내일의 날개(Wing of Tomorrow) 립: 원샷·열가소성·OOA 통합으로 차세대 항공기 구현

에어버스(Airbus) '내일의 날개(Wing of Tomorrow, WOT)' 프로그램이 2015년 출범해 지난 6년간 단일 통로 상용기 날개용 더 비용 경쟁력 높고 높은 처리량의 소재·제조·조립 기술 탐구해왔습니다(이전 CW WOT 프로그램 보도 참조).

GKN 항공우주 네덜란드 글로벌 기술 센터(호헤벤) 디렉터 아르노트 오프링가(Arnt Offringa)에 따르면 GKN 항공우주(브리스톨, 영국)가 WOT 프로그램 매우 적극 참여: RTM 방식 날개 스페어 데몬스트레이터, 알루미늄 날개 립 4개 개발. 최근 또 다른 기술 데몬스트레이터로 비용 경쟁력 있는 열가소성 복합 립과 원샷·아웃오브오토클레이브(OOA) 제조용 혁신적 모듈러 프레스 시스템 개발 납품.

열가소성으로의 도약

2018년 GKN 항공우주 내부 논의로 WOT용 5개 데몬스트레이터 립 생산 소재·제조 기술 검토. 전통적 상용기 립 소재 알루미늄으로 4개 대형 인보드 립 제작 결정, 소형 아웃보드 립엔 복합재 옵션 탐구. 오프링가: "WOT 데몬스트레이터가 복합재 날개이므로 알루미늄과 경쟁 가능한 복합 립 개발이 논리적 단계."

"복합 날개에 복합 립 여러 이점: 1) 소재 간 열팽창 차이 없음(금속 립-복합 날개 또는 반대 경우 발생). 2) 부식 우려 없음. 3) 경량화. 4) 검사 용이."라고 설명.

일반 금속 립 최종 날개 조립 후 육안 인적 검사 필요. 립 위치가 날개 내부라 대형 타원형 해치 하단 윙스킨에 뚫어 사람 진입 필요. "복합 립 가면 립 피로 적고 검사해야 할 잠재 피로 균열 적어. 검사 훨씬 단순·비집약적, 윙스킨 해치 불필요, 연속 윙스킨 가능."

중량 감량, 내식성, 덜 침습적 검사 이점은 열경화성·열가소성 복합재 모두서 가능. "내부 연구로 중량, 비용, 산업화 비교, 기술 비교 후 열가소성 선택. 비용 측면에서 최고 잠재력, 최적 비즈니스 케이스."라고 오프링가.

에어버스 필턴(영국) 날개 기술 센터( WOT 데몬스트레이터 테스트 장소) 근접성으로 GKN 항공우주 브리스톨(영국) 지사가 WOT 작업 메인 허브. 하지만 포커 테크놀로지스 시절부터 열가소성 전문성 가진 GKN 항공우주 네덜란드와 양 팀 협력. "설계는 영국, 제조 개발은 네덜란드, GKN 항공우주 내 다른 팀 간 정말 좋은 협력." 오프링가. 에어버스 WOT 총괄 수 파트리지(Sue Partridge): "파트너 협업 WOT 프로그램 중요 측면. 자원 결합으로 양사 역량 활용 솔루션 진전, 더 나은 결과."

WOT 립용 솔베이(Solvay, 벨기에 브뤼셀) APC 카본 파이버/폴리에테르케톤케톤(PEKK-FC) 테이프 사용, 패스트 크리스탈라이징 제형 노바스파이어(Novaspire) PEKK-FC 기반. 토레이 첨단복합재(모건힐, 미국) 저융점 카본 파이버/폴리아릴에테르케톤(PAEK) 소재도 향후 립 구조 옵션으로 평가 중.

차세대 날개 립 설계

일반 단일 통로 항공기 날개 20개 이상 립. 열가소성 복합 데몬스트레이터 립은 데모 날개 14번, 나머지는 대체 소재·공정 데모.

열가소성 복합 립 통상 소형기용 스탬프 성형 제조. 오프링가: "상용기 날개, WOT 데모 같은 내로바디도 매우 높은 압축·인장 하중. 전통적 스탬프 성형 시 매우 두꺼운 립, 두꺼운 웹 필요해 중량 감량 요구에 부적합. 게다가 스탬프 성형으로 립 하단 플랜지(하부 윙스킨 연결부) 양면 부품 생성 불가, 별도 부품 제작·볼트 체결 필요. 팀 설계 의도 구현 가능한 더 유연한 제조 공정 필요."

GKN 항공우주 90cm 길이, 24cm 높이 열가소성 립: 수직 웹, 하단에서 연장된 양방향 8mm 두께 플랜지. 중량 요건 충족 위해 웹 7mm 두께. 버클링 방지·강성 증대 위해 3mm 두께 보강 요소로 GKN 버트-조인트(butt-joint) 기술 적용(평면 보강재 프리폼+사출 몰드 '필러' 소재로 강하고 연속적인 조인트 생성. 걸프스트림 동체 패널에 솔베이 카본 파이버/PEKK-FC 테이프로 적용된 이 기술 'Thermoplastic primary aerostructures take another step forward' 참조).

오프링가: "이 형상 복합재로 견고하게 만들 수 있다면 원하는 중량 감량 달성하는 매우 경량 설계 가능. 하지만 어떻게 이런 복잡한 형상 비용 효율적·고속 제조하나? 여기에 노력 집중해 신제품 창출."

원스텝 OOA 제조

공정은 GKN이 이전에 TAPAS(열가소성 경제적 1차 항공기 구조) 프로젝트와 버트-조인트 기술 사용 걸프스트림 동체 패널 개발에 사용한 기술 기반. WOT 립용 OOA 원스텝 통합 공정 개발.

"이전 작업 다음 단계로 첫 오토클레이브 외 공정 진행." 오프링가.

1. 단방향(UD) 열가소성 테이프 정확한 폭으로 슬리팅
2. 라미네이터로 평면 요소를 2개 L자형 웹 프리폼으로 예성형
3. 웹 프리폼, 플랜지용 평면 프리폼, 스트링거 구성 소형 프리폼·사출 몰드 필러 요소 모두 툴에 로드
4. 툴을 모듈러 코-통합 프레스(RTM 프레스 유사) 내 배치
5. 프레스 닫고 블래더 시스템으로 수평·수직 양방향 압력 생성(오토클레이브 압력 시뮬레이션)
6. 통합 저항 가열 시스템으로 복합재 순간 용융 온도 도달 후 냉각·통합

"개발 노력 대부분 툴링 튜닝·최적화에 투입." 오프링가. 시스템 모듈러 설계: 툴링 교체로 다른 치수 립이나 타 부품 수용 가능, 동일 가열·냉각 시스템 유지. 이 립엔 불필요하나 GKN 기술 센터 개발 프레스는 6m 길이 부품까지 수용 가능(타 패널·빔 포함).

열가공 시 공정 제어 시스템 핵심. 열가소성 열경화성보다 높은 온도서 용융, 워페이지 최소화·결정도 최대화 위해 제어된 일관된 냉각 공정 필수. "공정 시작부터 끝까지 정확히 제어 매우 중요. 가열 사이클 열관리 매우 중요." (열가소성(TP) 성형 이슈 사이드바 참조).

특수 툴링 기능으로 얇은 일체형 보강재가 툴에서 쉽게 탈형 가능. 탈형 부품 니어 넷 셰이프, 트리밍 후 완제품. 툴 인→툴 아웃 전 공정 약 45분. 프레스 1기로 8시간 근무조 기준 약 15개 날개 립 제조 가능.

오프링가: "결국 단순한 제조 공정. 여러 작업 동시 수행: 상이 형상 프리폼 코-통합, 립 하단 양방향 플랜지 생성, 버트-조인트 기술로 웹 보강. 궁극적으로 소재 모든 요소 툴에 넣고 1공정 단계로 1개 균질 부품 생성."

테스트, 납품 및 향후

2019년 말 립 서브컴포넌트 GKN 와이트 섬·호헤벤 시설서 테스트, 인장·압축 강도 요건 "큰 마진으로 통과." 오프링가: "강하고, 터프하고, 제조 용이. 예상대로 정확히 구현된 컨셉." 알루미늄 버전 대비 상당한 중량 감량, 비용 경쟁력 갖춤.

에어버스에 3개 립 납품, 1개 WOT 데모 조립·테스트용. GKN 항공우주 WOT 및 그 이상 상용 항공우주 립 공정·소재 최적화 지속 작업 중.