This study investigates the mechanical properties and lightweighting efficiency of lightweight PLA (LW-PLA) for solid-propellant model rocket fuselage components. FDM process parameters—nozzle temperature, flow ratio, maximum volumetric speed, and wall generation algorithm—were optimized to obtain a stable foamed structure with a measured foam density of about 0.6 g/cm³. In ASTM D638 tensile tests, although LW-PLA showed lower absolute tensile strength than reference PLA, a 26.3–29.5% density reduction gave the 45% infill condition a specific strength about 15.5% higher than PLA, with a corresponding advantage in specific modulus. A nose cone and fins fabricated from LW-PLA reduced component mass by about 63.5%; flight testing confirmed a 13.9% increase in peak altitude over the PLA baseline while maintaining structural integrity under ignition shock and aerodynamic loading. These results show that specific-property–based evaluation is a rational metric for lightweight structural materials and that LW-PLA is viable for model rocket structures.

본 연구에서는 고체 추진 모형 로켓의 동체 구성품에 적용하기 위한 경량 PLA(LW-PLA)의 기계적 특성과 경량화 효율을 분석하였다. 노즐 온도, 유량비, 최대 체적 출력 속도, 벽 생성 알고리즘 등 FDM 공정 파라미터를 최적화하여 약 0.6 g/cm³의 안정적인 발포 구조를 구현하였다. ASTM D638 인장시험 결과, LW-PLA는 절대 인장강도는 기준 PLA보다 낮았으나 약 26.3~29.5%의 밀도 감소에 힘입어 내부 채움 비율 45% 조건에서 비강도가 기준 PLA 대비 약 15.5% 우수하였고 비탄성계수에서도 우위를 보였다. LW-PLA로 제작한 노즈콘과 핀은 약 63.5%의 경량화를 달성하였으며, 실비행 시험에서 점화 충격 및 공력 하중에도 구조 건전성을 유지하면서 최대 도달 고도가 기준 PLA 대비 약 13.9% 향상되었다. 이상의 결과는 비강도·비탄성계수 기반 평가가 경량 구조재의 합리적 비교 지표임을 보이며, LW-PLA가 모형 로켓 경량 구조재로서 충분한 적용 타당성을 가짐을 시사한다.

Keywords: 경량 PLA(Lightweight PLA), 적층 제조(Additive manufacturing), 융합 적층 모델링(Fused deposition modeling), 비강도(Specific strength), 항공우주공학(Aerospace)