다기능 동체 시연기(MFFD) 상부 구조물 제작: 첨단 제조 인사이트

이 블로그는 지난 가을 TU 뮌헨 심포지엄에서 독일 항공우주 센터(DLR, 슈투트가르트 및 아우크스부르크)가 발표한 프레젠테이션과 같은 기간에 발행된 CW 요약 "다기능 동체 시연기(MFFD) 진전"의 후속편이다. 이 프로젝트는 ITHEC 2020 3일차 9:35에 라스 라르센(Lars Larsen)이 발표한 "로봇 기반 연속 초음파 용접을 이용한 먼지 없는 미래 동체 구조 조립을 위한 공정 데이터 기반 발전"에서도 설명되었다.

라르센이 설명했듯이, "주요 과제는 자동화를 사용하여 생산 비용을 크게 절감할 수 있음을 보이는 것이다." MFFD 상부 구조물의 경우, 이는 오토클레이브를 피하기 위한 자동 테이프 적층/섬유 배치(ATL/AFP) 중 인시투 콘솔리데이션과 조립을 위한 무분진/무먼지 용접을 포함한다. "이를 통해 향후 구성품 및 최종 조립 라인의 순서를 변경할 수 있게 될 것"이라며, "시스템을 조립 전에 통합할 수 있게 된다"고 라르센은 말한다. 패스너 구멍 가공과 달리 용접은 칩이나 파편을 생성하지 않아 분산 전기 전원, 인테리어 피팅 등 사전 설치된 시스템을 손상시킬 수 없기 때문이다.

이 블로그는 DLR 구조 및 설계 연구소(BT, 슈투트가르트)의 구성품 설계 및 제조 기술 책임자 세바스티안 노보트니(Sebastian Nowotny)와 DLR 경량 생산 기술 센터(ZLP, 아우크스부르크)의 열가소성 복합재 생산 기술 리드이자 MFFD 상부 구조물 프로젝트 매니저인 프레데릭 피셔(Frederic Fischer)와의 인터뷰를 기반으로 한다.

참고: 위 이미지에서 글라이드 성형 스트링거는 클린 스카이 2 내에서 어플러스+ 래버러토리스(Applus+ Laboratories, 스페인 바르셀로나)가 개발한 공정을 의미하며, 내 2017년 글라이드 포밍 블로그 참조. 핫 프레스 클립은 스탬핑을 의미하며, 다음 참조:

• 항공우주 분야 열가소성 복합재 가속화
• 열가소성 복합재 "클립"으로 소소하지만 중요한 부품의 시간과 노동력 절감
• 열가소성 복합재 핫베드 내부

구조물, 캐빈, 시스템의 결합

노보트니에게 MFFD 상부 구조물의 역사를 물었다. "클린 스카이 2가 시작되었을 때 첫 제안 공모가 발행됐다"며, "2015년에 시작했고 ICASUS라는 대형 여객기(LPA) 프로그램의 공동 파트너 프로젝트 입찰에서 낙찰받았다. 주요 초점은 다기능 동체 설계였다. 당시에는 열가소성 복합재가 아니었다. 주요 목표는 동체, 캐빈, 시스템, 구조를 하나의 설계 프로세스로 결합하는 것이었다. 기본적으로 거기서 수행된 작업이 이제 다기능 동체 시연기(MFFD)가 되었고 상부 쉘 프로젝트에서 우리의 작업을 위한 기술 지원이 되고 있다."

ICASUS 프로젝트

ICASUS 프로젝트는 차세대 다기능 고통합 솔루션을 개발하는 것을 목표로 한다. 오늘날 단일 통로 항공기의 제조 및 조립 공정은 비용과 시간이 많이 드는 순차적 단계에 의해 주도된다. 특히 주요 구성품 조립(MCA)과 최종 조립 라인(FAL)은 더 빠르고 가속화된 공정을 방해하는 병목 현상이다. 따라서 ICASUS는 미래 단일 통로 항공기의 제조 및 조립을 위한 새로운 개념을 개발하여 다음을 목표로 한다:

• 월 60대 항공기 고속 생산;
• 참조 A321 ACF("Advanced Cabin Flex") 대비 동체 반복 비용 100만 유로 절감;
• A321 ACF 대비 동체 중량 1톤 감량.

접근 방식은 원래 자율적이었던 캐빈/카고, 시스템, 구조 분야를 결합하여 각각의 기능과 요구 사항의 가장 유망한 조합과 통합을 도출하는 것이다. 이는 첨단 소재 사용과 혁신적 설계 원칙 적용, 차세대 캐빈과 결합된 최첨단 시스템 아키텍처를 통해 달성된다.

주요 동인은 저중량 시스템과 시스템 아키텍처/통합을 적용하여 연료 소비를 크게 줄이는 것이다. 이는 다학제적 전체 최적화 절차와 전체적인 인더스트리 4.0 접근법의 개발 및 적용을 요구한다. 자동화 제조를 위한 설계, 자동화, 센서화, 데이터 분석, 안전한 데이터 교환이 활용될 것이다. MFFD 제조의 주요 목표에는 다기능 복합 구조물의 비용 효율적이고 대량 생산 검증과 열가소성 CFRP 접합부(예: 용접)에 대한 인증 개념 기여가 포함된다.

동체 캐빈, 시스템, 구조를 어떻게 하나로 결합하는가? "여전히 각 분야가 각자의 요구 사항을 가지겠지만, 주요 목표는 초기 단계에서 협력하는 접근 방식이라고 생각한다"고 노보트니는 설명한다. "항공기 동체 설계 프로세스에 엄격한 규칙이 있어 제한을 만들고 완전히 최적화된 항공기 설계를 방해해 왔다. 구조, 캐빈, 시스템을 결합하려는 초기 아이디어는 이 세 측면을 함께 가져온 다음 전역 최적점을 찾는 설계 프로세스를 갖는 것이었다. 캐빈을 위해 먼저 하나, 구조를 위해 하나, 시스템을 위해 하나씩 찾는 것이 아니라. 하지만 물론 많은 규칙이 있고 이는 인증도 포함하므로 쉬운 프로세스는 아니다."

"진행 중인 프로세스인데, 디지털 플랫폼이 구축되어 모든 유럽 파트너가 단일 디지털 설계에 입력을 제공한다"고 피셔는 말한다. "MFFD를 위한 이 통합 설계를 발전시키는 것이 지난 몇 년간 진행되어 왔다. 우리 팀은 캐빈 및 시스템 부착을 위한 조항이 포함된 상부 구조물을 제공할 것이다. 비전은 완전히 장착된 주요 구성품을 제공하여 최종 조립에 혁명을 일으키는 것이다."

DLR이 이미 MFFD 설계 프로젝트 일부였지만, 제조 프로젝트에 대한 최종 승인은 2019년까지 받지 못했다. 상부 구조물 제작 컨소시엄은 에어버스가 전체 MFFD 프로젝트 리드, 프리미엄 에어로텍(Premium Aerotec, 독일 아우크스부르크)이 산업 및 구조 설계 리드 및 프레임 공급업체, 아에르노바(Aernnova, 스페인 비토리아-가스테이즈)가 스트링거 생산, DLR이 스킨 레이업 및 용접 기술 개발 리드를 맡는다. 피셔에 따르면, "지난 1년 동안 상부 구조물 설계를 선택된 기술로 제조할 수 있도록 보장하기 위해 개선해 왔다."

인시투 콘솔리데이션

MFFD 하부 구조물은 ATL과 AFP 후 오토클레이브 콘솔리데이션으로 생산되는 반면, 상부 구조물은 ATL/AFP 중 인시투 콘솔리데이션을 사용한다. 왜인가? "연구 프로젝트에서 최대 산출물을 얻기 위해 기준선을 도전하고 하부 구조물과 상호 보완적인 기술을 활용할 기회를 잡기로 했다"고 피셔는 말한다. 노보트니는 덧붙인다: "매우 유망한 제조 방법으로 린 생산에 초점을 맞춰 제조 단계를 줄이는 것을 보여주었다. 하지만 모든 목적에 부합하는 단일 제조 방법은 없다는 것이 분명하다. 여전히 각 부품에 대한 최적 제조 공정이 무엇인지 사례별로 결정해야 한다."

두 가지 용접 기술

상부 구조물에 두 가지 다른 용접 기술을 사용하기로 한 것도 또 다른 선택이었다. "스트링거에는 로봇 기반 연속 초음파 용접을 사용하는데, 우리 의견으로는 정말 긴 조인트, 특히 스트링거 구성에 가장 적합한 기술이기 때문"이라고 피셔는 설명한다. 동체 프레임 통합에는 저항 용접이 선택되었다. "이 선택들은 프로젝트 초기에 프리미엄 에어로텍과 함께 했던 집중적인 분석의 결과다. 다양한 용접 시나리오, 무엇을 어디에 접합해야 하는지 살펴보았다."

DLR이 개발한 연속 초음파 용접은 표준 산업용 로봇을 사용한다. 용접 엔드 이펙터는 프리러닝 롤러, 25mm 직경 소노트로드, 후속 압축 유닛으로 구성된다. 엔드 이펙터는 다중 센서를 장착하여 인라인 공정 모니터링을 가능하게 한다. 로봇을 매니퓰레이터로 사용하여 아래 비디오와 같이 곡선 후방 압력 격벽이나 오메가 스트링거를 스킨에 용접하는 등 다양한 형상을 용접할 수 있다.

"그래서 우리는 한 가지 큰 차이점이 있는 두 가지 프로세스를 가진다"고 피셔는 언급한다. "하나는 연속 공정이고 다른 하나는 불연속 공정이다. Z-스트링거의 8미터 길이 조인트에는 연속 초음파 용접을 선택했다. 그리고 접근성과 공차 관리 측면에서 매우 복잡한 유스케이스인 프레임 부착 플랜지를 스킨에 용접하는 데는 저항 용접을 선택했다. 저항 용접 요소를 프레임 형상에 맞게 장착하고 클램프 같은 용접 툴이 공압으로 닫히고 용접 요소를 접촉한 후 용접 공정을 트리거한다."

노보트니는 저항 용접이 가장 높은 성숙도와 더 높은 강도를 가지며, 프레임과 클릿 사이 조인트에서 보이는 더 높은 하중과 잘 맞는다고 지적한다. 이 공정이 프레임을 스킨에 용접 하고 클릿을 프레임과 스트링거 모두에 용접한다고 지적한다.

"2017년 JEC에서 일반 부품에 대한 클립 통합을 시연했다"고 피셔는 말한다. 노보트니는 덧붙인다: "실제로 2005-2008년 에어버스 브레멘 고양력 부서와 함께 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 열가소성 수지로 저항 용접하는 HISYS 프로젝트를 진행했다. 리브를 스킨에 용접하는 전체 공정을 TRL 5까지 끌어올렸다. 그래서 공정의 기본은 꽤 잘 이해되고 있으며, 이제 주로 공정의 적응, 자동화, 견고성에 집중할 수 있다."

"비록 오랫동안 존재해 왔지만, 다양한 용접 기술의 핵심 인에이블러 중 하나는 그것들이 산업에서 상업적 애플리케이션에 준비되어 있음을 보이는 것"이라고 피셔는 지적한다. "필요한 자동화, 프로그래밍, 품질 보증을 포함한다. 우리가 보는 주요 이슈 중 하나는 용접이 좋은지 어떻게 아는가다. 우리는 용접이 장기적으로 성능을 발휘할 것임을 보여주는 공정 데이터가 있고, 완료된 조립에서 추가적인 초음파 NDT 검사나 다른 전반적인 검사를 요구하지 않음을 확신하고 싶다. 따라서 이 프로젝트의 주요 목표 중 하나는 산업 품질 보증 개발이다."

LM PAEK로 전환

내 블로그 "다기능 동체 시연기를 위한 LM PAEK 용접 입증"에서 설명했듯이, MFFD는 탄소섬유/PEKK(폴리에테르케톤케톤)로 시작했으나, 2019년 3월 10차 제안 공모(CFP10) 때 기준 소재가 탄소섬유/PAEK(폴리아릴에테르케톤)로 전환되었다. PAEK는 PEEK, PEKK, LM PAEK가 속하는 전체 폴리머 패밀리다. 상부 구조물 팀은 LM PAEK에 얼마나 경험이 있는가? "이미 여러 제조 시험에 사용해 보았다"며, "양쪽 초음파 및 저항 용접에서 소재 성능이 꽤 유망하다. 여전히 소재는 개발 중이며, 모든 유럽 파트너와 소재 공급업체 간에 교훈 교환과 가공 가이드라인 개발을 위한 공동 프로세스가 설정되어 있다."

"그러나" 노보트니는 덧붙인다, "여러 소재 공급업체가 이제 소재에 적극적으로 작업하고 다양한 공정에도 작업하고 있다는 것은 좋은 일이다. 예를 들어, 2020 TU 뮌헨 심포지엄에서 발표된 빅트렉스는 이제 적층 제조 최적화를 검토하고 있다. AFP 인시투 콘솔리데이션 최적화 작업도 있고, 오토클레이브를 사용한 2차 콘솔리데이션 및 다양한 오토클레이브 외(OOA) 제조 공정 작업도 있다. 이제 훨씬 더 많은 일이 진행 중이며, 이는 각 공정에 적합한 좋은 소재를 얻을 기회를 증가시킨다."

타임라인 및 다음 단계

"기본적으로 중간 시연기 설계 제조 공정을 마쳤는데, A320 직경에 2개 프레임 베이와 950mm 폭으로, 내년(2021) 초에 그 작은 하프 쉘을 제작할 것"이라고 피셔는 말한다. "그 외에 풀사이즈 상부 쉘 툴링 조달을 시작했고, 2022년에 제시간에 풀사이즈 상부 구조물을 생산할 수 있도록 기술을 고도화하고 있다."

이것이 무엇을 수반하는가? 한 가지 이슈는 조립 공차다. "상부 및 하부 동체 반쪽의 좌우 종방향 조인트는 이미 설계되어 왔다"며, "이로부터 특정 요구 사항이 있으며, 우리 생산 공차가 그 요구 사항을 충족하도록 보장해야 한다."

"우리가 상부 쉘로 하려는 기본 이야기는 열가소성 복합재 생산을 위한 가장 효율적인 경로를 시연하고, 미래 항공기에서 알루미늄과 경쟁할 수 있는 길을 닦는 것"이라고 피셔는 말한다. 그는 DLR이 이미 프리미엄 에어로텍과 협력하여 용접 열가소성 후방 압력 격벽을 개발해 2018년과 2019년에 시연한 바 있다고 언급한다( "열가소성 복합재 용접의 새로운 지평" 참조). 용접과 린 생산은 열가소성 수지의 핵심 인에이블러다. 그리고 이제 이 기술들을 실험실에서 산업으로 꺼내야 한다. 산업계가 이 용접 기술들을 실제 생산 작업에서 자동화 가능하고 예측 가능하며 신뢰성 있게 제어할 수 있음을 믿게 하려면, 우리가 그것을 보여줘야 한다. 그리고 그것이 우리가 하고 있는 일이다."