AMGTA, 최초 위탁 연구 논문 공개

항공기 엔진 브래킷의 수명 주기 분석에서 AM을 통한 경량화의 중요성 강조

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Additive Manufacturer Green Trade Association

2023-04-12 11:35

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로체스터, 뉴욕--(Business Wire / 뉴스와이어)--지속 가능한 적층제조 산업 관행을 개발하고 촉진하는 데 집중하는 글로벌 옹호 단체인 적층제조 녹색무역협회(Additive Manufacturer Green Trade Association, “AMGTA”)가 오늘 첫 번째 독립 연구 논문을 발표했다.

논문 제목은 ‘2가지 제조 방법에 의한 저압 터빈(LPT) 브래킷의 비교 LCA’다. AMGTA가 의뢰하고 로체스터 공과대학교의 골리사노 지속 가능성 연구소가 작성한 이 논문은 수명 주기 평가(“LCA”)를 통해 상업용 항공우주 저압 터빈 브래킷을 분석해 (i) 브래킷의 레이저 파우더 베드 퓨전(“LPBF”) 적층제조(“AM”)와 전통적인 제조의 제조 영향 비교 및 (ii) 항공기 수명 기간에 브래킷의 50% 이상 중량 감소의 영향, 두 가지 항목을 모두 평가했다. 어떤 제조 방법이 더 많은 에너지를 사용하는지에 대한 비교의 최종 결과는 결정적이지 않았지만, 상업용 항공기 엔진 및 기체 경량화가 탄소 배출에 미치는 극적인 영향은 확인할 수 있었다.

LCA의 주요 내용은 다음과 같다.

· 제조 방법에 대해 결정적이지 않음: 세 가지 별도의 방법론을 사용한 LCA는 어떤 제조 방법(전통적 또는 적층적)이 더 많은 에너지를 사용하는지 결론 내리지 못했다. 전체적으로 이 중립적 결과는 기존 방법에 비해 LPBF 제조에 더 많은 에너지가 사용된다고 보고한 이전 연구에 대해 향상된 부분을 나타낸다.

· 에너지 혼합의 중요성: 해당 연구에서 생산의 지속 가능성을 결정하는 가장 큰 요인은 발전 위치에서 제조 시설의 에너지 혼합 및 해당 에너지 그리드가 지속 가능한 수단을 사용해 생산됐는지를 밝혔다.

· 항공기 경량화에 큰 영향을 미침: 이 연구는 AM 설계를 통한 항공기 구성 요소의 경량화가 항공기 수명 기간에 탄소 배출량을 극적으로 감소한다는 사실을 매우 명확하게 보여주었다. 중량이 1kg 감소할 때마다 1만3376kg이 감소하는 것으로 나타났다.

· 전반적으로 AM은 보다 지속 가능한 부품 생산: 경량화의 영향은 AM으로 생산된 부품이 기존 방식으로 설계 및 제조된 부품보다 더 지속 가능함을 결정하는 가장 중요한 요소였다.

AMGTA의 전무 이사인 셰리 먼로(Sherri Monroe)는 “최초로 동료 심사를 거친 이 LCA의 발표는 AMGTA의 이정표를 나타낸다”며 “업계 최초로 우리는 전통적인 방식과 비교할 때 적층제조에서 설계의 중요성을 보여주는 구체적인 결과를 발표할 수 있다. 이 연구는 AM이 향후 항공기 및 엔진 설계에 미칠 수 있는 매우 실질적인 영향과 다른 산업 및 프로그램에서 유사한 전략을 사용할 수 있는 가능성을 보여준다”고 말했다.

2년에 걸친 이번 연구는 ReCiPe 2016 버전 1.1 중간점 방법, 누적 에너지 수요 v1.11, 기후 변화에 관한 정부 간 패널의 IPCC 2021 GWP100 방법을 포함한 세 가지 LCA 방법론을 사용해 두 브래킷을 분석했다. 세 가지 방법 중 두 개는 엄격하게 제조적 관점에서 전통적인 브래킷이 생산하는 데 더 적은 에너지가 필요하다고 나타낸 반면, 한 가지 방법은 AM 버전이 더 적은 이산화탄소를 배출함을 나타냈다. 모든 경우에서 기본 전기 그리드의 에너지 혼합이 제조 프로세스의 지속 가능성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다. LCA는 ISO 14040:2006(E)에 따라 수행됐으며 어스시프트 글로벌(EarthShift Global)의 동료 심사를 거쳤다.

보잉 767 항공기에 동력을 공급하는 2개의 GE Aviation CF6-80C2B6F 터빈 엔진 각각에 있는 12개의 브래킷 중 하나인 기본 브래킷은 엔진의 저압 터빈 모듈의 외부 케이스에 연료 매니폴드를 고정한다. 이를 AMGTA에서 선택한 이유는 쉽게 접근하고 찾을 수 있는 비교적 간단한 부품이기 때문이다. 브래킷의 적층 설계 및 제조는 플로리다 할리우드에 위치한 신타비아(Sintavia, LLC)에서 수행했으며 Höganäs AB Inconel 718 파우더를 사용해 EOS GmbH M290 프린터에서 인쇄했다. 전통적인 부품은 CNC 프로세스를 사용해 테네시에 기반한 기계 공장에서 제조됐다. 최적화된 AM 브래킷은 원래 버전보다 50% 이상 또는 0.063kg 더 가벼워졌다. 신타비아에 따르면 최적화된 브래킷은 무게 감소에도 불구하고 피로 수명이 증가해 기계적 특성 면에서 기존 브래킷의 성능을 능가했다.

LPT 브래킷의 선택은 경량화가 항공기 엔진에서 어떻게 작용할 수 있는지에 대한 간단한 데모를 제공했다. AMGTA는 현재 LCA에 구현된 결과를 다양한 기계 시스템의 기체 제작자 및 엔진 제조업체가 훨씬 더 광범위하게 채택할 수 있을 것으로 믿는다. 또한 적층 설계 기술을 사용한 운송수단의 경량화 방법은 LPBF AM에만 국한되지 않는다. 다른 적층 기술(바인더 분사, 방향성 에너지 증착 및 폴리머 인쇄 포함)도 유사하게 차량, 항공기 및 선박의 초과 중량을 감소할 수 있다.

신타비아의 CEO 겸 AMGTA 의장인 브라이언 네프(Brian Neff)는 “이 연구는 AM 기술을 통해 더욱 가벼워진 최적화된 부품 및 구성품을 개발하기 위해 AM 사용의 중요성을 강조한다”며 “현재 실행 가능한 다른 상용 기술은 탄소 배출에 즉각적인 영향을 미치지 않는다. AM을 통해 항공기 부품을 가볍게 해 탄소 배출을 현저히 감소할 수 있으며, 독립적으로 검증되고 상호 심사된 데이터가 이를 증명한다. 보잉(Boeing), GE 및 업계의 모든 OEM과 협력해 기존 플랫폼과 향후 플랫폼에서 AM의 지속 가능한 잠재력을 발휘할 수 있기를 기대한다”라고 말했다.

또한 셰리 몬로는 다음과 같이 덧붙였다. “연구의 두 단계인 생산과 사용은 이 특정 브래킷, 항공기 또는 제조 부문을 훨씬 뛰어넘는 의미가 있다. 생산 중 환경적 영향의 무시할 수 있는 차이는 주문형 생산의 이점(원할 때, 원하는 곳에서, 원하는 방식으로)과 결합해 더욱 탄력적이고 효율적이며 지속 가능한 공급망을 제공한다. 이는 제조 생태계가 보다 지속 가능한 솔루션을 제공하는 데 중요한 의미가 있다.

이번 연구는 항공기 엔진 및 기체 제조에 즉시 적용될 수 있지만, 해당 결과는 사용 단계에서 기계 시스템, 좌석, 서비스 카트, 조리실 등 잠재적으로 경량화될 수 있는 항공기의 모든 부분으로 확장된다. 이는 항공기를 훨씬 뛰어넘어 엔진이나 모터(차량, 선박, 기차, 로봇)로 움직이는 모든 분야로 확대되며, 에너지 수요를 감안했을 때 항공우주 분야에서 가장 크고 확연하며 즉각적인 혜택을 받는다.

AMGTA는 올해 독립 연구 보고서를 추가로 발표할 예정이다. LCA에 대한 자세한 정보는 AMGTA 웹사이트(www.amgta.org)에서 확인할 수 있다.

AMGTA 소개

AMGTA는 2019년 세계 경제 전반에서 적층제조의 환경적 이점을 더 잘 이해하고 홍보하기 위해 출범했다. AMGTA 회원은 설계 및 원자재에서 최종 제품 및 사용자에 이르기까지 전체 제조 스펙트럼을 대표하며 최상의 적층 관행을 통해 더 우수하고 지속 가능하며 재정적으로 이로운 제품을 혁신하는 데 주력한다. 자세한 정보는 담당자인 셰리 몬로에게 문의하거나 www.amgta.org 를 방문해 확인할 수 있다.

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웹사이트: https://amgta.org/

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