하이브리드 오버몰딩 부품, 복합소재 시장 혁신 주도

항공우주 시장에서는 OEM이 복합소재 부품에 더 높은 가격을 지불하곤 합니다. 연료 절감(경량화), 수명 연장(마모 감소), 운영·유지보수 비용 절감 등 '제품 수명 주기' 관점에서 투자 수익이 보장되기 때문입니다. 하지만 복합소재 부품의 조달 비용 자체가 금속 버전보다 낮은 경우는 드뭅니다. 그러나 새로운 자동화 복합소재 제조 공정들이 이 균형을 바꾸고 있습니다. 그중 하나가 TxV Aero Composites(미국 로드아일랜드 브리스톨)가 개발한 하이브리드 오버몰딩 공정입니다.

Tri-Mack Plastics Manufacturing(브리스톨)과 Victrex(영국 손턴 클리브리스)의 합작사인 TxV는 하이브리드 오버몰딩 기술을 상용 생산 단계까지 발전시켰습니다. SFS intec Aircraft Components(독일 알텐크슈테트)와 협력해 기존 항공우주급 알루미늄으로 제작되던 항공기 수납함 브라켓을 재설계·상용 생산했습니다. 이 브라켓은 하이브리드 오버몰딩과 VICTREX AE 250 단방향 탄소섬유/폴리아릴에테르케톤(PAEK) 테이프가 수많은 항공우주 애플리케이션에서 중량과 비용을 절감할 수 있음을 보여주는 성공 사례입니다. 절삭 가공(소재 제거) 대신 소재를 적층하는 복합소재 공정으로 전환함으로써 얻은 이점입니다.

제거에서 적층으로

CNC 머시닝으로 금속 부품을 만드는 기계공들은 스스로 '칩메이커(chipmakers)'라 부릅니다. 금속 블랭크에서 불필요한 부분을 깎아내며 칩(스크랩)을 만들기 때문입니다. 이 칩은 폐기, 재활용, 사내 재처리 등 어떤 방식이든 비용이 듭니다. SFS intec의 수납함 브라켓 경우 여러 번의 밀링 공정을 거치며 알루미늄의 60~70%가 스크랩이 됩니다.

이 높은 바이-투-플라이(buy-to-fly) 비율(구매 중량 대비 완성품 중량 비율) 덕분에, 순수 형태나 근사 형태의 복합소재 버전 원자재 비용이 금속 원자재 비용보다 잠재적으로 낮아질 수 있습니다. "바이-투-플라이 비율이 8:1이면 구매 알루미늄 대부분이 스크랩이 됩니다. 우리는 더 저렴한(파운드당) 알루미늄과 경쟁할 수 있습니다. 또 각 부품 밀링에 수 시간이 걸리지만, 우리는 복합소재 부품을 몇 분 만에 만듭니다."라고 TxV 수석 계정 매니저 조나단 소크스(Jonathan Sourkes)는 설명합니다.

원자재 비용 외에도, 복잡한 형상과 고하중 지지 성능이 동시에 요구되는 브라켓 같은 부품은 기존 복합소재 제조 옵션으로는 경제적이지 않았습니다. 저비용 단섬유 강화재로 고속 사출 성형하면 하중 성능 부족, 고성능 연속섬유 강화재로 저속·고터치 공정(수작업 레이업 등)하면 생산 속도 느리고 제조비 과다.

이런 신규 복합소재 애플리케이션의 걸림돌을 넘기 위해 업계 전체가 항공우주 고객 니즈와 사양을 충족할 충분한 생산 속도와 하중 성능을 갖춘 자동화 공정 개발에 막대한 자원을 투입해 왔습니다. TxV는 2017년 설립 당시부터 폴리케톤 기반 복합소재 애플리케이션의 혁신적 제조 공정 상용화를 가속화하는 것을 목표로 삼았습니다.

SFS intec과의 파트너십은 탁월한 선택이었습니다. "글로벌 시스템 부착 솔루션 리더인 SFS는 항상 흥미로운 시도를 합니다. 매우 혁신적이고 신기술 투자에 적극적입니다."라고 소크스는 말합니다. SFS intec은 항공사 고객과 강한 관계, 인증 프로세스 수행 능력도 갖춰 재설계 부품의 항공우주 산업 채택에 핵심적입니다.

항공기 수납함 브라켓, 특히 'B 브라켓'은 설계·생산이 까다로운 부품의 대표격이라 첫 복합소재 재설계 대상으로 선정되었습니다. 협업 엔지니어링, 부품 개념화·설계, 알테어(Altair) 유한요소해석(FEA) 도구로 성능 모델링 후 초도품부터 검증·테스트·모델 입증 반복. 제조 적합 설계(DFM)가 핵심으로, 자동 테이프 레이잉(연속섬유 강화부)과 고속 사출 성형(단섬유 강화부)의 제조 이점을 활용했습니다.

B 브라켓 제작 공정

1단계: 맞춤형 라미네이트 블랭크 제작 (자동 테이프 레이잉)

탄소섬유/PAEK 테이프를 Dieffenbacher(독일 에핑겐) Fiberforge 2000 테이프 레이잉 시스템으로 맞춤형 블랭크에 적층. "현재 세계에서 가장 빠른 테이프 레이잉 시스템 중 하나"라며 로봇으로 스풀 교체해 무인 연속 운전 가능. 테이프 간 간격 최소화 설계. 각 플라이 적층 후 다음 플라이 전 검사. 환경 제어 구역에서 FOD(이물질/파편) 최소화.

2단계: 자동 전용 셀에서 블랭크 통합

통합된 라미네이트 프리폼을 전용 작업 셀에서 브라켓 1차 형상으로 성형(3단계). 최종 탄소섬유/PAEK 인서트를 Flow International(미국 켄트) 워터젯 커터로 절단(4단계).

블랭크 크기 결정 시 트레이드오프 존재. "한 번에 3~4개 직사각형 인서트를 뽑을 수 있게 블랭크를 크게 레이업하면 바이-투-플라이 비율 최대화되지만 워터젯 절단 시간 증가. B 브라켓 프로젝트에서는 각 통합 라미네이트에서 다중 인서트 절단."

5단계: 오버몰딩 (Engel 고온 사출 성형기)

인서트를 사출 금형 캐비티에 넣고 용융 PEEK로 충전. 필요시 후가공(워터젯 또는 CNC)으로 넷쉐이프 마무리. "근사 넷쉐이프 성형이 목표지만 공정 형상 정리 위해 최소 가공 필요할 때가 많음."

획기적 결과

SFS intec 브라켓 생산에서 TxV 하이브리드 오버몰딩 공정은 사이클 타임 3분, 바이-투-플라이 비율 1.06:1 달성. "소재의 효율적 사용과 빠른 제조 공정으로 고부가가치 열가소성 복합소재 부품 생산 가능, 기존 금속 설계 대비 시스템 비용 절감 실현." 중량 절감 30~40%, 비용 절감 20~30%(동일 형상·사양 대체 기준). "부품 시스템 전체 재설계 기회가 주어지면 중량 절감 60%까지 가능."

탄소섬유/PAEK/PEEK 브라켓은 부품 수 통합도 이뤘습니다. 기존에는 별도 PEEK 스프레더 노즈를 리벳 2개로 고정했으나, 같은 오버몰딩 작업에서 통합 성형. 부품 수 감소 + 조립 공정 삭제.

TxV를 만든 두 회사의 전문성이 하이브리드 오버몰딩 성공의 바탕. Victrex가 PAEK 소재·가공 기술 개발 후 기존 파트너들과 기회 모색했으나 "사출 성형 전문 업체는 연속섬유 복합소재 경험 없고, 그 반대도 마찬가지." 2017년 TxV 설립 전 수년간 협업, 목적 맞춤형 고자동화 폴리케톤 복합소재 우수 센터 구축해 고속 양산 체제 갖춤.

인증 후 비행

SFS intec의 인증 수행 능력을 활용해 '포인트 디자인(특정 부품 형상에 한한 인증)' 방식으로 진행. 운영 하중은 수납함 브라켓 특성상 쉽게 달성되나, 극한 이착륙 기동 조건도 커버해야 함. 현재 인증 패키지 제출 완료, 최종 승인 대기 중. 2020년 초 비행 적용 예상.

B 브라켓 인증 후 TxV는 양산 규모로 확대. 기존 하이브리드 오버몰딩 라인 활용하되, 회사는 이중 과제 수행: 기술로 부품 생산 + 업계 제조사들이 자사 설비에서 이 기술 도입할 수 있도록 지원. 즉, 복합소재 제조사들도 자사 시설에서 이 제조 기술 채택 가능.

SFS intec 같은 복합소재 브라켓이 수천 개 쓰이는 상용 항공기 시장에서 상당한 점유율 차지할 잠재력. "열가소성 복합소재 부품이 항공기 제조에서 점점 더 큰 역할 할 것 확신." - 사샤 코스타벨(Sascha Costabel), SFS intec Aircraft Components 혁신 책임자.