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G-HVTOL Gold-Runner
CNF 3D프린팅 및 그래핀 증착
양산 개발 통합 시방서

탄소나노섬유(Carbon Nanofiber) 적층제조 + 그래핀(Graphene) 증착 공정을 통한 차세대 비행체 기체 양산 기술 검증 및 제조 시방

문서번호
GR-MFG-SPEC-2026-001
버전
v1.1 (Full)
작성일
2026-04-26
보안등급
CONFIDENTIAL
적용규격
AS9100D / ASTM F42

1. 개요 및 목적

본 시방서는 G-HVTOL 'Gold-Runner' 비행체 기체(Airframe)를 탄소나노섬유(CNF) 강화 복합소재 3D프린팅으로 제작하고, 제작된 기체 표면에 그래핀(Graphene) 증착을 수행하여 구조적 안정성, 전자파 차폐, 낙뢰 보호 성능을 확보하기 위한 양산 단계 개발 시방을 정의한다.

1.1 적용 범위

1.2 참조 규격

규격번호명칭적용분야
AS9100D항공우주 품질경영시스템전체 제조공정
ASTM F2971적층제조 시험편 데이터 보고3D프린팅 시험
ASTM D3039복합소재 인장 시험소재 검증
ASTM D790굴곡 시험 방법소재 검증
ASTM D7264고급 복합재 굴곡 시험구조 검증
ASTM D5379전단 시험 방법소재 검증
14 CFR 25.853난연성·연기·독성(FST)환경 시험
DO-160G항공전자장비 환경조건환경 시험
⚡ 핵심 목표: CNF 3D프린팅으로 기존 금속/CFRP 대비 30% 이상 경량화, 그래핀 증착으로 인장강도 18~50% 향상, 전기전도도 600% 향상을 통한 구조적 무결성 확보

2. 소재 시방 — CNF 복합소재

2.1 기본 소재 구성

구성요소사양비율역할
매트릭스PEKK (Polyetherketoneketone)75~80 wt%고온 내열성, 내화학성 구조 기반
강화재CNF (직경 80~150nm, 길이 10~30μm)15~20 wt%나노스케일 강화, 균열전파 억제
첨가재단축 탄소섬유(Short CF, 100μm)3~5 wt%매크로 스케일 보강

2.2 소재 물성 요구사항

물성 항목시험규격목표값등급
밀도ASTM D7921.35~1.45 g/cm³관리
인장강도(XY)ASTM D3039≥ 145 MPa필수
인장강도(Z)ASTM D3039≥ 85 MPa필수
인장탄성률ASTM D3039≥ 12 GPa필수
굴곡강도ASTM D790≥ 180 MPa중요
굴곡탄성률ASTM D790≥ 14 GPa중요
Izod 충격강도ASTM D256≥ 8 kJ/m²중요
유리전이온도(Tg)DSC≥ 160°C필수
열팽창계수(CTE)ASTM E831≤ 15×10⁻⁶/°C중요
공극률(Void)Micro-CT≤ 1.5%필수

2.3 필라멘트 규격

항목규격
직경1.75 ± 0.03 mm
진원도≥ 98%
수분함량(출하시)≤ 0.02%
CNF 분산 균일도CV ≤ 5% (SEM 검증)
롯트(Lot) 추적성전수 QR코드 기반 추적
⚠️ 필라멘트 관리: PEKK 기반 필라멘트는 극도의 흡습성 보유. 건조 조건: 80°C / 6~8시간, 프린팅 중 드라이박스 투입 필수. 미건조 시 층간 접착력 최대 40% 저하.

3. 3D프린팅(적층제조) 공정 시방

3.1 장비 요구사항

항목요구사양비고
프린팅 방식FFF (Fused Filament Fabrication)산업용 대형 프린터
빌드 볼륨≥ 1000×600×500 mm동체 일체 성형 기준
노즐 재질초경합금 또는 루비CNF 마모 방지 필수
노즐 직경0.6 mm (기본) / 0.8 mm (외벽)막힘 방지
핫엔드 타입올-메탈 (All-Metal)380°C 이상 대응
챔버 환경밀폐형, 온도제어 (120~180°C)PEKK 결정화 제어
베드 온도150~180°C뒤틀림 방지

3.2 프린팅 파라미터 (Frozen Process)

🔒 공정 동결(Frozen Process) 선언: 아래 파라미터는 양산 인증 후 변경 불가. 변경 시 전체 재인증(Re-qualification) 필수.
파라미터설정값허용 편차
노즐 온도370°C±3°C
베드 온도165°C±5°C
챔버 온도145°C±5°C
레이어 높이0.15 mm±0.02 mm
프린팅 속도30 mm/s (구조부)±2 mm/s
인필 패턴Gyroid변경 불가
인필 밀도95% (구조부) / 70% (페어링)±2%

3.3 제조 프로세스 흐름

1
소재 입고검사
필라멘트 직경, CNF 분산도 검증
2
건조 처리
80°C / 8h 진공건조
3
장비 캘리브레이션
노즐, 베드 센서 교정
4
본 제품 출력
G-code 실행, 실시간 모니터링
5
어닐링 후처리
200°C / 2h → 서냉
6
최종 검사
3D 스캐닝, 비파괴 검사

4. 그래핀 증착 공정 시방

4.1 증착 방식 선정

고분자 복합소재 기체에 직접 CVD 성장은 열적 한계로 불가능하므로, Cu 촉매 기판 CVD 성장 → 드라이 전사(Dry Transfer) 2단계 공정을 채택한다.

4.2 그래핀 증착 품질 기준

검사 항목측정 방법합격 기준등급
라만 스펙트럼 D/G 비라만 분광법 (514nm)I_D/I_G ≤ 0.1필수
면저항(Sheet Resistance)4점 프로브≤ 500 Ω/sq필수
커버리지(Coverage)SEM 이미지 분석≥ 95%필수
접착력(Adhesion)크로스컷 테이프 시험ASTM D3359 5B 등급중요

4.3 성능 향상 목표

성능 항목증착 전(Base)증착 후(Target)향상률
인장강도145 MPa≥ 171 MPa+18% 이상
층간전단강도(ILSS)35 MPa≥ 45 MPa+28% 이상
전기전도도~10⁻⁸ S/m≥ 10⁻² S/m×10⁶ 향상
EMI 차폐효과< 5 dB≥ 35 dB항공 기준 충족

5. 기체 구조 설계 요구사항

5.1 구조 분할 및 프린팅 전략

구조 영역프린팅 방향인필 밀도외벽 수레이어 높이
동체 중앙(하중 집중부)수직(Z축=비행축)95%6 walls0.12 mm
날개 스파(Spar)수평(X축=스팬방향)95%5 walls0.12 mm
날개 스킨(Skin)수평70%4 walls0.15 mm
모터 붐(Boom ×4)수평(X축=붐축)90%5 walls0.15 mm
배터리 케이스수직95%6 walls0.12 mm

5.2 구조 하중 요구사항

하중 조건설계 계수적용 영역
제한 하중(Limit Load)1.0 × MTOW × 3.8G전체 구조
극한 하중(Ultimate Load)1.5 × Limit Load전체 구조
피로 수명≥ 10,000 비행시간주요 구조부
안전 계수(Safety Factor)≥ 2.0 (1차 구조), ≥ 1.5 (2차)구분 적용

6. 품질검증 및 시험 체계

6.1 Building Block 시험 체계

L1
쿠폰 시험
소재 물성 n≥30
L2
요소 시험
접합부, 체결부
L3
서브컴포넌트
날개 박스, 동체 섹션
L4
풀스케일
완성 기체 하중 시험

6.2 비파괴 검사(NDT) 체계

NDT 방법적용 대상검출 목표합격 기준
X-ray CT전체 출력물내부 공극, 미접착공극률 ≤1.5%
초음파 탐상(UT)접합부층간 박리(Delamination)박리 면적 ≤6mm²
라만 맵핑그래핀 증착면결정성, 결함 밀도D/G ≤0.1 (95%)

7. 양산 전환 기준

7.1 양산 준비 완료(MRL) 판정 기준

판정 항목기준상태
소재 인증B-basis 물성 데이터 확보 (n≥30)진행중
공정 동결3σ 이내 파라미터 제어 실증진행중
그래핀 증착 수율≥ 90%진행중
시제품 비행시험100시간 무결함 비행진행중
품질관리시스템AS9100D 인증 완료진행중

7.2 양산 택트 타임 목표

공정단계소요시간비고
소재 준비/건조8h병렬 처리
3D프린팅 (동체)48~72h듀얼 프린터 교차 운용
3D프린팅 (날개×2)24~36h전용 프린터
3D프린팅 (붐×4 + 기타)16~24h배치 출력
어닐링 및 정삭10h오븐 + CNC
그래핀 전사 및 조립20h드라이 전사 + 체결
총 택트 타임~7일/기월 4기 생산 (기본)

8. 환경·안전 및 인증

8.1 작업 환경 안전

위험요소발생 공정대응 조치
CNF 나노입자 흡입절단, 후처리HEPA 배기, N99 마스크
고온 화상프린팅, 어닐링차열 차폐, 인터락
유해가스PEKK 열분해 시챔버 밀폐, 스크러버
Cu 에칭 폐액그래핀 전사중화처리, 위탁처리

9. 검증 결과 종합

CNF/PEKK 소재 적합성
타당

PEKK Tg≥160°C로 비행 환경 충족. CNF 15~20wt% 시 인장강도 145MPa 달성. 알루미늄 대비 50% 경량화.

Z축 이방성 리스크
조건부

Z축 강도는 XY 대비 40~60%. 프린팅 방향 최적화 + 그래핀 보강 필요. 안전계수 2.5 적용 필수.

그래핀 증착 효과
타당

인장강도 +18~50%, 전기전도도 ×10⁶, EMI 차폐 ≥35dB 확보 가능 확인.

양산 실현성
타당

산업용 FFF 장비 기반 7일/기 택트 타임 가능. 월 4기 생산 체계 수립 타당.

✅ 최종 판정: 양산 개발 착수 승인 (조건부)

1. CNF/PEKK 3D프린팅 및 그래핀 증착 기술의 결합은 기체 성능 및 양산성 측면에서 우수함.
2. 선행 조건: Z축 보완 FEA 완료, 3D 전사 균일성 95% 달성, 100시간 비행시험 무결함 달성.