에어버스, 윙 오브 투모로우용 OOA VBO 후방 스파 및 열가소성 리브 개발

에어버스(프랑스 툴루즈)는 윙 오브 투모로우(WOT) 프로그램을 위해 항공복합소재 제작자들과 협력해 오토클레이브 밖(OOA) 구조물 개발에 광범위한 노력을 기울이고 있습니다. 이 구조물들은 2021년 에어버스에 납품되어 시연기 날개로 조립되어 테스트 및 평가되며, 차세대 단일 통로 항공기 잠재적 사용을 위해 검토될 것입니다. 그러한 프로그램이 언제 발표될지는 미지수이며 많은 추측의 대상이지만, 전체 항공복합소재 공급망은 에어버스든 보잉이든, 또는 둘 다를 위한 차세대 항공기 제조의 일원이 되기 위해 포지셔닝하고 있습니다.

CW는 스피릿 에어로시스템즈(미국 캔자스주 위치타)가 생산한 하부 날개 스킨, GKN 에어로스페이스(네덜란드 호헤베엔)가 생산한 열가소성 리브에 대한 기사에서 이미 일부 WOT 활동을 보도한 바 있습니다. WOT 노력에 합류한 것은 항공기 제조업체이자 항공구조물 공급업체인 다허(Daher, 프랑스 파리)로, OOA 후방 스파와 5개의 열가소성 리브를 개발, 제조, 납품했습니다.

"다허는 이 WOT 프로그램에 참여하게 된 것을 자랑스럽게 생각합니다. 이 개발은 다허가 열가소성 기술과 열경화성 통합 기능 구조에서 세계적 리더 중 하나이자, 항공기 제조업체의 강력한 파트너이자 복잡한 부품의 티어 1 공급업체임을 확인시켜 줍니다."라고 다허 R&D 부사장 도미니크 바일리(Dominique Bailly)는 말합니다.

고성능 스파

WOT 시연기는 여타 상업용 항공기 날개처럼 여러 스파 구조를 가집니다. 다허가 WOT용으로 개발한 후방 스파는 연료 탱크 밖에 있으며 동체에 인접한 두 스파 중 두 번째로, 랜딩 기어 바로 위에 위치합니다. 길이 2미터 이상, 두께 10mm로, 동체와 랜딩 기어 시스템 근접성으로 인해 상당한 강도와 강성 요구사항을 충족해야 합니다. "피처에 몇 톤, 스팬 방향 전단 및 인장에 수십 톤이 가해집니다."라고 바일리는 말합니다.

또한 알렉상드르 콩데(Alexandre Condé) 다허 수석 엔지니어는 에어버스가 회사가 항공기 중량을 줄이고 월 60~100대 생산 속도를 비용 효율적으로 충족할 수 있는 고도로 자동화된 제조 공정 개발을 원했다고 말합니다. 다허는 기본 복합소재 스파 설계에 있던 15개 금속 구성품과 패스너를 대체할 수 있는 설계를 제안했습니다. "가장 많은 기능을 통합해 비용 효율성을 높이고 중량을 절감하는 것이 아이디어였습니다."라고 콩데는 말합니다.

결과적인 스파 구조는 2018년 다쏘 아비에이션(프랑스 파리) 비즈니스 제트용으로 다허가 개발한 OOA 진공 백 온리(VBO) 열경화성 스파의 부산물입니다. 바일리는 다쏘 스파가 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷주 스탬포드)의 M56 에폭시 레진 기반 프리프레그로 제작되어 OOA VBO로 경화되었다고 말합니다. 이후 다허가 에어버스 WOT 프로그램에 참여하면서, 회사는 다쏘 스파의 설계, 공정, 근거를 적용해 새로운 에어버스 WOT 구조에 적용하기로 결정했으며, 헥셀 M56 350°F 경화 OOA 에폭시, 헥셀 AS4 탄소섬유 패브릭과 IM7 UD 탄소섬유에 프리프레그된 것을 선택했습니다.

스파 제작에 사용된 제조 공정은 코리올리스 컴포지트(Coriolis Composites, 프랑스 케벤) 시스템을 사용한 자동 섬유 배치(AFP)로, 수컷 금형 위에 소재를 적층합니다. 경화는 오븐에서 진공 백 하에 수행됩니다. 결과 부품의 기공률은 0.1%라고 콩데는 말합니다.

콩데는 프리프레그가 액체 레진 몰딩 대신 선택된 이유가 프리프레그가 지난 30년간 항공우주 제조의 필수품이 된 이유와 동일하다고 말합니다. 일관되고 신뢰할 수 있는 레진/섬유 체적을 제공해 일관되고 신뢰할 수 있는 치수와 질량의 부품 생산을 가능하게 합니다. "이 새로운 세대 OOA 레진을 진공만으로 사용하면 경화 후 복합소재 두께의 섬유 함량에 완벽한 견고성을 가집니다."라고 콩데는 말합니다. "또한 레진을 섬유 밖으로 밀어내지 않기 때문에 부품 중량이 매우 안정적입니다."

다허는 2020년 말 영국 브리스톨 에어버스에 WOT 구성품(스파 1개)을 납품한 첫 파트너였다고 밝혔으며, 2개를 더 납품 중입니다. 이 시연 단계를 넘어 다허는 스파 제작의 산업화도 고려 중이며, 차세대 단일 통로 항공기 풀레이트 생산을 위한 운영, 설비, 장비, 인력 요구사항을 추정하고 시뮬레이션하는 제조 시스템 설계(MSD) 분석 작업을 진행 중입니다.

다양한 리브, 다양한 크기

다허가 WOT 프로그램을 위해 리브를 개발하는 노력은 더 복잡하고 까다로웠습니다. 회사는 날개 내부에 다양한 크기와 치수의 5개 리브를 설계했으며, 다른 리브들은 알루미늄과 복합소재 설계 조합으로, GKN 에어로스페이스가 설계한 열가소성 복합소재 리브도 포함됩니다.

다쏘 아비에이션과의 이전 프로젝트에서 다허는 열가소성 복합소재로 비교적 작은 리브를 설계하고 제조하는 능력을 시연한 바 있다고 바일리는 설명합니다. WOT를 통해 회사는 더 큰(~2미터 길이), 더 높은 하중의 리브 개발로 기술을 확장할 기회를 가졌습니다.

또한 WOT 목표에 따라 다허는 2023년 말까지 기술 성숙도 수준(TRL) 6 달성을 목표로 합니다. "WOT 프로그램이 끝날 때 큰 리브에 대해 TRL 6을 입증하면, 이 두 프로그램(WOT와 다쏘 아비에이션)을 통해 날개의 전체 리브 부분을 커버할 수 있음을 입증하게 될 것입니다. 그것이 아이디어입니다."라고 바일리는 말합니다.

"우리는 이 프로그램을 활용해 부품을 제조하는 다양한 방법을 살펴보고 기계적 거동을 비교했으며, 제조에 미치는 영향도 살펴보았습니다. 병행해 스프링백이나 스탬핑 효과 같은 부품 거동 예측 시뮬레이션 작업을 하고 있습니다. 목표는 개발 중 시험을 줄여 비반복 비용을 절감하는 것입니다."라고 콩데는 말합니다.

스파와 마찬가지로 개발은 쿠폰, 요소, 디테일 레벨에서 시작해 최종 풀사이즈 부품 제작 전 서브스케일 부품 제조로 이어졌습니다. 콩데는 각 레벨에서 테스트가 수행되었으며, 리브 피처를 위한 다허가 개발한 특정 테스트도 포함된다고 말합니다.

모든 5개 리브에 대해 다허는 결국 토레이 어드밴스드 컴포지트(미국 캘리포니아주 모건힐)가 공급하는 단방향(UD) 탄소섬유/저융점 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 테이프를 사용하기로 결정했으며, 레진은 빅트렉스(Victrex, 영국 랭커셔 클리빌리스)가 제조했습니다. 리브 제조를 위해 평평한 블랭크를 AFP로 제작한 후 오븐 통합을 수행하며, 경우에 따라 스탬프 성형 전 재료를 프리컨솔리데이트합니다. 필요에 따라 추가 플랜지나 기타 구성품을 스탬프 성형된 부품에 기계적으로 체결합니다.

각 리브는 날개를 따른 위치, 크기 사양, 하중 요구사항(1톤~50톤)에 따라 설계되어 각각 여러 면에서 고유합니다. 가장 큰 리브는 길이 2미터 x 폭 1미터입니다. 그럼에도 각각은 평평한 웹으로 시작해 바닥을 따라 플랜지를 만들기 위해 "L" 모양으로 스탬프 성형됩니다. 추가 안정성을 위해 여러 리브는 두 개의 "L" 모양 구성품을 기계적으로 백투백으로 체결해 양방향 플랜지가 있는 "T" 모양을 형성합니다.

특수 피처로는 플랩 트랙과 연결되는 브래킷(열경화성 복합소재로 제조)과 특정 리브에 무게를 줄이기 위한 일련의 구멍 또는 플라이 드롭이 포함됩니다.

"설계 내내 복잡성과 비용의 균형을 맞춰야 했습니다."라고 바일리는 말합니다. "항상 염두에 둔 것은 단순하지만 비용 효율적인 것을 하는 것이었습니다." 단순함은 생산 속도 관점에서도 핵심이었습니다. 콩데는 "너무 복잡하면 고객 관점에서 매우 높은 생산 속도를 원할 때 경쟁력이 없을 것입니다."라고 말합니다.

설계에 복잡성을 더한 한 가지 과제는 각 리브의 상대적 두께(가장 큰 리브 최대 12mm)였습니다. 두꺼운 패브릭은 스탬프 성형 시 주름이 생기거나 잘못 형성되는 경향이 있고, 두꺼운 부품은 완성 형상으로 가공하기 어려울 수 있습니다.

가공을 위해 다허는 부품 필요에 따라 워터젯 절단과 기계 가공을 혼합 사용해 두께 이슈를 완화하고 온도를 관리했습니다. 또한 12mm 두께 리브에서 팀은 부품 중앙에 플라이 드롭 윈도우를 설계해 전체 부품 무게를 줄였습니다. 콩데는 플라이 드롭 윈도우가 이러한 잠재적 이슈 해결 외에도 "부품 거동에 대한 이해를 높이기 위해 부품에 다양한 제조 피처를 시도할 수 있게 해주었다"고 덧붙입니다.

스탬프 성형 공정은 더 큰 과제임이 입증되었습니다. "주름 위험을 완화하기 위해 새로운 스탬핑 방식을 고안해야 했습니다."라고 바일리는 말합니다. 다허는 결국 이 문제를 해결하기 위한 독자적인 방법을 개발했습니다.

다음 단계

WOT를 넘어 다허는 열가소성 리브 생산을 위한 대체 제조 방법을 평가 중이며, 미래 고속 제조를 위한 완전한 생산 라인 개발 계획도 세우고 있습니다.

예를 들어, WOT 시연기는 패스너를 사용하지만, 바일리는 2019년 열가소성 복합소재 및 유도 용접 전문 KVE 컴포지트(네덜란드 헤이그) 인수를 통해 다허가 미래에 용접 구성품 능력을 갖추게 되었다고 지적합니다. "우리는 차세대 단일 통로 항공기용 UD 두꺼운 부품 용접에서 더 높은 TRL 수준에 도달하기 위한 별도 프로젝트를 진행 중입니다."라고 그는 말합니다.

다허는 또한 미래 열가소성 리브 생산을 위한 완전한 생산 라인 개발 작업을 하고 있습니다. "우리는 개념을 정말 개선하고 모든 작업에 필요한 기계 수를 줄이고 공정 비용을 줄이고 있습니다."라고 바일리는 말하며, 목표는 고량 항공기 생산 목표에 부합하는 것이라고 덧붙입니다.