스윈번 대학, CSIRO와 손잡고 인더스트리 4.0 복합재 적층 제조 테스트랩 구축

스윈번 공과대학교(호주 멜버른)가 호주 국립 과학 기관인 연방과학산업연구기구(CSIRO, 「고품질, 고강도, 저비용 탄소섬유 개발」 참조)와 협력해 복합재 적층 제조를 위한 인더스트리 4.0 테스트랩을 구축합니다. 이 시설은 현재 CSIRO 클레이턴(Clayton) 부지에서 건설 중이며 2020년 10월 완공 예정입니다.

테스트랩 개요

호주 연방 정부의 지원을 받는 이 복합재 인더스트리 4.0 테스트랩은 독일의 랩스 네트워크 인더스트리 4.0(Labs Network Industrie 4.0)과 유사한 호주 국가 네트워크의 6개 중 하나입니다. 이 테스트랩은 주 기반 네트워크에서 최초의 국가 시설로, 중소기업(SME)이 인더스트리 4.0이 창출한 새로운 기술과 비즈니스 모델을 설계부터 경제적 타당성까지 기술적, 재정적 위험을 최소화한 사전 경쟁 환경에서 테스트할 수 있도록 하는 것이 목표입니다. 각 테스트랩은 고유한 제품 초점을 가지며, 스윈번의 경우는 복합재 적층 제조입니다.

"스윈번의 복합재 인더스트리 4.0 테스트랩은 호주의 제조 역량을 발전시키기 위한 파일럿 규모 공정을 제공할 것입니다."라고 스윈번 대학의 연구 및 기업 부총장 브론윈 폭스(Bronwyn Fox)는 말합니다. 폭스는 2015년 스윈번 합류 후 팩토리 오브 더 퓨처 디렉터, 제조 미래 연구소 소장을 역임했습니다. 이전에는 디킨 대학 카본 넥서스의 연구 디렉터였습니다.

"스윈번의 테스트랩은 몰입형 환경에서 디지털 복합재 생산의 특징을 시연할 것입니다."라고 폭스는 말합니다. "파일럿 규모 공정은 부품 설계 및 최적화부터 완제품까지 디지털로 제어될 것입니다. 또한 공정의 디지털 트윈을 만들고 가상 시운전의 경계를 넓힐 것입니다."

이 복합재 4.0 허브는 새로운 맞춤형 건물에 들어설 예정입니다. "CSIRO/스윈번 공동 테스트랩은 산업 규모에서 탄소섬유 강화 복합재의 적층 제조를 위한 세계 최초 공정에 초점을 맞추고 있습니다."라고 CSIRO 퓨처 인더스트리 부문 전무이사 마커스 지퍼(Marcus Zipper) 박사는 말합니다. "이는 클레이턴의 적층 제조 구역 중심부에 위치해 매우 적합합니다. CSIRO에서는 중소기업과 더 넓은 혁신 생태계를 위한 기회를 창출하는 것이 핵심이며, 이 테스트랩은 그 또 다른 예입니다."

파트너와 공정

복합재 인더스트리 4.0 테스트랩에는 많은 핵심 파트너가 있으며, 지멘스 오스트레일리아(빅토리아주 베이즈워터)가 2017년 스윈번에게 1억 3,500만 달러 상당의 디지털화 소프트웨어 보조금을 제공한 최초의 파트너 중 하나입니다. 이는 복합재 4.0 테스트랩에 고급 제품 수명주기 관리(PLM) 소프트웨어 제품군과 지멘스 클라우드 기반 개방형 사물인터넷(IoT) 플랫폼인 마인드스피어(MindSphere)를 제공합니다.

지멘스 오스트레일리아 프레젠테이션에 따르면, 2019년 8월 기준 마인드스피어 내에 약 500개의 디지털 앱/제공물과 140만 개의 연결된 기기 및 시스템이 있었습니다. "마인드스피어는 다양한 제조사의 장비들이 서로 통신할 수 있게 합니다."라고 폭스는 ICCM22 프레젠테이션 「복합재 소재 3D 프린팅에 대한 인더스트리 4.0 접근법」에서 설명합니다. 이 논문은 스윈번 인더스트리 4.0 테스트랩이 어떻게 작동할지 설명합니다:

"센서들은 … 생산 라인의 각 단계가 대량의 공정 데이터를 수집할 수 있게 합니다. 이 정보는 안전한 로컬 클라우드에 저장되며, 라인의 다른 기계들에게 피드포워드 및 피드백 생산 데이터로 즉시 사용되어 자기 적응형 생산 공정을 가능하게 합니다.

제안된 라인 ...은 제조 공정의 각 단계 후 제품 검사를 허용하도록 설계되었습니다. 검사 데이터도 로컬 클라우드에 저장됩니다. 클라우드에 저장된 대규모 데이터셋 분석은 완제품 상태와 제조 공정 여러 단계의 매개변수 간 새롭고 예상치 못한 상관관계를 발견하게 할 수 있으며, 이는 제품을 최적화하는 데 활용될 수 있습니다."

주요 장비 공급 파트너

폭스는 인더스트리 4.0 복합재 제조 라인을 기성품으로 살 수 없다고 지적합니다. 따라서 스윈번은 공급업체와 최종 사용자 네트워크를 개발해 복합재 4.0 테스트랩 장비와 시설의 설계 및 개발에 반영했습니다. 주요 구성요소 공급 파트너는 다음과 같습니다:

필(FILL, 오스트리아 구르텐)이 멀티레이어 시스템을 공급했습니다. 이 시스템은 정밀하게 절단되고 방향이 정해진 단방향 섬유 테이프를 최대 1.6 x 1.6미터 크기의 니어 넷셰이프로 적층합니다. 테이프 사용으로 넷셰이프 제작 시 스크랩을 60% 이상에서 10% 미만으로 줄입니다. 테이프는 스풀에서 회전 테이블로 증착되며, 레이어 하나가 15초마다 완료됩니다. 폭스는 필의 멀티레이어 머신이 열경화성 프리프레그와 토우프레그, 건식 섬유, 저융점 열가소성 수지(폴리아미드(PA) 등) 테이프를 적층할 수 있다고 말합니다. PEEK, PEKK 같은 고융점 열가소성 수지에 대한 R&D가 진행 중입니다. "멀티레이어 머신은 유리섬유와 탄소섬유 혼합, 천연 섬유 블렌드 등 하이브리드 소재도 가능하게 합니다."라고 그녀는 덧붙입니다.

퀵스텝(Quickstep, 호주 시드니)은 호주 최대 독립 항공우주급 첨단 복합재 제조업체로, 오토클레이브 경화와 오토클레이브 외(OOA) 복합재 모두에 광범위한 전문성을 제공합니다. 퀵스텝의 특허받은 OOA 시스템인 큐어(Qure)와 항공우주용 고성능 버전인 에어로큐어(AeroQure)는 오토클레이브 경화 같은 전통적 제조 기술보다 상당한 이점을 제공하는 첨단 복합재 제조 공정입니다:

• 설정 자본 비용 낮음
• 경화 사이클 타임 대폭 단축
• 에너지 소비 감소
• 최종 제품의 물성 충족 또는 개선을 위한 설계 유연성
• 복잡한 통합 부품 생산 가능

큐어는 가압 순환 열전달 유체(HTF)를 사용해 금형을 지지하고 부품을 신속하게 가열 및 냉각합니다. 낮은 압력 가공(진공 + 최대 2.5바)으로 저비용 툴링이 가능합니다. 금형과 소재의 신속한 가열로 공정 점도가 낮아져 공기 방출과 섬유 젖음성이 개선됩니다. 낮은 점도는 허니콤과 폼 코어에 대한 접착력을 개선해 필 강도를 높이고 경화 중 코어 크러시를 줄입니다. HTF는 두꺼운 라미네이트의 발열 반응에도 우수한 열 제어를 가능하게 합니다.

랑츠아우너(Langzauner, 오스트리아 람브레히텐)는 최대 300톤 클램핑 포스의 고온 자동 프레스를 공급합니다. 다중 공정 가능하며, 수지 이송 성형(RTM) 변형부터 열성형까지 가능합니다. 건식 프리폼에 수지 주입 후 경화, 또는 열경화성/열가소성 프리프레그 압축 성형을 가능하게 합니다.

프레스는 서보 유압을 통한 에너지 효율/절약, 단일 피스톤 제어로 비대칭 하중에서도 최고 정밀도를 달성합니다. 고성능 적외선(IR) 오븐이 소재를 원하는 가공 온도로 신속히 가열하며, 개별 라디에이터 제어 시스템으로 다른 두께를 보상합니다. 선형 축으로 예열된 소재를 프레싱 스테이션으로 신속히 이송합니다. 고온 플래튼 가열 시스템으로 최소 400°C까지 부품 성형 가능해 PEEK 같은 첨단 열가소성 수지 가공에 대응합니다.

프레스는 더블 다이어프램 프레임도 가능합니다(더블 다이어프램 성형에 대한 2020 블로그 참조). 유연하고 견고하며 사용자 친화적인 소프트웨어로 최고 수준의 디지털화와 모니터링을 보장합니다.

네취(NETZSCH, 독일 젤브)는 인몰드 경화 모니터링 기술을 제공해 소재 거동 기반 복합재 제조 제어를 가능하게 합니다.

플라테인(Plataine, 이스라엘)은 복합재 제조용 디지털화, 최적화, 디지털 트윈 소프트웨어를 제공해 툴, 부품, 원자재 추적, 디지털 트윈 생성, 기계 센서 데이터 분석을 통한 부품 생산 최적화를 지원합니다. 플라테인은 복합재 산업 리더 및 공급업체들과 광범위한 파트너십을 맺고 있으며, 지멘스도 포함됩니다.

 

치코니(CIKONI, 독일 슈투트가르트)는 프리폼과 통합 부품의 인라인 검사 및 디지털화를 위한 드레이프워치(DrapeWatch) 시스템을 공급했습니다. 이 로봇 기반 3D 분석 시스템은 갭, 정렬 불량, 불규칙성을 식별할 수 있습니다. 상세 표면 검사를 위한 시각 센서와 내부 결함 및 심층 소재 분석을 위한 에디커런트 센서를 결합합니다. 데이터는 시스템의 AI 알고리즘으로 분석돼 결함 조기 감지로 비용이 많이 드는 재작업을 방지합니다. 유한요소해석(FEA) 인터페이스로 섬유 각도 결과를 시뮬레이션 모델로 내보내 결함의 부품 성능 영향을 평가합니다. 모듈러 시스템으로 열화상, 초음파, 레이저 스캐닝 장치 통합 확장도 가능합니다.

필과 랑츠아우너 장비는 2020년 중반 설치될 예정입니다. "필이 우리를 위해 실험을 하고 있습니다."라고 폭스는 말합니다. "특정 부품에 대한 오스트리아 현지 교육과 디지털화 교육을 위해 인력을 보냈습니다. 모든 공정 장비가 시운전되면 플라테인의 RFID(무선 주파수 식별) 기술과 최신 엣지 컴퓨팅 플랫폼인 플라테인엣지(PlataineEdge)로 확장할 예정이며, 이는 기계 간 실시간 분석과 통신을 가능하게 합니다."

스윈번 복합재 4.0 테스트랩의 또 다른 비전은 매우 빠르게 변화하는 산업 수요에 적응할 수 있는 유연한 제조를 가능하게 하는 것입니다:

"일반적인 생산 라인에서 제품 변경이나 수정은 상당한 장비 수정과 수동 개입을 필요로 합니다. 따라서 새로운 제품으로 수익성을 내려면 최소 배치 크기가 필요합니다. 반면 인더스트리 4.0 비전에서 스마트 팩토리는 개별 고객 요구사항과 심지어 단일 품목도 수익성 있게 제조할 수 있습니다. 그런 공장은 고객과 공급업체의 막판 변경에도 쉽게 대응할 수 있습니다. 결과적으로 제안된 제조 라인의 주요 목표 중 하나는 최소 또는 무수동 개입으로 다른 제품을 생산할 수 있게 하는 것입니다." — 폭스 및 수빅, 「복합재 소재 3D 프린팅에 대한 인더스트리 4.0 접근법」

ARENA2036 및 글로벌 가치 사슬 연계

디지털화된 물리적 복합재 4.0 팩토리 제공 외에도 스윈번은 차세대 인력을 양성합니다. 후자는 호주 글로벌 혁신 연계 프로그램의 100만 달러/4년 보조금으로 가능해졌습니다. 이 이니셔티브의 핵심 파트너는 ARENA2036, 슈투트가르트 대학의 산업 주도 캠퍼스 R&D 프로그램으로, 스스로를 "미래 모빌리티와 생산을 위한 고도로 유연한 연구 플랫폼"이라 설명합니다. 연방 교육연구부(BMBF, 독일 본) 지원, 38개 과학 및 산업 멤버로 등록된 협회로 운영됩니다. ARENA2036은 '스타트업 아우토반(STARTUP AUTOBAHN)'과 1만㎡ 건물, 그중 4,700㎡가 16미터 천장고와 10톤 산업용 크레인을 갖춘 오픈 생산 홀입니다. 스윈번은 2018년 ARENA2036 멤버로 가입했습니다.

스윈번 복합재 4.0 테스트랩과 ARENA2036은 호주 정부의 글로벌 혁신 연계(GIL) 계획 지원을 받는 360만 달러 프로그램으로 인더스트리 4.0 고량 경량 복합재 제조에 협력 중입니다. 초점은 유연한 툴링 시스템과 디지털 트윈 기술로 가능해진 특정 생산 기술입니다. 포함 내용:

• R&D 및 상용화, 공동 스타트업 촉진
• 공동 박사생 모집, 공동 지도, 박사생 교환
• 공동 연구 워크숍 및 심포지엄

이 파트너십은 프라운호퍼 제조공학자동화연구소와 산업공학연구소(프라운호퍼 IPA 및 IAO, 슈투트가르트), 슈투트가르트 대학 항공기 설계 연구소(IFB)에서 관련 인더스트리 4.0 분야 박사생 인턴십을 포함한 공동 R&D 프로젝트도 구상합니다. "GIL 프로젝트는 첨단 복합재 공정과 SUT, 슈투트가르트 대학, ARENA2036 협업에 중요한 이정표입니다."라고 IFB 소장 페터 미덴도르프(Peter Middendorf) 교수는 말합니다. "프로젝트 자체의 파트너가 된 것을 자랑스럽게 생각하며, GIL과 직접 연계된 독일 정부 지원 다른 두 협력 연구 프로젝트도 발표합니다."

"우리는 스윈번과 슈투트가르트 대학 간 디지털 역량을 갖춘 공동 박사생 코호트를 양성할 것입니다."라고 폭스는 말합니다. "복합재 4.0 공정을 추가 개발할 뿐만 아니라 글로벌 파트너십을 공고히 하고, 특히 새로운 모빌리티 시장에서 호주에서 수출할 수 있는 신제품을 창출할 것입니다. 이러한 국제 협력을 통해 스윈번의 인더스트리 4.0 테스트랩은 호주 중소기업을 글로벌 가치 사슬에 적극적으로 연결할 것입니다. 이미 파트너 이매진 인텔리전트 머티리얼스(Imagine Intelligent Materials)와 이를 입증했으며, 더 많은 호주 혁신가들에게 확장하길 기대합니다."

"급속히 다가오는 미래의 디지털 제조에서 국제 경쟁은 치열할 것입니다."라고 폭스는 말합니다. "그래서 지금 이 복합재 4.0 역량과 인력 개발이 그토록 중요합니다."

스윈번 대학의 복합재 적층 제조 인더스트리 4.0 테스트랩은 2020년 12월 출범 예정입니다. CW의 향후 업데이트를 주목하시고, 2020년 7월 특집 「복합재 4.0: 디지털 전환, 적응형 생산, 새로운 패러다임」과 5개 온라인 사이드바를 읽어보세요:

• 복합재 4.0: 디지털 트윈 vs 디지털 스레드
• ZAero 프로젝트 업데이트
• 복합재 4.0: 어디서 시작하나?
• 로봇 교육의 비즈니스 케이스 없음
• 복합재 4.0 아키텍처와 온톨로지