3D Printing and Structure Anlaysis of the Submarine Mast Cover

잠수함 마스트 커버의 구조해석 및 3D 프린팅

Abstract

In this study, the mast cover of submarine was reverse engineered and structural analysis was performed. In order to print with the 3D printer, the modeling was reduced to 1/5 size by applying geometric similarity. From the structural analysis results, it was found that the maximum value of equivalent stress generated in the mast cover was 180.9 MPa. This stress value occurs on the inner surface in the major axis. As a result of applying the load condition at a diving depth of 600 m, the mast cover is in a completely elastic state. The 1/5 size model printed on FDM 3D printer with PLA filament was the same as the reverse engineered modeling and it was printed in a perfect shape with no apparent defects. The 1/5 size model printed on PBF 3D printer with SUS316L powder was perfectly manufactured with no apparent defects.

1. 서 론

방위산업은 꾸준한 성장을 이루고 있으며, 국내 및 국제 시장에서 경쟁력 있는 제품을 생산하고 있다. 그러나 전투기, 군함, 잠수함과 같은 특수한 군사 장비에 필요한 일부 부품은 아직도 수입에 의존하고 있다 [1,2]. 군함, 잠수함, 해양 플랜트에 사용되는 초대형 부품들은 전량 수입에 의존하고 있다. 잠수함의 마스트 커버 (Mast cover)는 마스트 세트의 기계 및 전기적 부품을 보호하는 역할을 한다. 잠수함의 잠항 깊이는 약 300~600 m 이므로 60 bar의 내압에 견고해야 하며, 마스트 커버로 사용되는 소재는 내식성이 우수해야 한다 [3,4].

잠수함 마스트 커버는 타원인 기둥 형태이며, 대형 사이즈이다. 마스트 세트를 보호해야 하므로 내부는 빈 공간으로 이루어져 있다. 이러한 잠수함 마스트 커버의 제작 방법은 내식성이 우수한 니알브론즈 (Ni-Al-Cu) 합금으로 주조 공정을 통해 제작하고 있다. 또 다른 제작방법으로는 현재 전 세계적으로 각광받고 있는 금속 적층 제조 (Additive manufacturing) 방법이다. 금속 적층 제조 기술은 매우 복잡한 형상을 단일 공정으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 설계에 제한이 없어 형상의 효율을 극대화할 수 있다 [5].

본 연구에서는 수입되고 있는 잠수함 마스트 커버를 국산화하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 수입품 마스트 커버를 역설계하였으며, 잠항 깊이 600 m인 조건을 적용하여 구조해석을 진행하였다. 마스트 커버는 대형 사이즈이므로 3D 프린터로는 실물 사이즈를 출력할 수 없다. 그러므로 기하학적 상사법칙(Geometric similitude)을 적용하여 1/5 사이즈로 축소된 모델링을 출력하였다. Fused Deposition Modeling (FDM) 3D 프린터를 활용하여 Polylactic Acid 소재의 Prototype을 출력하였다. 그리고 Powder Bed Fusion (PBF) 3D프린터를 이용하여 SUS316L 소재의 마스트 커버를 출력하였다.

2. 역설계 및 구조해석

잠수함 마스트 커버의 역설계를 진행하였다. 3차원 스캔 작업을 수행한 후, 스캔 데이터로 부터 3차원 모델링 작업을 수행하였다. Fig. 1은 역설계된 마 스트 커버의 형상 모델링이다. 마스트 커버는 튜브 형상으로서 축방향 길이는 1073.3 mm이며, 타원의 장축 및 단축 길이는 각각 334.7 mm, 259.7 mm이 다. 마스트 커버의 체적은 24,148,804.3 mm3이다.

마스트 세트는 잠수함에서 외팔보 형태로 설치되어있으므로 잠항 시에는 가장 취약한 상태에 놓이게 된다. 잠수함의 잠항 깊이가 깊어질수록 잠수함이 받는 외압의 크기도 선형적으로 증가하게 된다. 잠항의 깊이가 600 m인 상태에서는 마스트에 약 60 bar의 외압이 작용하게 된다. 그러므로 주요 구성품을 보호하는 마스트 커버는 구조적인 안전성을 가져야한다.

ANSYS Workbench를 이용하여 역설계된 마스트 커버의 구조해석을 수행하였다. 마스트 커버는 내식성 및 강도가 우수한 니알브론즈 (Ni-Al-Cu) 합금으로 제작된다. MatWeb 사이트에서 제공되는 니알브론즈 합금의 물성치를 해석에 활용하였다 [6]. ANSYS Engineering data에서 new material 를 생성하여 해석에 필요한 주요 데이터를 입력하였다. 밀도는 7.58 g/cm3이며, 탄성계수 및 프아송비는 각각 115 GPa, 0.328이다.

Fig. 1 3D shape of the submarine mast cover

마스트 커버는 장축 및 단축 방향 모두 대칭 형상이다. 그러므로 장축 방향으로 절반을 절단하여 대칭조건으로 해석을 진행하였다. Mesh 생성은 Face meshing 및 Refinement meshing 옵션을 적용하였다. 생성된 mesh 개수는 152,964개이 며, 절점 개수는 249,091개이다. 경계조건 중 구속조건은 마스트 커버의 하단부 볼트 구멍이 완전히 지지되는 Fixed support 조건을 설정하였으며, 하중조건은 마스트 커버에 60 bar의 외압이 작용하는 조건을 부가하였다.

Fig. 2는 마스트 커버에 작용하는 Equivalent stress에 대한 해석결과를 나타낸다. 마스트 커버 내부(Inside)에서 Equivalent stress는 단축 방향이 65.0 MPa이며, 장축 방향은 180.8 MPa로서 상대적으로 값이 크다. 외부(Outside)에서 Equivalent stress는 단축 방향이 109.0 MPa이며, 장축 방향은 89 MPa이다. 내부는 장축 방향이 단축 방향보다 Equivalent stress가 크지만, 외부는 반대이다.

Fig. 2 Structure analysis – Equivalent stress in mast cover

장축과 단축 방향으로 두께에 따른 위치별 Equivalent stress 값을 확인하고자 장축 및 단축의 두께 방향으로 path를 각각 설정하였다. Fig. 3(a)는 장축의 두께를 x축으로 설정하고 y축을 Equivalent stress로 설정한 그래프이다. 장축의 외부는 90.8 MPa이 , 내부로 들어갈수록 Equivalent stress 값이 감소하다가 내부에 가까워지면서 다시 값이 증가한다. 내부에서는 Equivalent stress가 가장 높은 180.9 MPa이다. Fig. 3(b)는 단축의 두께를 x축으로 설정하고 y축을 Equivalent stress로 설정한 그래프이다. 단축의 외부는 106.8 MPa로서 가장 높으며, 장축과 동일하게 내부로 들어갈수록 Equivalent stress 값이 감소하다가 다시 값이 증가한다. 단축의 내부는 56.9 MPa이다.

Fig. 3 Equivalent stress toward thickness in mast cover

니알브론즈 합금의 항복강도가 약 330~380 MPa이므로 구조해석 결과로부터 잠수함이 600 m로 잠함하더라도 마스트 커버는 완전한 탄성상 태에 있다는 것을 알 수 있다.

3. 실험 조건

3.1 3D 프린팅 출력을 위한 형상 축소

잠수함에 장착되는 마스트 커버는 높이가 1073.3 mm인 대형 부품이다. 일반적으로 3D 프린터로 제작이 가능한 부피는 베드 크기가 300 mm x 300 mm, 높이는 500 mm 정도이다. 대형의 마스트 커버를 3D 프린터로 제작하기 위해 기하학적 상사법칙을 적용하였다. 기하학적 상사가 성립되 기 위해서는 실물과 모형 사이의 대응하는 모든 길이의 비가 일정해야 한다. 그 결과로 대응하는 면적 및 부피의 비는 길이의 제곱 및 세제곱에 따 라 각각 변화한다. 기하학적 상사법칙을 적용하여 1:5 scale로 마스트 커버의 사이즈를 축소하였다. Fig. 4는 실물 크기와 1/5 사이즈로 축소된 모델 을 나타낸다. 1/5 사이즈로 축소된 마스트 커버의 부피는 1/125로 줄어들었으며, 축소된 부피는 193,355 mm3이다.

Fig. 4 Prototype and model for mast cover

3.2 FDM 3D 프린터의 출력 조건

RAISE 3D 사의 Pro 2 series 장비를 활용하였 다. FDM은 열가소성 플라스틱(필라멘트)을 노즐 안에서 반용융 상태로 가열한 후 압출하여 얇은 필름 형태로 층층이 적층하는 방식이다. FDM 3D 프린터에 사용되는 대표적인 필라멘트는 PP, PA, PLA, PAHT CF15 등이 있다. 이 중 PLA 필라멘 트는 다른 열가소성 필라멘트에 비해 비교적 낮은 용융점을 가지고 있다. 또한, 높은 인쇄 성능을 제공하므로 FDM 3D 프린터에 적합하다. Polylactic Acid (PLA) 필라멘트를 출력 작업을 활용하였다.

Table 1은 1/5 사이즈 모델을 출력하기 위한 최적의 FDM 3D 프린팅 조건이다. 잠수함 마스트 커버는 전체적으로 타원기둥 형상을 가진다. 바닥 부분은 원의 형상이고, 축 방향으로 올라갈수록 타원의 형상을 띄고 있다. 원과 타원의 경계를 이 루는 부분은 곡면이므로 형상 난이도가 높은 편에 속한다. 따라서, 결함이 없는 매끄러운 곡면을 출 력하고자 노즐 및 베드 온도를 각각 205 ℃, 60 ℃로 설정하였으며, 채움 속도는 80 mm/s로 설 정하였다. 노즐의 직경은 Ø0.4 mm로 출력 작업 을 진행하였다.

Table 1. Process parameters of FDM 3D printer

3.3 PBF 3D 프린터의 출력 조건

3D SYSTEMS 사의 Direct Metal Printer (DMP) Flex 350 장비를 활용하였다. PBF는 금속 분말을 전자 빔 또는 레이저와 같은 열에너지를 이용하여 소결하는 3D 프린팅 기술로써, 고온 고 압에서 진행되기 때문에 높은 강도의 제품을 생산 할 수 있다. Table 2는 PBF 3D 프린터의 출력 조건이다. 레이저 파워는 0.215 kW를 적용하였 고, 스캔 속도 및 점프 속도는 각각 90 cm/s, 1,500 cm/s로 설정하였다.

Table 2. Process parameters of PBF

잠수함 마스트 커버는 니알브론즈 합금으로 제 작되고 있다. 현재, 구리 합금의 3D 프린터 분말 은 생산되지 않고 있다. 그래서 니알브론즈 합금과 밀도 값이 유사하며, 내식성도 우수한 SUS316L 금속 분말을 사용하였다. 분말의 입자 사이즈는 50~100 μm이다. SUS316L 소재는 우수한 기계적 성질, 가공성, 내열성, 용접성을 가진다. 금속 분말 은 SUS316L를 사용하였다.

3.4 분석 조건

디지털현미경을 활용하여 3D 프린터로 출력된 1/5 사이즈 모델의 주요부위를 확대 측정하였다. 상부, 하부, 중앙부분을 측정하였다.

비커스 경도기로 출력된 모델의 경도를 측정하였 다. 마이크로 비커스 경도 측정기(HM-100, Mitutoyo 사, Japan)를 사용하였다. 경도 측정을 위해 정육 면체(20 x 20 x 20)로 시편을 제작하였다. 시편마 다 평균 경도 값을 구하기 위해 5회씩 측정하였다. 측정 결과는 소수점 둘째 자리에서 반올림한 값을 사용하였다.

4. 실험 결과

4.1 FDM으로 출력된 1/5 사이즈 모델

Fig. 5는 FDM 3D 프린터에 PLA 필라멘트를 적 용하여 출력된 1/5 사이즈의 마스트 커버모델을 나타낸다. 출력에 소요된 시간은 약 11시간 정도이 다. 바닥 고정부로부터 마스트 커버 본체로 이어지 는 곡면을 포함하여, 마스트 세트를 보호하는 커버 의 내부 형상 또한 완벽하게 적층 된 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 FDM 3D 프린터로 출력된 1/5 사이 즈 모델의 위치별 확대 이미지를 나타낸다. 마스 트 커버를 이루고 있는 상부, 하부, 본체, 내부 형 상이 완벽하게 출력된 것을 확인할 수 있었다. 다 만, 마스트 커버의 볼트 홀(Bolt hole) 부분이 이 상적인 원의 형상으로 출력되지 않았다. FDM 3D 프린터는 물체를 여러 개의 얇은 수평 Layer로 나누고 각 Layer를 순차적으로 적층하여 전체 3D 모델을 완성하는 특징을 가지고 있다. 이러한 이 유로 인해 볼트 홀 부분에서 Layer가 생성된 것이다. FDM 3D 프린터의 PLA 소재로 출력된 모 델의 경도는 14.0 HV이다.

Fig. 5. 1:5 model printed by FDM 3D printer

Fig. 6 Enlarged image of 1:5 model printed by FDM

4.2 PBF로 출력된 1/5 사이즈 모델

Fig. 7은 PBF 3D 프린터로 출력된 1/5 사이즈의 모델을 나타낸다. 출력에 소요 된 시간은 약 15시간 정도이다. 출력된 모델은 외관상 어디에도 결함이 없는 완벽한 형상으로 적층 된 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 1:5 model printed by PBF 3D printer

Fig. 8 Enlarged image of 1:5 model printed by PBF

Fig. 8은 PBF 3D 프린터로 출력된 1/5 사이즈 모 델의 위치별 확대 이미지를 나타낸다. 바닥 원형에서 본체 타원형으로 이어지는 곡면의 형상이 완벽하게 적층이 이루어진 것을 확인할 수 있다. FDM으로 출 력된 모델의 볼트 홀과는 다르게 PBF로 출력된 모델은 볼트 홀에서는 원의 가까운 형상으로 적층이 되었다. 중앙부분은 다른 위치보다 상대적으로 표면이 매끄럽 다. 이러한 이유는 Support를 제거한 후 연삭 처리가 되었기 때문이다. PBF 3D 프린터의 SUS316L 분말 로 출력된 모델의 경도는 197.4 HV이다.

5. 결 론

본 연구에서는 잠수함의 마스트 커버를 역설계 하였으며, 안전성 검토를 위해 구조해석을 진행하 였다. 3D 프린터로 출력을 진행하기 위해 기하학 적 상사법칙을 적용하여 1/5 사이즈로 모델링을 축소하였다. 얻은 결과는 다음과 같다.

(1) 구조해석 결과로부터 마스트 커버에서 발생 되는 Equivalent stress의 최대 값이 180.9 MPa임을 알 수 있었다. 장축 방향의 내부 면에서 이 응력 값이 발생한다. 니알브론즈 합금의 항복강도 값 350 MPa를 적용하면 최소 안전계수 값은 1.93이다.

(2) PLA 필라멘트로 FDM 3D 프린터에서 출력 된 1/5 사이즈의 모델은 역설계된 모델링과 동일한 형태로서 외관상 결함이 없는 형상 으로 출력되었다. 마스트 커버의 볼트 구멍 은 원형으로 출력되지 않았다.

(3) SUS316L 금속 분말로 PBF 3D 프린터에서 출력된 1/5 사이즈의 모델은 외관상 결함이 확인되지 않는다. 볼트 구멍도 원형으로 출력 이 이루어졌다. 눈으로 확인되는 표면은 매 끄럽지만, 현미경으로 측정된 확대도는 다 소 거친 표면이다.

감사의 글

본 논문은 국방기술품질원의 방산혁신클러스터 지 원사업의 지원을 받아 수행된 연구임(DCL2020L). 본 과제(결과물)는 2023년도 교육부의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력 기반 지역혁신 사업의 결과입니다(2021RIS-003).