큰 부품, 큰 에너지 목표

적층 가공(AM)은 풍력, 원자력, 수력 발전 장비용 초대형 부품 생산을 촉진해야 하는 미국의 청정 에너지 부문에 바람을 불어넣을 수 있는 새로운 접근 방식을 제공합니다.

공격적인 재생에너지 목표는 청정에너지 시장을 확대하고 있지만 현재 수요는 국내 제조 능력을 능가합니다.

미국이 2050년까지 풍력 에너지를 통해 전력 수요의 35%를 충족하려고 함에 따라 이러한 격차를 해소하는 것이 새로운 시급성이 되었습니다. 이는 오늘날 풍력이 기여하는 것의 3.5배가 넘는 수치입니다.

이 어려운 공급망 문제를 해결하려면 현재 존재하지 않는 기능이 필요하며, 작고 복잡한 부품에 가장 흔히 고려되는 AM 기술은 이러한 대규모 금속 부품에 대한 미국 제조 잠재력을 여는 열쇠가 될 수 있습니다. 풍력 터빈에서 이를 현실화하려면 AM 금속 증착 속도를 높이고 인쇄 재료 비용을 줄이기 위한 더 많은 진전이 필요합니다.

10톤이 넘는 강철 주물과 같은 산업 규모의 주물은 로터 허브, 베드 플레이트, 지지 프레임 등 풍력 터빈 부품의 생산 규모를 확대하는 데 있어 관문입니다. 업계가 해상 풍력 터빈으로 계속 확장함에 따라 그 규모는 방대하고 크기와 무게 모두에서 증가하고 있습니다.

모래 주조 대형 금속 부품과 관련된 인건비로 인해 미국 제조업체는 몇 년 전부터 외국 소스에서 부품을 구매하기 시작했습니다.

해상풍력에 필요한 더 큰 부품을 처리할 수 있는 미국 파운드리 단 한 곳만이 남아 있으며, 이를 최종 형태로 가공할 수 있는 미국의 역량은 제한되어 있습니다. 현재 중요한 대형 금속 부품을 조달하는 데 소요되는 리드타임은 6개월에서 1년 이상입니다. 해외에서 배송하면 비용이 많이 들고 속도가 느릴 뿐만 아니라 큰 탄소 배출량이 발생합니다. 외국 부품에 대한 의존도는 미국 풍력 에너지 공급망에 단일 실패 지점이 발생할 가능성을 만듭니다.

대안은 이러한 대형 부품을 적층 가공한 다음 컴퓨터화된 제조 소프트웨어에 의해 안내되는 자동화된 공작 기계를 사용하여 마무리하는 것입니다. 이점은 분명합니다. AM은 기존 주조보다 더 많은 설계 유연성과 복잡성을 제공하며, 3D 프린팅을 통한 토폴로지 최적화 전략은 상당한 무게 감소를 제공할 수 있습니다.

다축 프린터는 부품을 회전시켜 다양한 부분을 인쇄하고 다양한 각도에 도달할 수 있으므로 과거에 설계가 제한되었던 중력 왜곡 문제를 피할 수 있습니다. 다축 평면외 인쇄와 여러 로봇 증착 헤드를 결합하면 생산할 수 있는 형상의 범위가 극적으로 확장됩니다.

기존 주조와 달리 이러한 유형의 3D 프린팅을 사용하면 격자 구조, 통합 유압 라인 및 전선 경로와 같은 복잡한 내부 기능을 생성할 수 있습니다. 또한 동일한 물체에 대해 동시에 작업하는 여러 시스템 간의 제작을 분할하여 인쇄 시간을 단축합니다.

ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 에너지부의 MDF(제조 시연 시설)에 있는 MedUSA라는 AM 시스템은 각각 6개의 이동 자유도를 갖춘 3대의 로봇을 활용합니다.

MedUSA는 시간당 54파운드 이상의 금속을 프린트하거나 동시에 다양한 재료를 프린트할 수 있습니다. 생산되는 부품에는 전통적으로 제조된 부품에 비해 최소한의 맞춤형 툴링이 필요하지만 일반적으로 마무리 작업이 여전히 필요합니다.

MedUSA와 협력하여 정확한 설계 공차에 맞게 인쇄된 부품을 마무리하기 위해 대형 공작 기계가 곧 설치될 예정입니다. 대형 부품에 대해 이러한 기능 조합을 제공할 수 있는 시설은 전 세계적으로 거의 없습니다. 대부분의 공정이 자동화되어 있기 때문에 인건비가 기존 주조보다 훨씬 저렴합니다.

ORNL 연구원인 Joshua Vaughan은 "우리 연구에서는 금속 마감 단계와 적층 제조를 결합하여 효율적인 방식으로 함께 작업하는 방법을 조사하고 있습니다."라고 말했습니다. "최종 응용 분야에 맞게 쉽게 완성되도록 부품을 인쇄하는 방법은 무엇이며, 이것이 제공하는 이점은 무엇입니까?"