[논문]3D프린팅 기술의 원전 적용을 위한 고찰

장경남; 최성남; 이성호

doi:10.20466/kpvp.2020.16.1.117

3D프린팅 기술의 원전 적용을 위한 고찰
Consideration for Application of 3D Printing Technology to Nuclear Power Plant 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.16 no.1, 2020년, pp.117 - 124

장경남 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 최성남 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 이성호 (한국수력원자력(주) 중앙연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing is a technology that has significantly grown in recent years, particularly in the aerospace, defense, and medical sectors where it offers significant potential cost savings and reduction of the supply chain by allowing parts to be manufactured on-site rather than at a distance supplier. In nuclear industry, 3D printing technology should be applied according to the manufacturing trend change. For the application of 3D printing technology to the nuclear power plant, several problems, including the absence of code & standards of materials, processes and testing & inspection methods etc, should be solved. Preemptively, the improvement of reliability of 3D printing technology, including mechanical properties, structural performance, service performance and aging degradation of 3D printed parts should be supported. These results can be achieved by collaboration of many organizations such as institute, 3D printer manufacturer, metal powder supplier, nuclear part manufacturer, standard developing organization, and nuclear utility.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 PBF Technology
그림 Fig. 2 DED Technology
표 Table 1 Process Categories of 3D printing
표 Table 2 Comparison of Metal 3D Printing Technologies
그림 Fig. 3 Structure of Code & Standards for NPP
그림 Fig. 4 Rules and Code & Standards for Mechanical Equipments of NPP
그림 Fig. 5 Structure of Application 3D Printed Item to NPP
그림 Fig. 6 Permission Process of ASME Code Case

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 현재 상황으로는 원전 현장에 3D프린팅 기술을 적용하기에는 여러 가지 선결해야 할 사항들이 있다. 본 논문에서는 3D 프린팅 기술을 원전에 적용함에 있어 선행되어야할 사항에 대해 고찰하고자 한다.
실제 원전 현장에서는 비금속 보다는 금속 3D프린팅 기술이 더 유용하게 활용될 것으로 판단되어, 이후로는 금속 3D프린팅 기술에 대해서만 논하고자 한다. 금속 3D프린팅 기술은 PBF(Powder Bed Fusion)와 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 나뉜다.

제안 방법

이 협력을 통해 2018년 “Standardization Roadmap for Additive Manufacturing” (6) 을 발행하였고, 이 보고서는 발행된 표준과 개발 중인 표준을 정리하고, 각 표준간 차이를 분석하고, 추가적으로 표준화가 필요한 항목에 대해 우선 순위를 부여하여 추천하였다. 또한, 3D프린팅 기술에 대해 1)설계(Design), 2)공정 및 재료(Process and Materials), 3)검증과 인증(Qualification and Cerification), 4)비파괴 평가(Nondestructive Evaluation), 5)유지보수(Maintenance) 등의 총 5개 주제 영역으로 분류하여 표준화 권장 사항을 기술하였다.
이 협력을 통해 2018년 “Standardization Roadmap for Additive Manufacturing” (6) 을 발행하였고, 이 보고서는 발행된 표준과 개발 중인 표준을 정리하고, 각 표준간 차이를 분석하고, 추가적으로 표준화가 필요한 항목에 대해 우선 순위를 부여하여 추천하였다.
또한 원전의 최종안전성평가보고서(FSAR) 3장 ‘구조물, 부품, 기기, 계통의 설계’에서는 안전등급 기기에 대해 원자력안전위원회 고시에 따른 기술기준을 적용한 다고 명시되어 있다. 이를 근거로 하여 안전등급 기기의 경우 KEPIC MN을 적용하며, 이와 관련된 여러 참조기술기준인 KEPIC MD(재료), KEPIC ME (비파괴검사), KEPIC MF(성능시험), KEPIC MQ(용접) 등을 적용한다. 해외구매품의 경우 KEPIC 코드에 매칭되는 ASME 코드를 적용한다.

대상 데이터

2013년 세계경제포럼(WEF, World Economics Forum)에서 적층제조(AM, Additive Manufacturing)기술이라 불리는 3D프린팅 기술이 10대 유망기술로 선정되었다. 또한, 2016년 세계경제포럼에서는 제4차산업혁명을 이끌 기술 중의 하나로 선정되었다.

후속연구

마지막 단계로 KEPIC MDP 또는 ASME Sec. Ⅱ, Part D에 3D프린팅 재료가 등재된다면, 기술기준에서 제시한 범위 내에서 안전등급 압력유지재료로 활용 가능할 것이다.
기기 제작·설치·보수·교체 활동 중에 재료에 대한 검사는 현재 제작된 제품의 결함 유무를 판단하는 비파괴검사와 향후 제품에 생길 결함 유무를 판단하는 파괴검사를 수행하여야 한다.
원전 가동년수 증가에 따라 여러 가지 사유로 인해 원전 현장에서 지속적으로 단종품 (Obsolete Item)이 증가하고 있고, 소량, 다품종 생산에 적합한 3D프린팅 기술은 단종품의 적기 공급을 위한 대체품 생산에 적극 활용할 수 있다. 또한, 신규 노형이나 SMR(Small Modular Reactor)의 설계시 기존 방법으로 제작이 불가능한 설계 부품에 대한 제작에 활용될 수 있다. 하지만 현재 상황으로는 원전 현장에 3D프린팅 기술을 적용하기에는 여러 가지 선결해야 할 사항들이 있다.
현재 상태에 서는 기술기준 또는 성능에 영향을 받지 않는 일반등급의 비기능성 부품에 우선 적용할 수 있다. 또한, 원전에 직접 적용은 아니지만 단종품의 대체품 제작을 위한 리버스 엔지니어링(Reverse Engineering) 시 기능검증용 시제품 개발, 시험･검사 장비 개발 시 성능 검증을 위한 목업(Mock-up) 제작 등에 활용될수 있다. ASTM 또는 ISO 등에 3D프린팅 제품의 품질 검증에 충분한 기술기준이 등재된다면 안전 등급 또는 일반등급의 밸브 스템, 펌프 임펠러 등의 기능성 부품에 적용될 수 있다.
마지막으로 상기한 과제의 해결을 통해 설계･제작･시험･검사･성능시험 등의 절차에 대한 원자력 분야 기술기준화가 필요하다. 재질별로 어떤 절차에 따라 3D프린팅할 것이며, 재료특성에 대해 어떤 허용기준에 따라 시험할 것이며, 최종제조품에 대한 결함검사는 어떻게 할 것인지에 대한 표준화 방법이 제시 되어야 한다.
원전 산업계 및 연구기관은 기술기준 등재를 위한 3D프린팅 제품 품질 향상, 평가, 시험, 검사 방법에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 이 모든 것은 어떤 한 기관에서 이루어질 수 없고, 관련 연구기관 및 원전 산업계의 협력체계구축 및 지속적인 협업을 통해 달성 가능할 것이다. 이를 통해 향후 원전 산업계에 안정적인 3D프린팅 제품 공급망(Supply Chain)이형성됨으로써 원전의 안정적 운영에 기여할 것으로 기대된다.
이 모든 것은 어떤 한 기관에서 이루어질 수 없고, 관련 연구기관 및 원전 산업계의 협력체계구축 및 지속적인 협업을 통해 달성 가능할 것이다. 이를 통해 향후 원전 산업계에 안정적인 3D프린팅 제품 공급망(Supply Chain)이형성됨으로써 원전의 안정적 운영에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D프린팅이란 무엇인가?	3D프린팅이란 3차원 입체물을 데이터화하여 매우 얇은 단면을 한 층씩 쌓아 올려 3차원 부품을 제조하는 방식으로 신속 조형하는 기술을 의미하는 RP(Rapid Prototype)에서 유래하였다. 입체의 재료를 기계가공 또는 레이저를 이용하여 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로 ASTM(American Society for Testing and Materials) F42 기술위원회의 공식적인 기술용어는 적층제조이다(1,2).
	3D프린팅 기술은 적층방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 어떻게 구분할 수 있는가?	3D프린팅 기술은 적층방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 다양하게 구분할 수 있다. 적층 방식은 압출, 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분가능하며, 활용 가능한 재료는 폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다. ASTM에서는 3D프린팅 기술을 Table 1과 같이 7가지로 분류하고 있다(4).
	금속 3D프린팅 기술은 무엇으로 나뉘는가?	실제 원전 현장에서는 비금속 보다는 금속 3D프린팅 기술이 더 유용하게 활용될 것으로 판단되어, 이후로는 금속 3D프린팅 기술에 대해서만 논하고자 한다. 금속 3D프린팅 기술은 PBF(Powder Bed Fusion)와 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 나뉜다. PBF 방식은 Fig.

참고문헌 (9)

Choi, J. W. and Kim, H. C., 2015, "3D Printing Technologies-A Review," Journal of Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 1-8.
Choi, S. J, Bae, Y. H., Lee, I. H., and Kim, H., 2018, "Latest Research Trends of 3D Printing in Korea," Journal of Korean Society of Precision Engineering, Vol 35, No. 9, pp. 829-834.

상세보기
National IT Industry Promotion Agency, 2018, "2017 3D printer industry Survey," National IT Industry Promotion Agency.
ISO/ASTM 529200, 2015, "Standard Terminology for Additive Manufacturing - General Principles - Terminology," ASTM International, West Conshohocken, PA.
Kang, M. C., Ye, D. H. and Go, G. H., 2016, "International Development Trend and Technical Issues of Metal Additive Manufacturing," Journal of Welding and Joining, Vol. 34 No. 4 pp. 9-16.

원문보기 상세보기
America Makes & ANSI Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC), 2018, "Standardization Roadmap for Additive Manufacturing," Version 2.0, America Makes & ANSI Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC).
KEPIC MNB, 2015, "Nuclear Mechanical, Class 1 Components," Korea Electric Association, Seoul.
KEPIC MGG, 2015, "Valves," Korea Electric Association, Seoul.
Lee, S. H., Park, Y. C., Lee, Y. S., Park, J, H., and Lee, J. E., "Proposal of KEPIC Code Case Revision related to the Allowable Local Thickness Evaluation of Straight Pipe," 2016, Proceedings of KPVP Annual Meeting.

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