Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

차세대 우주선을 제작하기 위해서는 믿을 수 없을 정도로 강하면서도 비행할 수 있을 만큼 가벼운 재료가 필요합니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 금속을 성형하기 위해 전통적인 방식에 의존해 왔지만, 이러한 기술은 연료 탱크에 필요한 크고 복잡한 곡선을 만드는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 와이어 아크 적층 제조(wire arc additive manufacturing)라고 알려진 더 새로운 접근 방식은 다른 길을 제시합니다. 이 방법은 금속 블록을 크기에 맞춰 깎아내는 대신, 고도로 정밀한 용접 토치 역할을 하는 로봇 팔을 사용하여 물체를 층층이 쌓아 올립니다. 이 방식은 가느다란 금속 와이어를 녹여 특정 패턴으로 퇴적시켜 하나의 단단한 구조로 융합시킵니다. 이 기술은 거대한 부품을 빠르게 제작할 수 있다는 점에서 큰 가능성을 지니고 있지만, 금속을 녹이는 데 필요한 강렬한 열이 재료를 뒤틀리게 하고 변형시킨다는 중대한 난관에 봉착해 있습니다. 대형 물체를 제작하는 과정에서 이러한 작은 뒤틀림들이 쌓이면, 최종 형태가 너무 휘거나 약해져서 쓸모없게 될 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 시미즈 코퍼레이션(Shimizu Corporation)과 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 연구진은 이 용접 기반 구축 방식의 속도와 전통적인 가공 방식의 정밀함을 결합하기로 했습니다. 그들은 로봇이 금속을 더하기만 하는 것이 아니라 제거하기도 하는 하이브리드 시스템을 개발했습니다. 밀링 도구와 레이저 스캐너를 동일한 로봇 셀에 통합함으로써, 시스템은 구축되는 각 층의 높이를 측정하고 실시간으로 로봇의 경로를 조정할 수 있습니다. 만약 금속이 너무 높게 쌓이거나 변형되면, 로봇은 용접을 일시 중단하고 과잉된 재료를 갈아내어 완벽하게 평평한 표면을 만든 다음 다시 구축을 계속할 수 있습니다. 이 공정은 열기로 인해 정렬이 어긋나려 할 때도 최종 물체가 의도한 형태를 유지하도록 보장합니다. 연구팀은 이 시스템을 검증하기 위해 로켓의 연료를 담는 용기인 종류인 추진제 탱크의 실물 크기 모델을 제작한 후, 이를 극한의 압력에 노출시켜 견딜 수 있는지 테스트했습니다.

연구진은 높이 1.1미터, 넓은 부분은 폭 1미터, 좁은 부분은 폭 0.5미터인 시연용 탱크를 제작했습니다. 이 탱크의 벽은 알루미늄 합금 와이어로 만들어졌으며, 층층이 쌓여 5밀리미터 두께에 도달했습니다. 긴 과정 동안 층을 계속 쌓는 동안 구조를 견고하게 유지하기 위해, 연구팀은 탱크 내부에 링 모양의 보강재(stiffeners)를 도입했으며, 이는 로봇이 작업을 재개하기 전에 수동으로 용접되었습니다. 성공의 핵심적인 부분은 로봇이 용접하는 동안 초당 10번씩 탱크 표면을 스캔하는 레이저 프로파일러의 사용이었습니다. 이를 통해 시스템은 추가되는 금속의 높이를 지속적으로 확인하고 로봇의 움직임을 자동 조정하여 층을 균일하게 유지할 수 있었습니다. 그 결과, 높은 열로 인한 도전에도 불구하고 일정한 벽 두께를 유지하는 매끄러운 금속 껍데기가 완성되었습니다.

탱크가 완성된 후, 팀은 이것이 실제 연료 용기로서 기능할 만큼 충분히 강한지 확인해야 했습니다. 그들은 상단을 금속 덮개로 밀봉하고 수압 테스트를 수행하기 위해 탱크에 물을 채웠습니다. 수압 테스트는 물이 공기처럼 압축되지 않기 때문에, 실패하더라도 탱크가 격렬하게 폭발하지 않아 강도를 테스트하기에 안전하고 효과적입니다. 그들은 탱크 내부의 압력을 천천히 높이면서 금속이 어떻게 늘어나고 변형되는지를 면밀히 관찰했습니다. 탱크는 내부 압력이 1.7메가파스칼에 도달했을 때 마침내 터졌지만, 파열은 로봇이 만든 탱크 본체가 아닌 수동으로 용접된 덮개와 접합부에서 발생했습니다. 이는 용접된 조인트가 가장 취약한 지점이었으며, 적층 공정으로 만들어진 금속 벽 자체는 문제가 아니었음을 나타냅니다.

탱크의 성능을 측정하는 진정한 척도는 금속이 영구적으로 늘어나기 시작하는 시점인 항복 압력(yield pressure)을 분석하는 것이었습니다. 민감한 게이지로 탱크 표면의 변형을 측정한 결과, 연구진은 원통형 섹션이 1.30메가파스칼에서, 곡선형 바닥 섹션이 1.38메가파스칼에서 항복하기 시작한다는 것을 발견했습니다. 이 수치들은 사용된 알루미늄 와이어의 알려진 강도를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측했던 값과 매우 유사했습니다. 시뮬레이션은 원통형 부분에 대해 약 1.37메가파스칼, 돔 부분에 대해 1.38메가파스칼의 항복 압력을 예상했습니다. 물리적 테스트와 컴퓨터 모델 사이의 밀접한 일치는 로봇 용접 공정으로 생산된 금속이 원재료인 와이어만큼이나 강력하다는 것을 확인시켜 주었습니다.

또한 연구는 내부 링 보강재가 압력에 저항하는 탱크의 능력에 유의미한 차이를 만드는지 조사했습니다. 컴퓨터 모델은 이러한 링을 추가하는 것이 압력 저항을 약 5% 정도만 개선한다고 제안했는데, 이는 비교적 작은 이득입니다. 실험 데이터 역시 이를 뒷받침하며, 탱크가 주요 강도를 확보하는 데 있어 보강재에 크게 의존하지 않고도 잘 작동했음을 보여주었습니다. 연구진은 예측값과 실제 테스트 결과 사이의 미세한 차이가 수동으로 용한 덮개의 정확한 형상이나 벽 두께의 미세한 변화를 고려하지 않은 컴퓨터 모델의 단순화에서 기인했을 가능성이 높다고 언급했습니다. 그럼에도 불구하고 핵심적인 결론은 명확했습니다. 하이브리드 제조 시스템이 크고 복잡한 알루미늄 탱크를 이론적 강도 요구 사항에 맞게 성공적으로 제작했다는 것입니다.

이 작업은 적층 및 절삭 기술을 결합하여 구조적 무결성을 희생하지 않고도 미터 단위의 항공우주 부품을 제작할 수 있음을 입증합니다. 성공의 열쇠는 오류가 발생하는 즉시 이를 수정하여, 대규모 용접 프로젝트에서 흔히 발생하는 결함의 누적을 방지할 수 있는 능력이었습니다. 연구팀은 용접 공정이 재개되는 지점에서 금속의 품질을 향상시키는 것과 같은 개선점을 식ر별했지만, 전반적인 실험은 이 접근 방식의 실행 가능성을 증명했습니다. 탱크는 물리 법칙이 예측한 대로 압력을 견뎌냈으며, 이는 이 하이브리드 방식이 미래 우주 탐사에 필요한 크고 가벼운 구조물을 제조하는 신뢰할 수 있는 방법이 될 수 있음을 시사합니다.