레오나르도·CETMA, 복합재 소재 혁신으로 비용 절감·환경 영향 저감 실현

이 블로그는 스테파노 코르발리아(Stefano Corvaglia) 레오나르도 에어로스트럭처스 사업부(이탈리아 그로타글리에, 포밀리아노, 포자, 놀라 생산 시설) 소재 엔지니어, R&D 책임자, IP 매니저와 실비오 파파다(Dr. Silvio Pappadà) CETMA(이탈리아 브린디시) 레오나르도 연구 엔지니어, 프로그램 책임자와의 인터뷰를 기반으로 한다.

레오나르도(Leonardo, 이탈리아 로마)는 항공우주, 방위, 보안 분야 세계 주요 기업 중 하나로 매출 138억 유로, 전 세계 40,000명 이상 직원을 보유한다. 전 세계 규모로 공중, 육상, 해상, 우주, 사이버·보안, 무인 시스템에 대한 포괄적 솔루션을 제공한다. 2019년 약 15억 유로(매출의 11%)를 R&D에 투자해 항공우주·방위 부문 연구 투자에서 유럽 2위, 세계 4위를 기록했다.

에어로스트럭처스 사업부를 통해 레오나르도는 복합재와 전통 소재로 동체 섹션과 엠페나지 등 대형 구조 부품 제작 및 조립을 세계 주요 민간 항공 프로그램에 제공한다.

복합재 분야에서 레오나르도 에어로스트럭처스 사업부는 그로타글리에 공장에서 보잉 787 중앙 동체 섹션 44, 46용 '원피스 배럴'을, 포자 공장에서 수평 안정판을 생산해 787 기체의 약 14%를 담당한다. 기타 복합재 구조물 생산에는 포자 공장에서 ATR과 에어버스 A220 상용기용 엠페나지 제작 및 조립, 보잉 767용 복합재 부품, F-35 합동타격전투기, 유로파이터 타이푼 전투기, C-27J 군수송기, 레오나르도 생산 팔코 제품군 최신 무인기 팔코 엑스플로러(Falco Xplorer)용 복합재 부품이 포함된다.

CETMA와의 협력

"CETMA와 열가소성 복합재(TPC), 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM) 등 많은 진행 중인 활동이 있습니다."라고 코르발리아는 말한다. "우리 목표는 R&D 활동을 가능한 최단 기간 내 양산 준비 상태로 만드는 것입니다. 우리 부서(R&D 및 IP 관리)에서는 더 낮은 TRL[기술 성숙도 수준, 즉 낮은 TRL은 더 초기 단계로 양산에서 더 멀다]의 파괴적 기술도 살펴보지만, 더 경쟁력 있게 만들고 전 세계 고객을 지원하고자 합니다."

"우리 협력 초기부터," 파파다가 덧붙인다. "비용과 환경 영향을 낮게 유지하는 것을 항상 목표로 했습니다. 열가소성 복합재(TPC)가 열경화성 대비 둘 다 감소시킨다는 것을 발견했습니다."

코르발리아는 "실비오 팀과 함께 이 기술들을 개발하고 자동화 셀 프로토타입을 구축해 양산에서 평가했습니다."라고 언급한다.

연속 압축 몰딩(CCM)

"CCM은 우리 협력의 좋은 예입니다."라고 파파다는 말한다. "레오나르도는 열경화성 복합재로 제작된 일부 부품을 확인했고, 함께 항공기에서 대량으로 사용되는 스플라이스 구조물과 단순 형상의 스탠션 등에서 TPC로 전환할 기술을 탐구했습니다."

"저비용과 고속이 특징인 새로운 생산 기술이 필요했습니다."라고 그는 계속한다. 과거에는 단일 TPC 부품 제조에 많은 폐기물이 발생했다고 지적한다. "그래서 비등온 압축 몰딩 기반이지만 몇 가지 혁신(특허 진행 중)으로 스크랩을 줄여 넷셰이프를 생산합니다. 이를 위한 완전 자동화 셀을 설계했고, 이탈리아 기업이 우리를 위해 제작했습니다."

이 셀은 레오나르도가 설계한 부품을 "24시간 가동 시 5분마다 1개 부품" 속도로 생산할 수 있다고 파파다는 말한다. 그러나 팀은 프리폼 생산 문제를 해결해야 했다. "초기에 평면 라미네이션 공정이 필요했는데, 이게 당시 병목이었습니다."라고 그는 설명한다. "우리 공정은 블랭크(평면 라미네이트)로 시작해 적외선(IR) 오븐에서 가열한 후 프레스에서 성형합니다. 평면 라미네이트는 보통 대형 프레스로 4~5시간 사이클 타임이 필요합니다. 더 빠른 방법으로 평면 라미네이트를 생산할 새 방법을 조사하기로 했습니다. 그래서 레오나르도 엔지니어들의 지원으로 CETMA에 고생산성 CCM 라인을 개발했습니다. 1m x 1m 부품 사이클 타임을 15분으로 단축했습니다. 중요하게는 연속 공정이라 무제한 길이 생산이 가능합니다."

하지만 이 새로운 기술이 10년 넘게 Xperion(현 XELIS, 독일 마르크도르프)이 사용한 CCM과 어떻게 다른가? "결함인 보이드 등을 예측할 수 있는 해석적·수치적 모델을 개발했습니다."라고 파파다는 말한다. "레오나르도와 살렌토 대학(이탈리아 레체)과 협력해 파라미터와 품질에 미치는 영향을 이해했습니다. 이 모델로 온도와 압력뿐만 아니라 이들의 적용 방식도 최적화할 수 있었습니다. 온도와 압력의 균일한 분포를 위한 기술적 측면이 많지만, 이들이 복합재 구조물의 기계적 성능과 결함 성장에 미치는 영향을 이해해야 했습니다."

파파다는 계속한다. "우리 기술은 더 유연합니다. 또한 CCM은 20년 전에 개발되었지만, 이를 사용한 소수 기업이 지식과 노하우를 공유하지 않아 정보가 없습니다. 그래서 복합재와 가공 지식만으로 백지 상태에서 시작해야 했습니다."

"이제 내부 프로그램과 고객사와 협력해 이 새 기술에 맞는 부품을 찾고 있습니다."라고 코르발리아는 말한다. "이 부품들은 재설계되고 재인증되어 양산을 시작할 수 있습니다. 왜냐면? 목표는 항공기를 가능한 한 가볍게 하면서 가격 경쟁력도 갖추는 것입니다. 그래서 두께 최적화도 필요합니다. 하지만 부품이 더 가벼워지거나 유사한 형상의 다수 부품을 찾아 상당한 비용 절감을 실현할 수 있을지도 모릅니다."

"지금까지 이 기술은 소수 손에 있었습니다."라고 그는 재차 강조한다. "하지만 더 진보된 프레스 성형을 추가해 이 공정을 더욱 자동화할 대체 기술을 개발했습니다. 평면 라미네이트를 넣으면 바로 사용 가능한 부품이 나옵니다. 부품 재설계와 평면 대 성형 CCM 개발 단계에 있습니다."

"이제 CETMA에 매우 유연한 CCM 라인이 있습니다."라고 파파다는 말한다. "필요에 따라 다른 압력을 적용해 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다. 레오나르도와 함께 개발할 라인은 특정 니즈에 맞는 부품에 더 집중될 것입니다. 평면 패널과 L-스트링거용 CCM 라인과 복잡한 형상용 라인을 분리해 현재 복잡한 형상 TPC 부품 생산에 쓰이는 대형 프레스 대비 장비 비용을 낮출 수 있을 것으로 봅니다."

인시츄 통합을 위한 유도 가열 용접

"유도 용접은 온도를 매우 잘 조정하고 제어할 수 있고, 빠르게 가열하고 정확하게 제어할 수 있어 복합재에 매우 흥미롭습니다."라고 파파다는 지적한다. "레오나르도와 함께 TPC 부품 결합을 위한 유도 용접을 개발했습니다. 하지만 이제 TPC 테이프의 인시츄 통합(ISC)에 유도 용접을 사용하려 합니다. 이를 위해 전용 머신으로 유도 용접으로 매우 빠르게 가열할 수 있는 새로운 탄소섬유 테이프를 개발했습니다. 이 테이프는 상용 테이프와 같은 매트릭스 소재를 사용하지만 전자기 가열을 개선하는 다른 구조를 가집니다. 기계적 성능 최적화뿐만 아니라 공정 측면도 고려해 자동화로 비용 효율적으로 가공하는 방법 등 다양한 니즈를 맞추려 노력 중입니다."

그는 ISC를 양호한 생산 속도로 TPC 테이프에 달성하기가 매우 어렵다고 지적한다. "산업 생산을 위해 이걸 구현하려면 더 빠르게 가열하고 냉각하며 매우 제어된 방식으로 압력을 가해야 합니다. 그래서 통합되는 작은 영역만 유도 용접으로 가열하고 나머지 라미네이트는 차갑게 두기로 했습니다." 조립용 유도 가열은 더 높은 TRL을 가진다고 파파다는 말한다.

인시츐 통합에 유도 가열을 사용하는 것은 매우 파괴적일 수 있다. 현재 어떤 OEM이나 티어 공급사도 공개적으로 하지 않는 것처럼 보인다. "그렇습니다. 잠재적으로 파괴적 기술일 수 있습니다."라고 코르발리아는 말한다. "머신과 소재를 특허 출원했습니다. 열경화성 복합재와 비교할 만한 것을 목표로 합니다. 많은 이들이 TPC로 AFP(자동 섬유 배치)를 시도했지만 2차 통합 단계가 필요했습니다. 이는 형상, 비용, 사이클 타임, 부품 크기 측면에서 큰 제약입니다. 우리는 항공기 부품 생산 방식을 실제로 바꿀 수 있습니다."

SQRTM

열가소성 외에도 레오나르도는 RTM 기술을 계속 탐구한다. "이것도 CETMA와 협력해 오래된 기술 기반으로 특허받은 새 개발 영역입니다. 바로 SQRTM입니다. 동일 자격 레진 트랜스퍼 몰딩(SQRTM)은 처음에 레디우스 엔지니어링(미국 유타주 솔트레이크시티)이 개발했습니다. "이미 자격받은 소재를 사용할 수 있는 오토클레이브 외(OOA) 방법이 중요합니다."라고 코르발리아는 말한다. "잘 알려진 특성과 품질의 프리프레그도 사용할 수 있습니다. 이 기술로 항공기 창문 프레임을 설계, 시연, 특허 출원했습니다."

"이것도 오래된 기술이지만, 웹에서 이 기술에 대한 정보를 찾을 수 없습니다."라고 파파다는 지적한다. "중요한 건 다시 해석 모델로 공정 파라미터를 예측하고 최적화한다는 것입니다. 이 기술로 드라이 영역이나 레진 풀링 없이 좋은 레진 분포, 근제로 보이드 함량을 달성할 수 있습니다. 섬유 함량을 제어해 높은 구조적 성능을 내고, 복잡한 형상 생산이 가능합니다. 오토클레이브 경화용으로 자격받은 동일 소재를 OOA 방식으로 사용하지만, 사이클 타임을 분 단위로 줄이기 위해 속경화 레진을 사용할 수도 있습니다."

"기존 프리프레그로도 경화 시간을 단축했습니다."라고 코르발리아는 언급한다. "예를 들어 일반적인 오토클레이브 사이클 8~10시간 대비 SQRTM으로 창문 프레임 같은 부품은 3~4시간으로 달성 가능합니다. 열과 압력이 부품에 직접 가해지고 가열할 질량이 적습니다. 또한 오토클레이브의 공기 대신 액체 레진을 가열하는 게 더 빠르고 부품 품질이 뛰어나 복잡한 형상에 특히 유리합니다. 리워크 없고, 근제로 보이드, 툴이 제어하므로 진공 백보다 우수한 표면 품질."

비전 있는 기술 기반 미래

레오나르도는 크고 다양한 기술 세트에서 혁신을 생산하고 있다. 기술의 급속한 진화로 인해, 미래 제품에 필요한 새 기술을 개발하기 위해 고위험 R&D(낮은 TRL) 투자가 필수적이라고 본다. 이는 현재 제품에서 이미 지속하는 점진적(단기) 개발을 넘어선다. 이런 단기와 장기 전략의 결합이 레오나르도 2030 R&D 마스터플랜에 통합되어 지속 가능하고 경쟁력 있는 기업을 위한 통합 비전을 제시한다.

이 계획의 일환으로 레오나르도 랩스(Leonardo Labs)를 출범한다. 첨단 연구와 기술 혁신 전담 국제 기업 R&D 연구소 네트워크다. 2020년 밀라노, 토리노, 제노바, 로마, 나폴리, 타란토 6개 지역에 첫 연구소를 열 계획이며, 68명의 연구원(레오나르도 리서치 펠로우)을 다음 분야에서 채용 중: 인공지능 및 자율 지능 시스템 36명, 빅데이터 분석 15명, 고성능 컴퓨팅 6명, 항공 플랫폼 전동화 4명, 소재 및 구조 5명, 양자 기술 2명. 레오나르도 랩스는 혁신 전초기지와 미래 기술 생성자 역할을 할 것이다.

특히 레오나르도가 항공기에 상용화하는 기술은 육상과 해상 부문에도 응용될 수 있다. 레오나르도와 복합재에 미칠 잠재적 영향에 대한 추가 업데이트를 기대해달라.