한국항공우주연구원

금속 3D 프린팅 기술이 RF 필터의 프로토타입 제작에 사용됨으로써 비용과 무게를 줄일 수 있게 되어 통신위성의 성능을 제고할 수 있게 되었다. ESA 연구의 축적을 통하여 영국의 Airbus D&S는 프로토타입 3D 프린팅 RF 필터를 개발했으며 엄격한 우주환경 시험을 거쳐 우주급 부품임을 검증하였다.​

RF 도파관 필터는 우주시대의 초창기부터 우주통신의 핵심기술에 해당한다. RF 필터는 무수히 많은 무선 신호들 가운데 선택된 채널을 통과시키고 그 외 주파수를 차단하는 역할을 한다. 보통 통신위성은 수백개의 RF 필터를 가지고 있으며 이들 필터는 다중 신호빔을 사용할 수 있도록 특정 주파수에서 동작할 수 있게 내부 통로가 복잡하게 구성되어 있다. ESA의 기초기술연구 프로그램은 금속 3D 프린터가 RF 장비에 적용되는 R&D프로젝트를 지원해왔다. 2015년에 시작된 이 프로젝트는 Airbus D&S가 벨기에 3D system社의 금속 3D 프린터를 이용하여 후속연구를 진행할 정도로 충분히 좋은 결과를 보였다. 기존의 금속 도파관 RF 필터는 성능보다는 제작성을 염두에 두어 두 개의 세그먼트로 제작 및 조립되었으나 3D 프린터로는 레이어로 적층된 하나의 파트로 만들어진다.​

ESA(유럽우주국)의 microwave 엔지니어 César Miquel España 는 이 새로운 기술은 설계 자유와 한계에 대하여 패러다임 수준의 변화를 가져왔으며 3D 프린터의 혁신은 Airbus D&S가 한 것처럼 설계자가 틀에 갇힌 생각에서 벗어나야 한다고 밝혔다. Airbus D&S의 RF 엔지니어 Paul Booth는 3D 프린터로 가능해진 일체 구조 설계의 최대 이점은 무게와 비용 그리고 시간으로 일체구조로 인해 더 이상 고정 부품이 필요 없으므로 무게가 줄어든다고 하였으며, 3D 프린터로는 내부와 외부의 윤곽이 거의 동일하므로 꼭 필요한 금속만이 사용되어 비용절감이 가능하며 비용과 시간의 이점은 조립과 후공정 감소에 따른다고 덧붙였다. 3D 프린팅 공정은 금속 분말이 레이저에 의해 녹는 과정을 거친다. 여기에서 해결해야 할 과제는 충분히 매끄러운 표면으로 마무리하는 것이다. 미세 형상은 기계가공파트와 3D 프린팅 파트가 다르며 기계 가공된 표면은 날카롭게 처리되는 반면 3D 프린팅 표면은 녹아 만들어져 덜 날카롭다고 Paul은 설명한다.

금속 3D 프린팅에 사용된 구형 분말입자는 급격한 전환보다는 일정한 물결성을 보여 준다. 하지만 효과적인 신호 필터링을 형성하는 능력은 표면형상에 대한 모든 우려를 극복하게 한다고 3D Systems社의 Koen Huybrechts는 밝혔다. 3종의 알류미늄 부품은 각기 다른 후속 공정으로 3D 프린팅된 후, 진동, 진공 및 극한 온도조건에서 우주환경시험을 거쳤으며 3개 모두가 요구되는 성능을 충족시키거나 초과했으며, 최고의 성능은 전기 분해를 사용하여 은도금 처리된 필터이다. 테스트 결과는 신속한 처리 시간, 생산비용 절감 및 50% 무게를 절감하여 미래 우주 프로젝트에서 사용될 가능성을 보여줬으며 후속 RF 필터 설계에서의 다양한 기능 및 구성요소의 통합을 포한한 설계의 최적화를 통하여 추가 중량 감소가 예상되고 있다.

ESA의 microwave 엔지니어 Petronilo Martin Iglesias는 미래의 도파관 RF 부품을 실제로 최적화하기 위해서는 여러 분야의 팀이 작업을 해야 한다. 즉, 재료 엔지니어, RF 엔지니어, 열 및 기계 엔지니어와 3D 프린팅 전문가가 차세대 컴퓨터 설계툴을 이용하여 3D 프린터가 열게 될 새로운 접근법을 함께 연구해야 한다고 하였다.

※ 이 글은 아래 링크의 기사를 참조하여 작성하였습니다.
http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Metal_3D-printed_waveguides_proven_for_telecom_satellites​