운 탑재체, 센서, 임무 요구 사항 및 운용 환경에 맞춰 항공기를 개조해야 합니다. AM을 통해 팀은 새로운 금형을 기다릴 필요 없이 업데이트된 부품을 테스트하고, 개선하며, 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 오로라 플라이트 사이언스(Aurora Flight Sciences)는 적층 제조를 활용해 세계 최초의 3D 프린팅 제트 추진 무인항공기(UAV)를 개발하여 개발 기간을 절반으로 단축했으며, 일부 부품은 비행 전 20회 이상의 설계 수정 과정을 거치기도 했습니다.
AM을 통해 경량 구조와 최적화된 형상을 구현함으로써 비행 거리, 비행 지속 시간, 탑재량, 그리고 항공기의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다. 필요한 부분에만 재료를 배치함으로써, 엔지니어들은 불필요한 중량을 줄이면서도 기계적 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.
드론 프로그램이 양산 단계로 접어들면서, 과제는 단일 부품을 성공적으로 프린팅하는 것에서 벗어나, 다양한 빌드, 기계, 작업자, 시설에 걸쳐 수천 개의 반복 가능한 부품을 생산하는 것으로 전환됩니다. Stratasys의 한 생산 연구에 따르면, 분산된 6대의 데스크톱 프린터를 단일 산업용 FDM® 프린터로 대체함으로써 총 생산 시간을 약 51% 단축했을 뿐만 아니라, 부품 수와 조립 인력도 줄일 수 있었습니다.
적층 제조(AM)는 인증된 부품, 금형 및 교체용 부품을 필요한 장소에 더 가까운 곳에서 생산할 수 있게 함으로써 공급망에 회복탄력성을 더합니다. 국방용 무인항공기(UAV) 프로그램의 경우, 특히 부품의 생산량이 적거나 임무 전용이거나 기존 채널을 통해 조달하기 어려운 경우, 이로 인해 긴 리드 타임, 불안정한 제3자 조달 또는 NDAA 미준수 조달, 재고 제약에 대한 노출을 줄일 수 있습니다. 이 프로젝트에서 3D 프린팅으로 제작된 교체용 부품은 비용을 88% 절감하는 동시에, 향후 추가적인 인증 항공우주 부품 생산을 위한 반복 가능한 프로세스를 확립하는 데 기여했습니다.
무인항공기(UAV) 및 수직이착륙기(VTOL) 생산에서는 소재 선정, 공정 관리, 문서화, 검사 및 추적 가능성이 필수적입니다. Stratasys는 생산 등급 소재, 통제된 적층 제조 워크플로우, 그리고 제조업체가 제작 과정을 문서화하고 생산 데이터를 관리하며 제조 공정 전반에 걸쳐 추적성을 확보할 수 있도록 지원하는 GrabCAD 소프트웨어 기능을 통해 이를 뒷받침합니다. 이러한 기능들이 결합되어 항공우주 및 방위 산업 팀에게 생산에 필요한 재현성과 신뢰성을 갖춘 내구성 있는 최종 사용 부품을 생산할 수 있는 체계적인 경로를 제공합니다.
다회전익 드론은 여러 개의 양력 로터를 사용하여 양력과 추진력을 모두 발생시킵니다. 기계 구조가 단순하면서도 기동성이 뛰어나기 때문에 정찰, 감시 및 단거리 임무에 매우 적합합니다.
멀티로터는 전적으로 로터가 생성하는 양력에 의존하기 때문에, 1그램의 무게도 매우 중요합니다. 경량 구조는 비행 시간, 탑재 하중 용량 및 전반적인 효율을 극대화하는 데 도움이 됩니다. 또한 적층 제조를 통해 기체의 무게 분배, 탑재 하중 통합, 배터리 하우징, 탑재 하중 마운트, 항공 전자 장비 인클로저와 같은 주요 구성 요소의 진동 거동을 최적화하며, 이 모든 요소는 항공기의 임무에 맞춰 설계됩니다.
리프트 플러스 크루즈 항공기는 수직 양력을 위해 전용 모터를 사용하고, 전진 비행을 위해 별도의 추진 시스템을 사용합니다. 쿼드플레인(QuadPlane) 설계는 멀티로터의 양력과 고정익 설계의 효율성을 결합한 대표적인 예입니다.
이러한 드론은 대개 여러 개의 하우징, 브래킷, 배터리 수납공간, 탑재체 마운트가 필요하며 기하학적으로 복잡한 공기역학적 구조를 요구합니다. 적층 제조는 이러한 구성 요소를 통합하여 조립의 복잡성을 줄이고, 다양한 탑재체와 임무 요구 사항에 신속하게 적응할 수 있는 경량 임무 전용 부품의 생산을 용이하게 합니다.
틸트 로터 및 틸트 윙 항공기는 로터나 날개 자체를 회전시켜 수직 비행과 수평 비행을 전환합니다. 이를 통해 헬리콥터와 유사한 이착륙 성능과 더불어 다른 많은 VTOL 설계보다 더 높은 속도와 더 긴 항속 거리를 결합할 수 있습니다.
이 항공기들은 기계적으로 복잡하기 때문에 경량 구조물, 하우징, 브래킷에 대한 필요성이 높아지며, 종종 신속한 프로토타입 반복 제작이 많이 요구됩니다. 적층 제조(AM)는 설계 변경 사항을 신속하게 테스트해야 하거나, 기존 방식으로는 제조하기 어렵거나 비용이 많이 드는 복잡한 형상을 일체화해야 하는 경우에 유용합니다.
테일시터 항공기는 꼬리 부분을 이용해 수직으로 이착륙한 후 수평 비행으로 전환합니다. 다른 VTOL 구조에 비해 흔하지는 않지만, 기계적 설계가 더 단순하여 때로는 무게를 줄이고 제작 복잡성을 낮출 수 있습니다.
여러 기능을 더 적은 수의 부품으로 통합한 일체형 구조물과 경량 기체를 프린팅할 수 있습니다. 또한, 엔지니어들이 수직 및 수평 비행 모드 전반에 걸쳐 드론의 안정성, 균형, 공기역학적 성능을 최적화해 나가는 과정에서 AM의 주요 이점인 신속한 반복 설계가 가능하다는 점도 언급해야 합니다.
인증된 적층 제조를 위한 설계에는 항공기 성능을 최적화하는 것 이상의 노력이 필요합니다. 엔지니어들은 부품이 어떻게 제조되고, 인증을 받으며, 프로그램의 전체 수명 주기 동안 일관되게 생산될지 또한 고려해야 합니다.
최고의 적층 제조 적용 사례는 대개 부품 중량만을 줄이는 데 그치지 않습니다. 이는 전체 생산 부담을 줄여줍니다. 조립 단계, 체결 부품, 접착 공정, 고정 장치, 검사 항목이 줄어들고, 재고 관리 대상 품목도 감소합니다. 무인항공기(UAV) 프로그램의 경우, 이는 적층 제조된 부품 자체의 성능만큼이나 중요할 수 있습니다.
VTOL 항공기는 추진 시스템, 배터리, 탑재물 및 항공 전자 장비를 탑재하면서도 가능한 한 가볍고 효율적으로 유지되어야 합니다. 토폴로지 최적화와 생성형 설계는 엔지니어들이 전체적인 강도와 성능에 기여하는 부분에만 재료를 배치할 수 있도록 돕습니다.
적층 제조(AM)를 통해 기존 제조 방식에서 흔히 겪던 금형 제약 없이 이러한 최적화된 형상을 보다 실용적으로 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 오로라 플라이트 사이언스(Aurora Flight Sciences)는 최적화된 토폴로지를 활용하여 불필요한 재료를 제거하고, 강성이 높으면서도 가벼운 기체를 제작하며, 여러 부품을 단일 부품으로 통합했습니다.
3D 프린팅을 통해 엔지니어는 브라켓, 하우징, 덕트 및 장착 부품을 더 적은 수의 부품으로 통합하여, 접합 부위와 조립 단계가 줄어든 더 단순한 조립체를 만들 수 있습니다. 이러한 설계는 일관된 제조가 용이하며, 인증된 항공우주 생산에 필요한 재현성을 뒷받침하는 데 도움이 됩니다.
항공우주 분야에서는 부품이 연료, 유압유, 극한 온도 및 기타 가혹한 작동 조건을 견뎌내야 할 뿐만 아니라 검증된 양산급 제조 공정을 지원해야 하므로, 올바른 소재를 선택하는 것이 매우 중요합니다.
적층 제조가 양산 단계로 접어들면서, 검증된 소재, 공정 제어 및 추적성은 비행에 사용 가능한 부품을 생산하고, 생산 및 인증 워크플로우에 필요한 문서화, 추적성 및 공정 제어를 뒷받침하는 데 필수적입니다.
예상할 수 있듯이, 적층 제조를 위한 부품 설계는 단순히 소재를 선택하는 것 이상의 과정을 수반합니다. 적층 방향은 지지대 요구 사항, 내부 채널, 표면 품질, 치수 정확도 및 기계적 성능에 영향을 미치므로 설계 과정 초기에 이를 고려해야 합니다. 적층 방향을 염두에 두고 설계하면 지지대 제거 및 후처리를 단순화하여 부품 품질의 일관성을 높일 수 있습니다.
또한 설계 단계에서 부품의 세척, 검사 및 마감 처리 방법을 고려해야 합니다. 이러한 공정을 미리 고려하면 제조 과정을 단순화하고, 변동성을 줄이며, 반복 가능한 생산을 뒷받침하는 데 도움이 되기 때문입니다.
중량 감축에 대해서는 다른 곳에서 다루고 있으므로, 중복을 피하기 위해 이 글에서는 부품 통합에 초점을 맞췄습니다.
후처리 과정에 대해서는 나중에 더 자세히 다룰 예정이므로, 이 부분에서는 설계 단계에서의 적층 방향에 초점을 맞추고자 합니다.
모든 무인항공기(UAV) 또는 수직이착륙(VTOL) 응용 분야에 적용할 수 있는 단일 소재는 존재하지 않습니다. 소재 선정은 부품의 기능, 하중 조건, 작동 환경, 인증 요건 및 생산량에 따라 달라집니다. 국방 프로그램의 경우, 가장 효과적인 소재 전략은 대개 실용적인 접근 방식입니다. 즉, 검증되고, 입수 가능하며, 특성이 명확히 파악된 소재를 사용하여 반복적인 제조와 프로그램 요건을 충족시키는 것입니다.
은 항공우주 및 방위 산업 분야에서 가장 널리 채택된 적층 제조(AM) 소재 중 하나입니다. 이 소재는 높은 강중량비와 뛰어난 열적 성능, 그리고 화염·연기·독성(FST) 특성을 겸비하여 항공기 내장재, 하우징, 덕트, 브래킷 및 구조 부품에 매우 적합합니다.
군용 무인항공기(UAV) 및 수직이착륙기(VTOL) 프로그램의 경우, 경량화, 내구성, 그리고 항공우주 분야의 검증된 실적이 주요 우선순위일 때 ULTEM™ 9085 필라멘트가 자주 선택됩니다. 기계적 성능과 항공우주 분야에서의 확고한 입지를 겸비하고 있어, 양산 및 비행 준비가 완료된 응용 분야에 대한 강력한 선택지입니다.
FDM 시스템용 나일론 12CF 소재는 잘게 자른 탄소 섬유로 보강된 나일론을 결합하여, 기체 구조물, 장착 브래킷 및 탑재물 지지대를 위한 경량이며 고강도 및 고강성을 갖춘 부품을 생산합니다. 항공기 성능을 극대화하기 위해 높은 강성 대 중량 비율이 필요한 응용 분야에 이상적입니다.
FDM용 Antero® 840CN03 소재는 까다로운 항공우주 및 방위 산업 용도를 위해 개발된 PEKK 기반 열가소성 수지입니다. 이 소재는 높은 강도, 열적 성능, 내화학성 및 정전기 분산(ESD) 특성을 겸비하고 있어, 연료, 유압유 또는 민감한 전자 부품에 노출될 수 있는 항공 전자 장비 인클로저, 커넥터, 브라켓, 덕트 및 임무 시스템 부품에 매우 적합합니다.
일부 무인항공기(UAV) 부품의 경우, SAF™ 기술이 적용된 PA12 소재는 대량 생산에 있어 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 효율적인 네스팅, 일관된 부품 품질, 높은 처리량 덕분에 성능 및 인증 요건에 따라 하우징, 커버, 고정구 및 기타 경량 폴리머 부품에 매우 적합합니다.
성공적인 시제품을 양산 단계로 전환하는 것은 단순히 프린터를 더 추가하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 무인항공기(UAV) 및 수직이착륙(VTOL) 제조업체는 (종종 여러 생산 현장에 걸쳐) 반복 가능한 제작 공정, 통제된 워크플로우, 효율적인 후처리, 검증된 자재, 그리고 불필요한 장비 증가, 인력 부담 또는 조립 복잡성을 초래하지 않으면서도 확장 가능한 생산 모델이 필요합니다.
산업용 FDM® 시스템은 더 적은 수의 빌드만으로 더 큰 조립체를 생산할 수 있어 부품 수, 조립 작업량 및 전체 생산 시간을 줄일 수 있습니다. 또한 일관성, 생산 변동성 및 처리량을 개선합니다. 이를 통해 단편적인 프로토타입 제작에서 반복 가능한 양산 워크플로로 확장할 수 있습니다.
양산 시에는 프린팅 방향을 표준화하고 문서화해야 합니다. 프린팅 방향은 기계적 성능, 치수 정확도, 표면 품질, 지지대 요구 사항 및 처리량에 영향을 미칠 수 있습니다. 일관된 제작 전략은 제조업체가 여러 제작 공정, 기계 및 작업자 전반에 걸쳐 반복성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
국방용 무인항공기(UAV) 및 수직 이착륙(VTOL) 항공기는 종종 부품이 습기, 먼지, 자외선, 극한 온도 및 운용 중 마모에 노출될 수 있는 가혹한 환경을 견뎌야 합니다. 후처리는 이러한 조건에 대비하여 프린팅된 부품을 준비하는 데 도움이 됩니다.
용도에 따라 여기에는 지지대 제거, 표면 마감, 밀봉, 코팅, 검사 또는 적합성 테스트가 포함될 수 있습니다. 목표는 취급 과정을 최소화하고, 예측 가능한 처리량을 확보하며, 반복 가능한 품질을 보장하는 부품 및 워크플로를 설계하여 제조 공정을 간소화하는 동시에 운영 내구성과 현장 배치 준비 태세를 향상시키는 것입니다.
적층 제조의 장점 중 하나는 동일한 디지털 워크플로우로 설계 반복, 금형 제작, 가교 생산, 그리고 선별된 최종 사용 부품을 모두 지원할 수 있다는 점입니다. CAD 파일에서 직접 설계 변경이 가능하므로, 팀은 새로운 하드 금형을 기다릴 필요 없이 소량 생산 단계로 넘어가면서 부품을 정밀하게 다듬을 수 있습니다.
많은 무인항공기(UAV) 프로그램에서 생산 문제는 동시에 ‘자체 제작(make)’ 대 ‘외부 조달(buy)’의 문제이기도 합니다. 일부 팀은 내부에서 3D 프린팅을 원할 수 있고, 다른 팀은 외부 생산, 가교 생산 또는 급증하는 수요에 대응할 수 있는 생산 능력이 필요할 수 있습니다. ‘플랫폼 플러스 생산(platform-plus-production)’ 모델을 통해 프로그램은 수요, 인증 또는 생산 능력 요구 사항이 변화함에 따라 내부 적층 제조 역량과 Stratasys Direct 제조 지원 사이를 유연하게 전환할 수 있습니다.
제너럴 아토믹스(General Atomics)는 자사의 모든 무인 항공기 프로그램에 이 접근 방식을 적용하여, MQ-9B 스카이 가디언(SkyGuardian)용 약 240개의 부품을 포함해 수천 개의 부품을 3D 프린팅으로 제작했습니다.
적층 제조는 모든 무인항공기(UAV) 부품이나 모든 생산량에 적합한 공정은 아닙니다. 이 공법은 최저 단가보다 중량, 복잡성, 반복 속도, 소량~중량 생산, 공급망 리스크 또는 임무별 변동이 더 중요한 경우에 가장 큰 강점을 발휘합니다.
가장 적합한 적용 분야는 다음과 같습니다:
새로운 VTOL 플랫폼을 개발 중이든, 전술용 무인기(UAV) 프로그램을 확대 중이든, 아니면 검증된 생산 지원을 찾고 계시든, Stratasys는 적층 제조를 통해 부품 수를 줄이고, 조립을 간소화하며, 반복 설계를 가속화하고, 반복 가능한 생산을 지원할 수 있는 부분을 평가하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.
대표적인 UAV 부품, 조립체 또는 생산 병목 현상부터 시작해 보십시오. 당사 팀은 적층 제조가 적합한지, 그리고 내부 생산, 당사의 안전하고 인증된 미국 내 위탁 제조 서비스인 ‘Stratasys Direct’를 통한 생산, 또는 하이브리드 제조/구매 모델 중 어떤 방식을 채택해야 할지 평가하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.
구체적인 적용 사례에 대해 논의하거나 3D 프린팅 관련 궁금한 점을 해결하고 싶으시다면, 지금 바로 당사 전문가에게 문의하여 자세한 정보를 확인해 보십시오.
