저율 생산 항공우주 구조물 자동화 복합재 제조 최적화: 클린 스카이 2 OPTICOMS 프로젝트

상용기 복합재 항공구조물 제작 50년 역사, 소형 부품에서 2000년대 초 보잉 787·에어버스 A350용 동체·날개·꼬리날개·엔진 등 초대형 주구조물로 발전. 대다수 진화는 오토클레이브 경화 탄소섬유/에폭시 프리프레그 의존, 초기 수작업→자동 섬유 적층(AFP), 자동 테이프 적층(ATL) 등 기계 공정 전환.

이 M&P(소재·공정) 기술은 팬데믹 전 월 10-15대 생산 787·A350 광동체기에 적합. 그러나 보잉·에어버스가 월 60-100대 생산 단일통로기 주구조물 복합재 적용 검토 시 고속·OOA(아웃오브오토클레이브)·고자동화 공정(RTM, 압축 성형, 액체 수지 인퓨전 등) 선호.

하지만 고속 제조가 상용 항공우주 주류더라도 저율 항공기(지역 항공기, 비즈니스 제트 프로그램) 복합재 항공구조물 제작은 지속될 뿐 아니라, 고율 프로그램에 투입될 비용·설계·M&P 혁신 일부 혜택 누릴 수 있고 또 그래야 함.

이 배경에서 유럽 클린 스카이 2 프로그램이 OPTICOMS(Optimized Composite Structures for Small Aircraft) 출범. 이스라엘 항공우주산업(IAI, 로드) 주도, 혁신 자동화 기술·소재·소프트웨어·툴링·기계 공급 파트너 참여. 목적: 자동화 제조, 통합 구조, OOA 경화, 대형 구조 접합, 혁신 제조·조립 툴링, 접합부 구조 건전성 모니터링, 가상 테스트 특징 저율 생산 윙 박스 설계 평가.

아놀드 네이선 IAI 항공그룹 R&D 디렉터 겸 OPTICOMS 매니저: "자동화를 복합재 제조 논의에 꺼내면 '자동화는 좋지만 대량생산 때만'이란 반응 흔함. OPTICOMS는 대량생산 없을 때 자동화 정당화 가능한지, 저량산에서 복합재 제조 자동화가 경쟁력·비용효과 있을지 탐구."

윙 설계

OPTICOMS는 이탈리아 비즈니스 항공기 제조사 피아지오 에어로스페이스(제노바) 요청으로 P180 아반티 9인승 쌍발 터보프롭 전복합재 대체 윙 개발에서 시작. 윙 박스: 길이 6.8m, 루트 폭 0.71m, 팁 폭 0.28m. 피아지오, 전금속 레거시 윙 박스 대안 원함(동일 치수, 20% 경량화). 기존 복합재 윙 박스 제조 대비 비용 20-30% 절감 목표. IAI 컨소시엄 2016년 계약 수주 착수.

OPTICOMS는 다단계 트레이드 스터디로 최적 윙 설계, 소재 조합, OOA 제조 공정, 저율 전복합재 윙 박스 자동 제조 결정.

IAI·OPTICOMS, 3개 파트너 3개 제조 공정 평가 집중 결정: 테크니-모듈 엔지니어링(TME, 프랑스 쿠드) 건식/프리프레그 직물 로봇 픽앤플레이스, 코리올리스 컴포지츠(프랑스 케벤) 건식/프리프레그 토우 AFP, 다노바트(스페인 엘고이바르) 건식 소재 자동 적층(ADMP) 기술. 기술·파트너 선정이 다변수 트레이드 스터디 가이드 역할.

설계 결과

• 일체형 멀티 스파(3개 스파) 설계로 조립 최소화
• '작동하는' 하중지지 스킨이 스파 기계적 응력 분담
• SHM 적용 접합 하부 스킨으로 기계적 패스너 불필요

첫 단계 설계 평가. IAI 애덤 소데이(첨단기술 구조설계 엔지니어) 주도. 18개 이상 컨셉, 다양한 아키텍처 검토. 크게 2범주: ①'작동하는' 스킨(윙 박스 스킨이 하중지지 구조) ②적재 스파 캡 있는 비작동 스킨. 범주 내 전통적 리브·스트링거·2스파, 또는 리브·스트링거 없는 3스파(멀티 스파), 샌드위치 패널 반작동 스킨 등 변형 고려.

소데이: "제조 노력·조립 노력 감소가 만트라. 더 효율적·일체형 구조 개발하면 더 싸고 가벼운 구조 나온다." 무게, 제조·조립 비용, 설계 복잡도, TRL, 리스크 프로파일 등 지표로 평가, 가중치 높게 부여.

최종 설계 선정

데이터 기반 10개 파이널리스트 압축. 멀티스파/작동스킨 4개, 멀티스파/비작동스킨(적재스파) 1개, 멀티리브/작동스킨(스트링거) 4개, 멀티리브/작동스킨(무스트링거) 1개, 샌드위치/작동스킨(무스트링거) 1개. 각기 다양한 프리큐어링, 코큐어링, 본딩, 기계적 체결 조합.

동일 기준 2차 트레이드 스터디로 최종 설계 선정. 각 설계에 트레이드 값 부여, '빅 트레이드오프 테이블'로 최강 옵션 식별. 초기부터 일관되게 우수했던 '멀티스파/작동스킨 #2'가 최종 선정. 고도로 통합·코큐어드 상부 스킨+3스파, 하부 스킨(액세스 패널 보유)과 본딩. 스파 사이 선택적 '백업' 리브 배치(스킨 굽힘 하중 대부분 부담).

소데이: "가장 유리한 구조는 멀티스파+작동스킨. 스파가 단순·박형 구조로 기존 설계 대비 훨씬 가벼움. 스파 단면 일정하게 만들면 골치·스크랩 대폭 감소." 접합 일체형 멀티스파/작동스킨 설계가 조립비 절감, 저중량, 자동화 용이, 부품 수 최소화로 유망. 남은 과제: 어떤 소재·제조 공정이 최적인가?

M&P 트레이드 스터디

소재 트레이드 스터디

IAI 야니브 유로비치(복합재 소재 엔지니어) 수행. 피아지오·IAI·기술파트너 추천 기반 OOA 탄소섬유 프리프레그, 건식 탄소섬유(테이프·직물), 수지 평가 → 35개 적격·신소재 리스트.

비용, 유리전이온도(Tg), 점도(인퓨전/사출 적합성), 자동 적층 기술 적합성 핵심 파라미터로 1차 스크리닝 → 20개 프리프레그·건식섬유·수지로 축약. 쿠폰 제작·기계적 테스트로 2차 다운셀렉트 → 최종 3개 섬유/수지 조합 선정:

• 도레이 컴포지트 머티리얼즈 아메리카(미국 타코마) 2510 탄소섬유/에폭시 프리프레그
• 헥셀(미국 스탬포드) 하이테이프 탄소섬유 UD 테이프 + 헥셀 헥플로 RTM6 에폭시 수지
• SAERTEX(독일 자어벡) 탄소섬유 NCF(논크림프 패브릭) + 솔베이 컴포지트 머티리얼즈(미국 알파레타) PRISM EP2400 강인화 에폭시(인퓨전 결합)

건식 섬유 선호→인퓨전 공정 유리. 네이선: "저율 생산 시 프리프레그 유통기한 관리 부담 큼. 건식 섬유는 그 문제 없음." 3개 소재 각각 픽앤플레이스·AFP·ADMP 등 OPTICOMS 선정 공정과 매칭.

자동 제조 공정 트레이드 스터디

어떤 기술이 어떤 부품에 최적인가 트레이드 진행 중. 네이선 예비 결과: 다노바트 ADMP(풍력 블레이드 광폭 직물 고속 적층용 원개발)가 OPTICOMS서 동등 효율 입증. 성숙도·신뢰성 개선됐으나 AFP 대비 덜 성숙한 항공우주 적층 기술. 코리올리스 AFP는 풍부한 항공우주 경험으로 성숙·정확하나 적층 시간 길고 빈번한 이상 검사 필요. 코리올리스, 인라인 실시간 적층 검사 개발로 대응 진전. TME 픽앤플레이스(커팅 테이블→금형 컷 직물 이송 자동화)는 멀티스파/작동스킨 설계의 백업 리브 같은 소형 이산 부품에 최적.

다음 단계

네이선: "OPTICOMS 자동화·비용·중량 절감 목표 달성 궤도, 다만 제조 공정·조립 솔루션 평가 수개월 잔여." "설계·소재·공정 모두 강건한 다운셀렉트 완료. 시간·노력 소요. 이것이 프로젝트 독특한 점."

OPTICOMS, 3차 CFP(기술·하드웨어 제안 공모)로 프로젝트 목표 지원·보장·강화. 선정된 제안들은 OPTICOMS '마더' 코어 파트너 연계 클린 스카이 2 프로젝트로 공동 목표 향해 협력.

1. FITCoW: 작동 스킨+3스파 코큐어용 일체형 탄소섬유 툴링 시스템 개발. 부품 제조비 50%↓, 툴링비 30%↓(금속 대비), 제조시간 20%↓(오토클레이브·OOA 대비), CTE 미스매치 40%↓(인바 대비), 가열·냉각시간 20%↓, 치수 제어 능력 향상으로 검사시간 40%↓ 목표.
2. WIBOND: 스파/스킨 구조-하부 스킨 접합용 본딩 조립 툴 개발(접착제 도포, 적정 압력 가함, 본딩 라인 광섬유 센서 내장 SHM). 별도 기사로 2022년 보도 예정.
3. ELADINE: 스파/스킨 구조 '스프링-인' 변형 유발 잔류 응력 대응. 열적 이방성, 중합 수축, 툴-부품 상호작용, 수지 흐름·압착, 구조물 온도 구배 모델링·예측 소프트웨어 개발.

현재 IAI·OPTICOMS 주력: 2022년 2분기까지 피아지오용 완전 6.8m 데모스트레이터 윙 납품(정적·피로 테스트). 이후 전체 성능 분석, 설계·소재·공정 프로젝트 기준 충족 여부 평가. 피아지오 상용화 향후 단계 권고 예정.

피아지오 외 타 항공기 적용도 기대. 소데이: "특정 항공기 기반이나 다양한 두께·크기 확장 가능 설계 지향. 기술 고도 적응성 유지 의도."