Northrop Grumman은 로켓 모터 개발 시간을 단축하기 위해 툴링 패러다임을 바꾼 방법
Customer
Northrop Grumman
Headquarters
Falls Church, Virginia, USA
Industry
Aerospace and Defense
Employees
95,000
지금까지 설계된 가장 유명한 로켓 모터는 자칫하면 성공하지 못할 뻔했습니다. Apollo Saturn V의 F-1 로켓 엔진을 개발하던 엔지니어들은 시험대에서 엔진이 폭발하는 문제로 인해 당황했습니다. 개발팀에서 연료 분사 시스템의 표준 설계에 대한 새로운 접근 방식, 즉 새로운 사고방식을 고안하고 나서야 비로소 연소가 안정화되면서 성공을 거두게 되었고 궁극적으로 인류가 달에 도달할 수 있었습니다.
60년이 지난 지금, 또 다른 로켓 모터 개발자 Northrop Grumman은 생산 장애물의 극복을 위해 이와 비슷하게 새로운 접근 방식을 취하고 있습니다. 이번 문제는 툴링 공급망 내의 과도한 리드 타임으로 인해 새로운 로켓 모터 개발에 과도한 지연이 발생한다는 것입니다. Northrop Grumman의 팀은 현 상태를 받아들이는 대신 새로운 길을 개척하고 적층 제조(AM)를 사용했으며, 새로운 개발의 지연을 유발하는 금속 툴링을 대체하게 되었습니다. 그 결과 툴링 생산 시간이 획기적으로 단축되었고 1년도 채 되지 않아 새로운 로켓 모터를 만들 수 있었습니다.
Northrop Grumman Propulsion Systems는 60년 이상 국방, 민간 및 상업용 로켓 응용 분야에 발사 기능을 제공하는 고체 로켓 모터 개발의 풍부한 역사를 가지고 있습니다. 그곳의 Northrop Grumman 팀은 아폴로 달 탐사를 위한 로켓 모터를 제공하기도 했습니다. 여기에선 모든 제품 개발 프로그램이 직면한 기술, 비용 및 일정 문제를 해결하기 위한 혁신과 건전한 공급망이 핵심입니다. 그러나 공급망은 취약합니다. 여기에는 여러 원인이 있겠지만 특히 코로나19 팬데믹으로 이 점이 부각되었습니다. 정치적 긴장, 무역 전쟁 및 이와 유사한 지정학적 사건은 안정적인 공급망에 대한 끊임없는 위협이며, 온쇼어링 또는 니어쇼어링 전략의 가치를 강조합니다. 로켓 모터 개발의 경우 미션 목표를 달성하기 위해 모터 케이스 내부의 고체 로켓 추진제를 성형하는 데 사용되는 새로운 툴을 조달하는 것이 취약한 부분 중 하나입니다. Northrop Grumman에게는 앞서 언급한 공급망 현실로 인해 일부 프로젝트의 경우 툴링 리드 타임이 1년 이상 지연될 수 있습니다.
Northrop Grumman 툴링 엔지니어인 Chase Smaellie는 프로젝트 계획에 영향을 미치는 조달 지연에 대해 너무나 잘 알고 있습니다. "코로나19 기간에 많은 공급업체가 문을 닫았고 우리도 대형 단조품, 주조, 용접물을 확보하는 데 큰 어려움을 겪었습니다. 물론 지금도 마찬가지이고요. 이러한 대형 툴 중 일부를 회사에 도입하는 데 예상보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다."
공급망 중단의 여파는 지연에 그치지 않습니다. 제조업체라면 다 알고 있겠지만 생산을 일시 중단한다는 것은 제품이 더 늦게 출시되는 것을 의미합니다. 경쟁이 치열한 산업에서 이는 궁극적으로 비즈니스 기회를 놓치는 결과를 초래할 수 있습니다. 프로세스 지연은 변화하는 시장 상황, 새로운 고객 요구 사항 또는 새로운 트렌드에 신속하게 대응하는 능력을 저해합니다. 또한 납품 일정에도 안 좋은 영향을 미치면서 고객의 기대치를 충족하지 못하고 회사의 신뢰도가 무너지면서 결국 매출 손실로 이어지게 됩니다.
이러한 어려움을 극복하기 위해 Northrop Grumman은 혁신적인 접근 방식을 취했습니다. 이 회사는 Solid Motor Annual Rocket Technology Demonstrator 또는 줄여서 SMART Demo를 개발했습니다. 이는 특정 산업 및 고객의 요구 사항을 충족하고 프로세스 관련 문제를 해결하기 위해 툴링, 소재, 설계 분야에서 로켓 모터 개발을 촉진하는 연례 프로그램입니다.
2023 SMART 데모의 한 측면은 긴 리드 타임 툴링 문제의 핵심을 찔렀습니다. Northrop Grumman은 로켓 모터 추진체를 주조하기 위해 기존의 금속 툴에 의존하는 대신 자체적인 Stratasys FDM® AM 기술을 사용하여 프로세스를 가속화하고 복잡한 모양의 툴링을 3D 프린팅했습니다. 그 결과 금속 툴을 조달하는 데 걸리는 시간보다 훨씬 짧은 시간 내에 금형 툴을 완성할 수 있었습니다. 기존에 공급되는 소재보다 적층 제조의 가치를 강조하는 Smaellie는 이렇게 말합니다. "적층 제조는 꼭 필요합니다. 인하우스로 대규모 제작이 유리하며 1년이 걸리던 제작 시간을 6주로 단축했습니다."
그러나 2023 SMART Demo에서 강조된 점은 공급망 중단에 대한 솔루션으로 단순히 AM을 승인하는 것을 넘어 금속을 대체하는 폴리머 기술이 중요하다는 것입니다. 로켓 모터 추진제는 고온에서 주조되므로 추진제를 성형하는 데 사용되는 모든 첨가제 폴리머 재료는 이러한 조건을 견뎌야 합니다. 툴링 주기 시간의 단축을 필두로 성공적인 결과를 거두게 되면서 2023 SMART Demo는 금속 대신 폴리머를 사용하는 접근 방식의 가치를 입증하는 계기가 되었습니다. 이러한 결과를 통해 적층 기술이 리드 타임을 단축하고 새로운 고체 로켓 모터를 더 빠르게 제조하는 데 기여할 것으로 기대됩니다
수십 년 동안 AM 사용자들은 일반적으로 금속으로 만든 지그, 고정 장치 및 기타 일반적인 제조 툴을 만드는 더 빠르고 저렴한 방법으로 이 기술을 사용해 왔습니다. 그러나 일부 제조업체의 경우, 특히 요구 사항이 높은 툴링 응용 분야의 경우 금속 대신 폴리머를 사용하는 것은 고려 대상조차 아닙니다. 이는 일반적으로 폴리머 AM의 기능에 대한 인식 부족에서 비롯됩니다. 그러나 Northrop Grumman은 폴리머 적층 기술이 특히 신속한 개발 노력에 있어 금속에 대한 효과적인 대안이 될 수 있다는 확신을 내비치며 남들과는 다른 길을 택했습니다.
2023년 SMART Demo에서 첨가제를 사용하기 위한 필수 요건은 적합한 적용 특성을 가진 소재를 찾는 것이었습니다. 로켓 모터 몰드 툴링은 추진제 및 세척 용제와 호환되어야 했습니다. 또한 추진제를 치명적으로 발화시킬 수 있는 정전기 축적 및 우발적인 방전을 방지하기 위해 전기적으로 접지해야 합니다.
이러한 요구 사항을 충족하는 AM 소재로는 정전기 방전 안전 ABS 플라스틱인 ABS-ESD7™과 우수한 내화학성 ESD 특성을 갖춘 고강도 PEKK 기반 폴리머인 Antero® 840CN03으로 귀결되었습니다. "우리는 Antero로 선택지를 좁혔습니다. Antero를 선택한 이유는 기계적 특성과 용제에 대한 저항성 때문이었습니다. 우리는 용제로 코어와 툴링을 청소합니다. (Antero는) 뛰어난 저항성을 보였습니다."라고 Smaellie는 말합니다.
Antero의 ESD 특성은 또 다른 중요한 이점을 제공했습니다. "우리의 많은 공정은 금속 대 금속 접촉 또는 절연체의 전도성 문제를 통해 스파크를 방지하는 데 맞춰져 있습니다"라고 Smaellie는 말합니다. "우리는 내부 안전 문서를 참고하여 스파크가 발생하지 않는 전도성 소재를 찾아야 하는데, Antero가 바로 그 요건을 충족합니다. 재료 특성은 안전을 위해 매력적이었습니다"라고 Smaellie는 덧붙입니다.
툴링 크기는 Northrop Grumman 엔지니어가 처리해야 하는 또 다른 문제였습니다. 로켓 모터의 코어 디자인 길이는 대략 3미터였습니다. 코어의 금형 툴을 만들려면 여러 개의 큰 조각으로 프린팅해야 했습니다. 이를 위해서는 각각의 큰 섹션을 제작할 수 있는 충분한 부피의 3D 프린터가 필요했습니다. 결국 Northrop Grumman은 회사의 Stratasys F900 프린터에서 코어를 네 부분으로 나누어 인쇄했습니다. Smaellie에 따르면 F900의 장점은 "큰 빌드 볼륨과 정확도"였습니다. 프린트 신뢰도 역시 고려해야 했는데, 각 섹션의 빌드 시간이 길었기 때문입니다.
기존의 금속 툴링을 사용하지 않고 프린팅을 하면 무게를 줄일 수 있다는 점도 장점입니다. 맞춤형 충전재(단단하지 않은 벌집 모양의 내부 구조)로 인쇄하면 무게를 최소화하면서 필요한 구조적 무결성을 제공할 수 있습니다. 3D 프린팅의 높은 디자인 자유도 덕분에 내장형 작업 고정 장치를 통해 코어 섹션의 접합 면에 필요한 인쇄 후 가공을 지원할 수도 있었습니다.
Northrop Grumman의 2023 SMART Demo 경험이 다른 AM 사용자에게 주는 시사점이 있다면 폴리머 적층 가공 툴링의 지평이 넓어지고 그에 따른 투자 회수가 유리해졌다는 점입니다. ESD 기능이 있는 Antero 소재는 처음에 우주선 부품용으로 개발되었지만, Chase Smaellie와 Northrop Grumman 팀은 툴링 응용 분야에 대한 잠재력을 인식했습니다. 그 결과 리드 타임이 크게 단축되어 훨씬 짧은 시간 내에 새로운 로켓 모터를 생산할 수 있었습니다. 그리고 '정해진 틀을 깨는' 창의적인 접근 방식은 계속해서 성과를 내고 있으며, 팀원들은 후속 연례 SMART Demonstrator에서 더 많은 것을 얻어갈 수 있다는 것을 알고 있습니다.
금속 대신 폴리머를 사용하는 것은 부품의 구조적 요구 사항에 달려있습니다. 그러나 고성능 폴리머 소재의 가용성은 비용과 시간이 많이 소요되는 다축 금속 가공 공정을 피할 수 있는 기회를 제공합니다. "3D 프린팅이 진가를 발휘할 수 있는 분야는 대형 단조품과 복잡한 5축 기계 부품을 Antero로 대체할 수 있을 때입니다"라고 Smaellie는 말합니다. "우리는 Antero로 만들고 있는 다른 부품뿐만 아니라 미래의 핵심 부품에서도 이를 확인하고 있습니다. 바로 여기에서 우리는 이러한 부품에 대한 초기 비용 절약과 빠른 속도, 장기적인 가치 등을 확인할 수 있습니다"라고 Smaellie는 덧붙입니다.
복잡한 공급망에서 발생할 수 있는 모든 문제를 해결할 수 있는 방법은 없습니다. 해결책은 원인만큼 다양할 수 있습니다. 그러나 적층 제조는 특히 툴링의 경우 리드 타임 지연을 크게 줄일 수 있다는 사실이 입증되었습니다. 또한 Antero와 같은 고성능 특수 폴리머를 사용할 수 있을 경우 고유한 툴링 활용이 가능해집니다.
그러나 결국 가장 중요한 것은 적층 기술이 제공하는 비즈니스 기회입니다. Chase Smaellie는 AM이 제공하는 개발 주기가 짧다는 이점을 강조합니다. "고객의 배송 및 결제, 기한 및 의무 준수, 그리고 이것이 비즈니스에 미치는 영향을 살펴보는 것은 매우 중요합니다." 그는 계속해서 "우리가 마감일을 준수하고 새로운 프로세스를 사용하여 더 빠르게 진행하면 금액을 절약할 수 있습니다. SMART Demo 프로젝트를 위해 1년 동안 모터를 주조하고 발사하는 것만으로도 우리 회사에 기회의 문이 열렸습니다."
