버지니아 주 단빌 — 유리 외관을 갖춘 새 건물이 이곳 버지니아 남부 시골 지역의 거의 비어 있는 산업 단지에 자리잡고 있습니다.

내부에는 증기도, 연기도, 그을음도 없습니다. 불꽃이 날지 않습니다. 뜨거운 금속을 붓지 않습니다. 모루에 망치를 두드리는 소리가 울리지 않습니다.

오히려 온통 하얗다. 흰색 바닥, 흰색 벽, 작은 금속 부품을 인쇄하고 마감할 때 백색 소음이 발생하는 흰색 기계입니다. 기존 공장에서 대량 생산하는 것과는 거리가 멀다. 잠수함 구성품.

그러나 미 해군 관계자는 이 건물, 즉 적층 제조 우수 센터가 잠수함 산업의 미래를 대표하며 아마도 컬럼비아급 탄도 미사일 잠수함과 버지니아급 공격 잠수함을 제때에 건조할 수 있는 미 해군의 유일한 길일 것이라고 말했습니다.

해군은 이미 배치된 동안 접근하기 어렵고 비용이 많이 드는 회로 덮개와 라디오 손잡이를 포함하여 해상 선박의 소형 수리 부품을 인쇄하기 위해 적층 제조를 사용했습니다. 그러나 내년까지 미국 잠수함 산업 기지의 작업량이 40년 만에 최고 수준으로 증가함에 따라 해군은 새로 건조되는 잠수함에 설치하기 위한 표준 구성 요소로 금속 부품을 3D 프린팅할 예정입니다.

현재까지 소규모 적층 제조 사용과 예상되는 기술에 대한 광범위한 의존 사이의 상당한 격차를 해소하기 위해 해군은 금속 적층 제조를 성숙시키기 위한 다양한 활동을 의뢰했으며 ​​버지니아주 댄빌이 그 중심에 있습니다. 노력.

그곳의 적층 가공 우수 센터(Additive Manufacturing Center of Excellence)는 기업이 금속 적층 가공을 할 수 있도록 지원함으로써 잠수함 부품 공급망을 확장하려고 합니다.

해군에는 이 기술을 작동시키라는 압력이 있습니다. 이미 서비스 확장 및 강화에 2.3억 달러 지출 잠수함 산업 기지를 건설하고 있으며 적층 제조가 이 지출의 XNUMX가지 중점 영역 중 하나이기 때문에 수십억 달러를 더 지출할 준비가 되어 있습니다.

해군 전무이사인 Matt Sermon은 "해군과 그 산업 기반이 향후 XNUMX년 동안 매년 컬럼비아급 잠수함 한 척과 버지니아급 잠수함 한 척을 건조할 가능성이 있다면 제조 능력은 필수적"이라고 말했습니다. 프로그램 집행 사무소 전략 잠수함.

전문가들은 이 계획에 위험이 없는 것은 아니라고 말한다.

"진전이 이루어지고 있지만 여전히 '이 재료로 이 부품을 만들면 필요한 것을 얻을 수 있습니다'라고 말할 수 있는 버튼식 기술은 아닙니다."라고 국립 표준 연구소(National Institute of Standards)를 이끄는 Kevin Jurrens는 말했습니다. 스마트 제조에 대한 기술의 작업.

도전의 깊이

해군은 1980년대 이후 볼 수 없었던 잠수함 건조율을 달성하려고 노력하고 있습니다. 탄도 미사일 잠수함 함대를 교체하는 동시에 현재 해군에 필요한 규모의 75%에 불과한 공격 잠수함 함대를 늘리고 있습니다.

그러나 이러한 잠수함에 기여하는 기업의 산업 기반은 70년대 이후 약 1980개 공급업체에서 17,000개로 5,000% 이상 감소했습니다. 그리고 작업량 증가가 상대적으로 빠르게 진행되고 있습니다.

2013년까지만 해도 해군은 매년 버지니아 잠수함 한 척을 건조하기 시작했습니다. 해군은 2026 회계연도부터 잠수함의 복잡성을 고려하여 매년 버지니아 XNUMX척과 훨씬 더 큰 컬럼비아 XNUMX척 등 XNUMX번의 작업을 수행할 계획입니다.

19년에 두 척의 버지니아 잠수함으로 점프하는 것만으로도 건설 라인이 이정표를 놓치게 되었고, 오늘날 일부 보트는 코로나2028 전염병으로 인해 예정보다 XNUMX년 이상 늦어지고 있습니다. 관련 물류 및 인력 문제로 인해 지연이 더욱 악화되었습니다. 해군은 이제 XNUMX 회계연도까지 정시 납품으로 복귀할 것으로 예상하고 있습니다.

그러나 미 공군은 우선순위가 높은 콜롬비아 잠수함이 예정보다 늦어질 수는 없다고 밝혔습니다.

전략 잠수함 프로그램 집행관이자 전체 잠수함-산업 기지 프로그램도 감독하는 Scott Pappano 소장은 해군이 힘든 전투에 직면해 있다고 말했습니다. 전체 작업량은 XNUMX배로 증가하지만 실제로 공급망에서 이미 취약한 주조와 같은 일부 부문에서는 XNUMX배의 증가를 가져옵니다.

주조, 즉 뜨거운 금속을 주형에 붓는 작업은 가장 어려운 분야 중 하나이며 금속 적층 가공으로 보완할 수 있습니다.

"우리는 제한된 시장 부문이 어디에 있는지 알고 있습니다."라고 Papano는 말했습니다.

해군 잠수함-산업 기지 프로그램 책임자인 휘트니 존스는 내부 모델에 따르면 산업계가 잠수함 건조율이 최고조에 달할 때 특정 금속 부품의 수요가 최대 6.4배 증가할 것으로 나타났다고 말했습니다.

산업 기반은 이미 이러한 금속 부품을 제작하고 있습니다. 현재 소위 순서에 중요한 재료 부품이 100개 이상 있습니다. 즉, 사용할 수 없는 경우 건설을 지연시키게 되며 평균 300일 이상 늦게 배송되지만 3D 프린팅이 가능합니다.

이러한 부품을 주조하는 대신 인쇄하면 각 부품을 만드는 데 소요되는 시간이 줄어들고 더 많은 회사에서 부품을 동시에 생산할 수 있어 공급업체와 조선소 수준 모두에서 지연이 줄어들거나 없어집니다.

Jones는 금속 적층 제조를 통해 이러한 금속 부품의 생산 능력을 15~20년 안에 90~XNUMX% 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 품질을 향상하고 생산 시간을 최대 XNUMX%까지 단축할 수 있다고 말했습니다.

플라스틱 3D 프린팅과 마찬가지로 금속 부품을 프린팅하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적이고 성숙한 방법은 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 녹이고, 층별로 디지털 모델을 기반으로 원하는 모양을 만듭니다.

Pappano는 3D 프린팅이 올바른 접근 방식이라고 말했습니다.

그는 전통적인 주물에 대해 “뜨거운 금속을 모래에 붓는다”고 말했습니다. “아주 중세풍이에요.”

그러나 적층 제조를 사용하면 “용접 풀 온도와 증착 속도를 제어할 수 있습니다. … 나는 그 증착을 모니터링할 수 있고, 물건을 만드는 동안 불일치를 찾을 수 있으며, 최종적으로는 비파괴 테스트를 수행하거나 품질을 입증하기 위해 파괴 테스트를 할 수 있습니다.

부품을 인쇄하는 방법

해군은 지난 XNUMX월 오하이오급 탄도미사일 잠수함 켄터키호에 새로운 환기 디퓨저를 설치했다. 공기 흐름을 유도하는 금속 통풍구 덮개인 이 다른 눈에 띄지 않는 부품은 잠수함에 설치된 최초의 인쇄된 금속 부품을 표시했습니다.

최근에는 해군이 워싱턴 주 뱅고르(Bangor)의 창고 유지 관리에 사용되는 또 다른 탄도 미사일 잠수함의 위생 시스템 밸브를 위해 3D 프린팅을 사용했습니다. 원래 제조업체는 폐업했고, 전통적인 공급 시스템을 통해 비슷한 부품을 얻으려면 XNUMX년이 걸렸을 것입니다.

대신 해군은 기존 밸브를 가져와 레이저 스캔하고 컴퓨터 지원 설계 시스템에서 부품을 역설계하고 다양한 방법을 사용하여 프로토타입을 인쇄하고 테스트한 다음 최종 가공 및 설치를 위해 최종 부품을 워싱턴으로 다시 전달했습니다.

배송 날짜가 2025년 2023월이 아닌 XNUMX년 XNUMX월에 부품을 설치할 준비가 되었습니다.

그러나 관계자들은 해군이 이러한 일회성 노력을 넘어 잠수함에 인쇄된 부품을 설계, 검증 및 설치하기 위한 작업을 확장해야 한다고 말했습니다.

Sermon은 Defense News에 일부 공급업체가 이 기술을 사용하는 것을 보고 자신의 사무실에서 적층 제조를 검토하기 시작했다고 말했습니다. 사무실은 지난 15년 동안 소규모 실험을 수행했으며 "[적층 가공]이 금속 성형 제조 산업 기반을 20% 또는 XNUMX% 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 반드시 나타내야 한다고 확신하게 되었습니다. 주조, 단조를 생각해 보세요. , 피팅, 패스너.”

현재 이 사무실은 잠수함을 만드는 데 필요한 15,000~20,000개의 개별 부품을 구성하는 75가지 특정 금속에 초점을 맞추고 있습니다. 해당 부품 목록에는 지연이나 기타 문제가 발생하기 쉬운 신축 및 서비스 유지를 위한 구성 요소의 50%가 포함됩니다. 실제로 이러한 금속 중 XNUMX개가 새로운 잠수함 건조를 괴롭히는 주조 지연의 XNUMX%를 차지합니다.

Danville의 노력과는 별개로 Newport News Shipbuilding은 최근 적층 제조 전문업체인 AMMCON Corp.과 협력하여 버지니아급 공격 잠수함 오클라호마와 생산 라인의 후속 보트에 설치할 구리-니켈 데크 배수구를 설계하고 인쇄한다고 발표했습니다. 인쇄된 부품을 공급망의 표준 품목으로 포함시키는 시작을 나타냅니다. 구리-니켈은 해군이 사용하는 주요 합금 중 하나입니다.

해군은 밸브, 환기 디퓨저 및 배수구 덮개와 같은 위험이 낮은 부품을 낮게 매달린 과일로 간주합니다. Sermon은 20D 프린팅을 고려하고 있는 부품 중 약 3%가 위험도가 낮은 것으로 간주되어 오늘부터 생산에 들어갈 수 있다고 언급했습니다.

그러나 Pappano는 해군이 선체의 무결성, 핵 관련 구성 요소 및 기타 중요한 부품과 관련된 구성 요소를 인쇄할 수 있도록 동시에 기술을 성숙시켜야 한다고 말했습니다.

주문형 인쇄

금속 제조 생산량을 대폭 확대하기 위해 해군은 버지니아 주 및 적층 제조 우수 센터(Additive Manufacturing Center of Excellence)의 업계 파트너와 협력하여 작업량을 관리하기 위한 인쇄 파트너 네트워크와 디지털 주문서를 만들고 있습니다.

먼저 팀은 부품을 프린팅하기 위한 기술 데이터 패키지 또는 "레시피"를 구축합니다. 팀원들은 최고의 부품을 만드는 프린터와 프로세스, 금속 합금의 조합을 완벽하게 만들기 위해 프로토타입을 제작하고 테스트하고 파괴합니다. 해당 유형의 부품에 가장 적합한 인쇄 프로세스를 결정한 후에는 기술 데이터 패키지를 마무리하고 해군의 인증을 구합니다.

현재까지 해군은 다양한 밸브, 브래킷, 핸들, 어댑터 등을 포함하여 28개 부품에 대한 레시피를 승인했습니다.

Danville 시설에서는 해당 부품을 대량 생산하지 않습니다. 대신, 그들은 성장하는 건축업자 네트워크로 파밍될 것입니다.

해군의 적층 가공 우수 센터(Additive Manufacturing Center of Excellence)를 이끄는 Austal USA Advanced Technologies의 총책임자인 Don Hairston은 XNUMX개 회사가 시설, 기계 및 직원을 이 네트워크의 일부로 인증받기 위해 광범위한 프로세스를 거쳤다고 말했습니다. 다음 분기에 XNUMX개가 더 "활성화"되거나 네트워크 가입 인증을 받을 예정이며 나머지 XNUMX개는 파이프라인에 있습니다.

궁극적으로 Hairston은 Defense News에 해군이 새로운 잠수함 건조를 위해 금속 부품을 인쇄하는 미국 내 50개 이상의 현장 네트워크를 구상하고 있다고 말했습니다. 영국과 호주에서도 더 많은 기여가 있을 수 있습니다. XNUMX자간 AUKUS 배열, 그는 덧붙였다.

Hairston은 센터에서 디지털 주문서라고 부르는 것이 부품 주문 프로세스를 자동화할 것이라고 말했습니다. 예를 들어, 해군이 200개의 3/8인치 볼 밸브를 주문하면 우수 센터에 있는 Hairston의 팀은 네트워크의 어느 공급업체가 해당 밸브의 레시피에 적합한 인쇄 공정과 금속을 보유하고 있는지 확인할 수 있습니다. 자격을 갖춘 공급업체 중에서 팀은 누가 해당 작업에 적합한지 확인할 수도 있습니다.

Hairston은 디지털 주문서는 작업 중이지만 2024년 말까지 출시될 예정이라고 말했습니다. 그때까지 해군은 네트워크에 15개의 인쇄 파트너와 승인된 기술을 갖춘 최소 150~200개의 부품을 보유해야 합니다. 데이터 패키지라고 그는 지적했다.

시간과의 경쟁

해군 잠수함 산업 기지 프로그램 책임자인 Jones에 따르면 해군은 가능한 한 빨리 이러한 부품의 대량 인쇄를 시작해야 합니다.

“XNUMX년에 컬럼비아 한 곳과 버지니아 두 곳을 방문해야 하는 날이 XNUMX년 남았습니다. 우리가 일정 수준의 위험을 공유하는 과감한 조치를 취하지 않는다면 우리가 그곳에 있어야 할 때 거기에 도달하지 못할 것입니다. , 이는 완전히 다른 종류의 위험을 초래합니다.”라고 그녀는 말했습니다.

그러나 기술 전문가들은 특히 잠수함 작업과 관련된 높은 기준을 고려할 때 기술이 아직 수준에 미치지 못한다고 주장합니다. NIST 사무실에서 첨단 제조 기술에 대한 품질 보증 노력을 안내하기 위한 표준을 개발하고 있는 Jurrens는 적층 제조에 대한 자격 및 인증이 여전히 중요한 장벽이라고 말했습니다.

오늘날 그는 적층 제조 회사가 재료, 프로세스, 기계 및 작업자의 자격을 검증한 다음 최종 부품을 인증해야 한다고 설명했습니다. 프린터를 사용하는 신입 직원과 같은 변경 사항이 있으면 자격 확인 프로세스가 다시 시작됩니다.

Jurrens는 “해당 자격을 갖춘 단계에 도달하는 것은 매우 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다.”라고 말했습니다. "시뮬레이션 및 기타 기술과 같은 것을 통해 가속화된 자격을 수행하기 위해 이러한 기능이 향상되고 있지만 최종 사용자, 이해관계자가 이에 의존하고 싶어하는 수준은 아닙니다."

최종 부품의 품질 보장에 관한 질문도 있습니다.

연구 개발 비영리 EWI의 적층 제조 수석 기술 리더인 Ron Aman은 주조 금속 부품에서 결함을 찾아 수정하기 위한 승인된 프로세스가 있지만 인쇄된 부품에서 이를 수행하는 방법에 대해서는 여전히 우려와 혼란이 있다고 말했습니다.

해군이 우수 센터에서 사용하고 있는 추세는 인쇄 과정을 모니터링하고 실시간으로 결함을 식별하기 위해 카메라, 센서 및 마이크를 설치하는 것입니다.

“우리는 두 부분을 만든 다음 [파괴 테스트에서] 한 부분을 깨뜨린 다음 '아, 다른 부분은 좋은 것 같아요'라고 말하고 싶지 않습니다. 우리가 원하는 것은 하나의 부품을 만들고, 우리가 하고 있는 일을 매우 면밀히 관찰하고 자신감을 얻은 다음, 프로세스 신호에서 배운 내용을 사용하여 검사 기준을 알리는 것입니다.”라고 Aman은 말했습니다.

카네기 멜론 대학교 제조 미래 연구소(Manufacturing Futures Institute)의 전무이사인 산드라 드빈센트 울프(Sandra DeVincent Wolf)가 연구하고 있는 것이 바로 이것이다. 그녀의 연구실에 있는 기계에는 고속 및 저속 카메라, 열화상, 용융 풀 이미지, 금속 튀김 이미지, 음향 모니터링 등의 센서가 장착되어 있습니다.

이들 모두는 결함의 징후를 찾아내고 상황에 따라 인쇄가 중지되고 작업자가 다시 시작하거나 나중에 검사 및 수리를 위해 결함을 기록할 수 있습니다.

그녀는 모든 항목이 결국 테스트를 필요로 하지 않는 수준에 도달하는 것이 목표라고 말했습니다. 모니터링 시스템에 대한 신뢰도가 높아짐에 따라 최종적으로는 10명 중 100명만이 품질 테스트를 받게 될 것이며 결국 XNUMX명 중 XNUMX명만이 품질 테스트를 받게 될 것이라고 Wolf는 덧붙였습니다.

또 다른 주요 기술적 장애물은 해군이 사용할 프린터 유형과 관련이 있습니다. Center of Excellence의 주요 파트너 중 하나인 Phillips Corp.의 글로벌 적층 작업 수석 부사장인 John Harrison은 가장 성숙하고 신뢰할 수 있는 인쇄 공정 중 하나인 파우더 베드 융합은 더 작은 부품만 만들 수 있다고 말했습니다.

와이어 아크 지향 에너지 증착, 레이저 지향 에너지 증착 및 마찰 교반 적층 제조와 같은 다른 기술은 더 큰 부품을 만들 수 있지만 이러한 기술은 더 새로운 기술이므로 최종 제품의 품질에 대한 데이터가 적다는 것을 의미한다고 그는 말했습니다.

PEO Strategic Submarines의 설교는 그의 사무실이 XNUMX년 전만 해도 인쇄가 불가능하다고 여겨졌던 매우 큰 부품(선체 무결성과 관련된 중요한 부품)을 인쇄하기 위한 "문샷" 노력을 진행하고 있다고 말했습니다. 해군은 대형 인쇄물의 테스트 결과를 바탕으로 대형 부품을 인쇄하기 위해 새로운 방법을 사용할 수 있는지 여부를 결정할 것입니다.

업계에 동참하기

업계가 잠수함 산업 기반을 위한 인쇄를 시작하지 않으면 적층 제조를 통해 금속 제조 능력을 확장하려는 해군의 계획 중 어느 것도 성공하지 못할 것입니다.

조쉬 크레이머(Josh Cramer) 교육 및 인력 개발 담당 이사 국방부 산하 공공-민간 파트너십인 America Makes는 적층 제조 인력이 50,000명 부족하며 앞으로 이러한 인력에 대한 수요가 증가할 것이라고 밝혔습니다.

“우리는 그러한 역할을 맡을 수 있도록 교육할 인력이 충분하지 않기 때문에 업계 전반에 더 많은 사람들을 데려와야 합니다.”라고 그는 말했습니다.

America Makes는 잠재적인 근로자에게 적층 가공 부문 내에서 가능한 일자리뿐 아니라 각 직업에 필요한 훈련과 교육, 그리고 어디서 얻을 수 있는지를 알리기 위한 홍보 캠페인을 진행하고 있습니다.

이미 가장 유명한 조선업체 중 일부는 적층 가공으로 전환하고 있습니다.

General Dynamics Electric Boat 대변인 Daniel McFadden은 조선소가 "해저 산업 기반에 진입하고 제품 라인에 적합한 기존 공급업체와 함께 [적층] 역량을 구축하는 새로운 전문 적층 제조 공급업체"를 모집하기 위해 노력하고 있다고 말했습니다.

이 회사는 3D 프린팅에 대해 승인된 절차와 테스트를 정의하기 위한 지속적인 노력에 기여하여 공급망에서 프린팅된 부품으로 전환할 수 있기를 원합니다. “특히 부족함과 긴 리드 타임이 생산을 제한하는 요소인 결과가 더 높은 부품의 경우 더욱 그렇습니다. .”

America Makes의 전무이사인 John Wilczynski는 이 조직이 3D 프린팅 생태계를 확장하기 위해 노력하고 있다고 말했습니다. Wilczynski는 프린터와 직원 교육 또는 신규 직원에 투자하는 데 초기 비용이 들지만 향후 몇 년 동안 잠수함 건설 작업량이 커지면 투자 수익을 얻을 수 있을지 궁금해하는 기업에 대한 명확한 수요 신호가 된다고 Wilczynski는 말했습니다. .

그는 버지니아급과 컬럼비아급 잠수함 생산률을 언급하며 “지금은 XNUMX+XNUMX 이야기를 피할 수 없다”고 말했다. “이것이 국가 안보에 중대한 위험이라는 사실이 모든 사람 앞에서 명백히 드러났습니다. 다음에 사업을 어디로 할지 결정하려고 노력하는 사람들에게 이 정보가 더욱 눈에 띄게 되었기 때문에 여기에는 힘이 있습니다.”

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• 출처: https://www.defensenews.com/industry/techwatch/2023/11/06/manufacturing-woes-could-sink-us-sub-fleet-can-3d-printing-save-it/