디지프롭(DigiProp), 다우티 프로펠러와 고객을 위한 지속 가능한 혁신 주도

복합소재 프로펠러 시스템의 글로벌 리더이자 GE 항공(GE Aviation, 미국 오하이오주 신시내티) 산하인 다우티 프로펠러(Dowty Propellers, 영국 글로스터)가 최대 규모의 프로펠러 연구 개발 프로그램인 디지프롭(DigiProp)의 성공적인 완료를 발표했다. 다우티가 주도한 4년간 2,000만 파운드 규모의 '디지털 추진(Digital Propulsion)' 프로그램은 프로펠러 시스템의 설계, 제조, 테스트 전반을 혁신하는 것을 목표로 했다.

운영 환경을 더 잘 반영하도록 테스트 방법을 발전시키는 것이 디지프롭 프로그램의 핵심 영역이었다. Photo credit: Dowty Propellers

디지프롭은 영국 정부의 지원을 받아 영국의 3대 고부가가치 제조 캐터펄트 센터와 협력했다: 셰필드 대학교 첨단 제조 연구 센터(AMRC, 셰필드), 제조 기술 센터(MTC, 코번트리), 국립 복합소재 센터(NCC, 브리스톨). 주요 성과로는 복잡한 형상 구조를 위한 3축 브레이딩 규모 확대, 주조나 가공 대체용 자동 폼 열성형 공정 개발, 탄소 섬유 프리폼용 로봇 초음파 트리밍 성공적 적용 등이 있다. 추가 개발 사항은 다음과 같다:

• 3축 브레이딩이 산업 규모로 개발됨, 첨단 복합소재의 방향성 특성을 활용하여 성능과 강도를 제공하면서 경량화 이점을 극대화해 전체 블레이드 무게 감소 실현
• 열가소성 복합소재 개발로 재활용, 폐기물 감소, 금형 재사용 가능, 탄소 중립 추진 지원
• 디지털 트윈 도입으로 다우티 프로펠러의 신공장 개발 시 공장 면적 최적화뿐만 아니라 공정 병목 현상 파악으로 제조 시간과 에너지 소비 감소, 초도 양품률 향상, 고객 납기 단축 달성
• 복잡한 데이터 모델을 통해 공기역학적 및 음향 성능 개선이 다우티 프로펠러 고객에게 제공 가능해졌고, 디지털 스레드 구축으로 빅데이터 활용 기반 마련

AMRC: 폼 열성형, 브레이딩, 초음파 트리밍

"디지프롭 프로그램을 통해 AMRC 복합소재 센터는 복합소재 제조의 가능성 한계를 넓힐 수 있었습니다."라고 AMRC 복합소재 시뮬레이션 기술 책임자 맷 스미스(Matt Smith) 박사는 말한다. "폼 열성형에서 이 수준의 복잡성은 AMRC에서 이전에 시도하지 않았던 것입니다. 다우티 프로펠러가 결과에 큰 관심과 감명을 받아 디지프롭 종료 후에도 이 작업을 계속하고 싶어했습니다."

AMRC의 KSL 로봇 셀에 초음파 나이프 부착. KukaSim으로 공구의 이상적 위치를 계산해 최적 절단 경로 도출. Photo Credit: Dowty Propellers, AMRC

"3축 브레이딩 역량 개발에도 성공했습니다."라고 스미스는 말한다. "제조 규모 확대 과제를 극복했습니다. 맨체스터 대학교에서 단순한 관형 구조로 소규모 시험을 시작해 다우티 프로펠러가 지정한 복잡한 형상의 실제 에어포일 형상으로 발전시켰습니다."

AMRC 복합소재 센터 팀은 성형 전 소재 적층을 스티칭으로 고정하는 것의 실현 가능성도 입증했다. 이어 로봇 팔에 장착된 초음파 나이프로 크기에 맞게 트리밍했다. "초음파 트리밍이 정말 성공적이었습니다."라고 스미스는 말한다. "이 기술의 이점은 소재 적층을 효율적으로 안정화하고, 초음파 절단 공정이 다축 절단 요구사항을 처리할 수 있다는 점입니다."

"우리가 개발한 파라메트릭 프로펠러 시스템 모델은 인간의 머리로는 계산할 수 없는 방대한 변수를 활용해, 수천 년치 수작업 계산을 몇 주 만에 수행할 수 있게 해줍니다."라고 다우티 프로펠러의 엔지니어링 리더 조나단 체스니(Jonathan Chestney)는 설명한다. "이로써 고객에게 그 어느 때보다 빠른 설계 대응과 높은 수준의 설계 최적화를 제공할 수 있습니다."

AMRC는 이제 폼 열성형과 초음파 트리밍 분야의 미래 프로젝트를 모색 중이다.

NCC: 컴잉글드 탄소/열가소성 및 블래더 몰딩

디지프롭의 일환으로 NCC 팀은 블레이드 제조 워크플로를 검토하여, 블레이드 요구사항과 기하학적 제약 조건을 입력하여 새로운 블레이드 구조 설계에 최대한의 유연성을 제공할 다양한 기술과 공정을 탐구했다.

NCC는 터보프롭 항공기 프로펠러 블레이드 풀스케일 시제품과 3축 브레이딩과 컴잉글드 열가소성 및 탄소 섬유 보강재의 블래더 몰딩을 결합한 새로운 제조 공정을 설계 및 제조했다. 블래더 시스템에서는 실리콘으로 코팅된 왁스 금형을 맨드릴로 사용하여 오버브레이딩했다.

블레이드는 내구성이 있어야 하면서 표면 결함이 없어야 하므로 다양한 소재 조성을 테스트해야 했다. 건식 프리폼도 맨드릴 주변에 적층될 때 형태를 유지하고 처지거나 왜곡, 이동하지 않아야 한다. 이는 섬유의 올바른 위치와 정렬을 보장하여 블레이드 설계 의도와 성능 요구사항을 충족하기 위함이다.

열가소성 블레이드 제조 공정은 브레이딩 후 금형에서 쉽게 제거할 수 있으면서 성형 후 팽창식 실리콘 블래더가 남아 내부 압력으로 경화 중 통합을 가능하게 하는 강성 맨드릴 개발이 필요했다. 실리콘 코팅 왁스 금형이 해결책이 되었으나, 블래더 파손과 복합소재 블레이드 불완전 통합을 방지하기 위해 실리콘 두께를 최적화해야 했다.

열가소성 사용으로 NCC는 일반적인 열경화성 에폭시 수지의 4시간에 비해 경화 사이클을 약 5분으로 단축했다. 한 반복에서는 블레이드 구조에서 폼 코어를 제거하여 무게 감소와 피로 수명 및 내충격성 개선을 동시에 관찰했다. 총 6개의 프로토타입 프로펠러 블레이드가 개발되었으며, 매번 설계와 제조 기술을 개선하고 향상시켰다.

NCC는 디지프롭 프로그램 참여가 중공 3D 구조에 더 널리 적용 가능한 디지털 제조 기술을 블레이드 설계에 개발할 수 있는 독특한 기회였다고 보고했다. 예를 들어 소형 전기 항공기용으로 경제적으로 재활용 가능한 복합소재 부품 등이다. 이 작업은 NCC가 브리스톨 기반 산악 자전거 제조사 스타링 사이클스(Starling Cycles)와 열가소성 복합소재 브레이딩 기술 선도 기업 컴포지트 브레이딩(Composite Braiding)과 협력한 노블 복합소재 E-바이크(Novel Composite E-Bike) 추가 프로젝트로 이어졌다.

미래 기술의 현재 적용

"이것은 다우티가 수행한 최대 연구 프로젝트이며, 더 나은 타이밍은 없었습니다."라고 다우티 프로펠러의 헨리 존스턴(Henry Johnston) 사장은 말한다. "이제 우리는 첨단 신기술 제품군을 보유하게 되어, 코로나19 이후 진행되는 지속 가능한 플랫폼 가속화에 잘 대비할 수 있게 되었습니다."

"이 프로젝트는 설계와 생산성을 통한 추진 성능과 비용 혁신을 제공하여 프로펠러 R&D를 변혁시켰습니다."라고 항공우주 기술 연구소(ATI)의 첨단 시스템 및 추진 기술 책임자 마크 스컬리(Mark Scully)는 말한다. "고부가가치 제조 캐터펄트 파트너들의 도움으로 제조 혁신이 글로스터의 최첨단 다우티 시설에 적용되었습니다."

컨소시엄이 달성한 제조 역량의 단계적 변화는 복합소재 기술과 산업 디지털화를 활용하여 생산 비용을 절감하고 유럽 2,000억 유로 항공 부문의 미래 추진 시스템 성능을 향상시킴으로써 영국 항공우주 프로펠러 제조 기반을 확대할 새로운 기회를 열어준다.

다우티 프로펠러는 이제 디지프롭에서 실현된 기술들을 진화하는 항공기 애플리케이션과 차세대 플랫폼을 겨냥해 사용하기 시작했다. 잠재 고객들은 다우티의 성능 분석 단기 대응 능력으로 트레이드 스터디 지원을 받고 있다.

다우티는 ATI 프로그램의 지원과 자금 없이는 디지프롭이 불가능했음을 분명히 한다. ATI 프로그램은 영국 정부와 산업계의 공동 투자로, 민간 항공우주 설계 및 제조 분야에서 영국의 경쟁력을 유지하고 성장시키기 위한 것이다. ATI 프로그램은 항공우주 기술 연구소(ATI), 기업에너지산업전략부(BEIS), 이노베이트 UK(Innovate UK) 간 파트너십으로 제공되며, 기술, 역량, 공급망 과제를 다룬다.