DLR의 Flappybot: 2019 컨벤션에서 복합재 제조 혁신

 

DLR의 흥미로운 이름 Flappybot(Flexible autonomous production, placement and assembly robot) 프로토타입은 대형 항공우주 부품 제조에 흔한 거대하고 비싼 정적 기계에서 급진적으로 벗어납니다. 이 콤팩트한 자율 AFP 유닛은 몰드 위를 직접 '주행'하도록 설계되었습니다. 출처 | DLR
 

복합재 산업이 지속적으로 성장하고 경쟁력을 개선하려면 디지털화와 자동화가 제공하는 기회를 활용해야 합니다. 독일에서 열린 두 최근 항공우주 중심 컨퍼런스는 복합재 제조의 미래가 무엇을 담고 있는지 조명했습니다.

슈타데의 미래 공장 방문

Future Factory for Composites가 올해 Composites Convention in Stade(독일 슈타데, 6월 12~13일)의 주제였습니다. CFK Valley e.V.(독일 슈타데)와 Carbon Composites e.V.(독일 아우크스부르크)가 공동 주최했으며, 기록적인 450명 가까운 참석자가 모였습니다. Utah Advanced Materials and Manufacturing Initiative(UAMMI, 미국 유타 케이스빌)와 미국이 파트너 네트워크 및 파트너 국가로 협력해 강한 미국 참석자 존재감을 만들었습니다.

개회 기조연설 "디지털화: 컴퓨터 지원 제조에서 인간 지원 자동화로의 전환"에서 DLR(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 독일 항공우주센터) 경량 생산 기술 센터장 Dr. Jan Stüve는 앞으로의 프로그램 맛보기를 제공했습니다. DLR에서 개발 중인 미래 공장 기술에는 생산 시간 단축을 위해 협력하는 다중 로봇, 공정 최적화를 가능하게 하는 기계의 디지털 트윈 등이 포함됩니다. 또 다른 핵심 영역은 유연한 생산 시나리오를 위한 이동식 자율 로봇입니다. 이에는 프로토타입 FlappyBot 이 포함되는데, 몰드 위를 이동하는 콤팩트한 섬유 배치 유닛입니다. Stüve는 과도한 자동화의 잠재적 위험을 경고하고 디지털화가 제조 공정에 인간을 다시 참여시켜야 하는 방식에 대해 논의했습니다.

Audi A8 CFRP 리어 월, 승객 셀의 최대 부품으로 Voith Composites가 연간 65,000개 생산 규모의 고도로 자동화된 공정으로 제조합니다. 출처 | CFK Valley

두 번째 기조연설 "신속 제조와 열가소성 복합재 – 트렌드와 기술"에서 NASA Langley Research Center(미국 버지니아 햄프턴) 선임 소재 엔지니어 Dr. Robert G. Bryant는 대표자들을 지상 공장의 한계에서 벗어나 우주에서의 건설로 안내했습니다. 우주에서의 장기 인간 존재는 쉘터와 플랫폼을 첫 단계로 요구합니다. 점점 더 복잡한 구조물을 우주에 올리기 위해 점점 더 큰 로켓을 개발하는 것은 경제적으로 지속 가능하지 않습니다. 해결책은 현지 또는 근거리 제조입니다. 열가소성 복합 부품의 인시츄 콘솔리데이션을 가능하게 하는 툴리스 첨단 테이프 배치(ATP) 공정이 해답이 될 수 있습니다. 이 신기술에서 두 ATP 로봇이 서로 반대편에서 작동하며, 하나는 열가소성 프리프레그 테이프를 적층하고 다른 하나는 툴 역할을 합니다. 툴리스 제조는 항공우주 제조 비용을 낮춰 우주 탐사의 경제성을 개선할 뿐 아니라 다른 시장 부문에도 이점을 줄 수 있습니다(「General Atomics Aeronautical, 툴리스 열가소성 복합재 공정 개발」 참조).

지속 가능성

제조 발전은 환경 영향 감소와 동반되어야 합니다. 그 연장선에서 다음 세션에서 Jörg Spitzner(Spitzner Engineers GmbH 설립자, 독일 핀켄베르더)는 기후 목표 달성을 위해 네거티브 배출 기술이 필요하다고 주장했습니다. Spitzner의 회사는 특허받은 Blancair 풍력 터빈 개념이 터빈 효율을 개선할 뿐만 아니라 대기에서 CO₂를 제거한다고 주장합니다. 공기가 나셀에 장착된 필터 모듈로 유입되어 CO₂가 분리·저장되고 합성 연료 생산 등 타 용도로 재활용됩니다. 정화된 공기는 로터 블레이드 팁의 개구부를 통해 배출됩니다. 개념 설명 영상은 Blancair 웹사이트에서 볼 수 있습니다.

세션 주최측은 복합재 생산에서 스마트 생태 효율성 평가 개념(DLR)과 아웃오브오토클레이브 상온 인성 강화 프리프레그(내화, 연기, 독성(FST) 능력 보유, TCR Composites, 미국 유타 오그든)도 발표했습니다.

시뮬레이션을 통한 역량 강화

컨퍼런스 첫날 나머지 시간은 시뮬레이션에 집중되었습니다.

Voith Composites(독일 가르힝) 최고기술책임자 Dr. Lars Herbeck은 Voith Roving Applicator 자동 섬유 배치(AFP) 머신이 공정 체인을 단순화해 사이클 타임 단축으로 효율적인 자동 프리포밍 공정을 가능하게 한다고 논의했습니다. 그는 Audi A8 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 후면 리어 월을 위한 연간 65,000개 생산 가능한 자동화 제조 라인의 구조 및 공정 시뮬레이션을 개요했습니다.

MET Motoren- und Energietechnik GmbH(독일 로스토크)의 Mark Bludszuweit은 시뮬레이션이 부품을 오토클레이브에 적재하는 최적의 방법을 통찰하게 해 경화 공정 최적화와 생산성 향상을 가능하게 한다고 설명했습니다. DLR 슈타데 시설의 최대 오토클레이브용 디지털 트윈은 실제 공정과 병렬로 실행되거나 더 빠르게 실행되어 부품 거동 예측을 제공할 수 있습니다.

추가 가상 공정 개발 주제로 SMC 공정 모델링(ESI Group, 프랑스 샤르트르-드-브르타뉴)과 오토클레이브에서 샌드위치 패널의 코어 크러시와 프리프레그 링클링 이슈 이해를 위한 공정 시뮬레이션(Airbus Helicopters, 프랑스 마르냐네)이 다뤄졌습니다.

가상 안전 모델링으로 전환해, Jochen Rühl(Reichenbacher Hamuel GmbH, 독일 되르플레스-에스바흐, Scherdel Gruppe 소속)은 CFRP 부품 가공 중 발생하는 분진과 미립자 관리에 시뮬레이션 기반 접근이 Airbus와 Premium Aerotec(독일 아우크스부르크) 같은 고객에게 혜택을 주었다고 논의했습니다. 가공 시뮬레이션과 미립자 분포 시각화는 제조사가 강화되는 보건안전 법규를 준수하고 가공 결과를 개선하며 기계 다운타임과 유지보수를 줄여 궁극적으로 부품당 비용을 낮추는 데 도움이 됩니다.

시뮬레이션 세션에서는 복합재 제조 가상 비용 모델링의 보잉 후원 프로젝트(매사추세츠 공과대학, 미국 매사추세츠 케임브리지)와 시뮬레이션 모델링 기반 최적 복합재 밸류체인 디지털 팩토리 계획 개념(Fraunhofer IGCV, 독일 아우크스부르크)도 소개되었습니다.

MBFast18 모바일 가공 개념은 자동 유도 차량, 로봇, 휴대용 CNC 머신으로 구성되어 대형 CFRP 항공기 부품 제조에서 생산성 향상을 제공합니다. 출처 | Fraunhofer IFAM

수상작

올해 두 프로젝트가 CFK Valley Innovation Award와 7,500유로 상금을 공동 수상했습니다.

1등(4,500유로)은 MBFast18 모바일 로봇 시스템 프로젝트가 차지했습니다. 대형 CFRP 항공기 부품용 자동 유도 차량(AGV) 기반 모바일 CNC 가공 시스템을 개발했습니다.

출처 | Fraunhofer IFAM

오늘날 대형 항공기 구조물용 비싸고 정적인 가공 시스템과 달리, 더 작은 모바일 로봇 시스템은 유연한 제조와 더 높은 생산성을 가능하게 합니다.

MBFast18 시스템은 FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG(독일 풀다)가 제작한 4.6m 길이 자율 플랫폼, SICK AG(독일 발트키르히)가 공급한 내비게이션 및 안전 센서, SAUER/DMG MORI(독일 수엘과 빌레펠트)의 5축 CNC 머신을 사용합니다. Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials(IFAM, 독일 슈타데)가 개발한 모바일 레이저 트래커가 로봇을 정밀하게 위치시킵니다. 드릴링 유닛은 최대 0.5제곱미터 작업 영역으로 진공 그리퍼를 사용해 부품에 클램핑되며, 드릴링 위치는 BCT GmbH(독일 도르트문트) 개발 소프트웨어로 계산되어 머신에 전송됩니다. 이 개념은 핸들링과 조립 작업, 풍력 및 철도 등 타 산업에도 적용 가능합니다.

MBFast18 프로젝트 영상 시청:

2등은 스타트업 Hyconnect GmbH(독일 함부르크)의 FAUSST 금속-복합재 접합 기술이 차지했습니다. 이 회사는 조선 분야를 초기 타겟으로 삼는데, 복합재와 금속 접합이 복합재의 더 광범위한 채택에 주요 장벽이기 때문입니다. FAUSST 솔루션은 워프 니트 유리섬유와 금속 섬유로 구성된 하이브리드 패브릭을 사용해 금속과 복합재를 기계적으로 단단히 접합합니다. 금속 섬유 면은 강철 프로파일에 접합되어 금속 구조물에 용접 가능하고, 다른 면은 복합재 부품에 라미네이팅됩니다. 특허 기술로 설계 및 접합 공정이 크게 단축된다고 합니다. 초기 프로토타입 응용이 현재 테스트 중입니다.

FAUSST 접합 공정 소개 영상 시청:

 

자동화를 통한 가능화

둘째 날에는 수상작 MBFast18 프로젝트가 Fraunhofer IFAM 프로젝트 매니저 Christoph Brillinger와 FFT의 Dr. Gregor Graßl 발표로 더 자세히 다뤄졌습니다. 이들은 멀티 로봇 운영을 위한 스마트 공정 및 플랜트 제어 시스템 개발 과제를 논의했습니다. Northrop Grumman Innovation Systems(미국 유타 클리어필드) 스태프 엔지니어 Jerome Berg는 자사 유타 시설에서 내부 개발 AFP 공정으로 Airbus 항공기 스트링거 자동 제조를 설명했습니다. Evonik Resource Efficiency GmbH(독일 다름슈타트)의 Uwe Lang은 자사 ROHACELL 폼 코어 소재를 사용하는 '샌드위치 기술 4.0', 고생산율을 위한 자동화 제조 기술을 소개했습니다. DLR과 Airbus 기술 허브 CTC GmbH(독일 슈타데) 협업으로 항공기 노즈 랜딩 기어 도어의 고도 자동화 프리포밍 공정이 시연되었습니다.

프리포밍 공정 영상 시청: 

 

가상현실로 여행을 떠나, ABSOLUTE Reality GmbH(독일 함부르크) 비즈니스 개발 책임자 Felix Hünecke는 건물 3D 모델을 생성, 편집하고 이미지, 문서, 영상을 보태 어디서든 볼 수 있는 가상 환경을 만드는 방법을 시연했습니다. 이 회사는 DLR 슈타데 생산 홀의 3D 투어를 만들었습니다.

DLR 생산 홀 둘러보기: 

ARK Group(독일 아헨) CEO Felix Schreiber는 자동화된 수지전달성형(RTM) 생산 라인에서 구조화된 기계 데이터의 공정 및 비용 이점을 논의했고, CTC GmbH의 Sascha Backhaus는 복합재 제조에서 모듈러 자동화와 인간-로봇 협업 팀을 소프트웨어 기반 지원 시스템으로 개발하는 Hybr-iT 프로젝트를 논의했습니다.

미래 공장 이벤트에서 인공지능(AI) 주제가 빠질 수 없으며, Plataine(미국 매사추세츠 월섬) CMO Amir Ben-Assa는 복합재 제조에서 AI 구현의 기회와 과제를 논의했습니다. 알림(생산 지연, 품질 문제 등)부터 추천(최적 소재 선택 등)까지 AI 실용 응용을 발표했습니다. Google Glass 기반 AI 디지털 어시스턴트도 또 다른 가능성으로, 생산 현장에서 '핸즈프리' AI 사용자 상호작용과 알림의 실시간 오디오·비주얼 제시를 제공합니다.

ZLP Augsburg의 다기능 로봇 셀은 산업 규모로 대형 복합 부품 제조를 위한 통합 공정 개발을 위해 설계되었습니다. 출처 | DLR

추가 주제:

• 대형 복합 구조물에서 지능형 공정 모니터링을 위한 광섬유 센싱(MT Aerospace AG, 독일 아우크스부르크);
• 자동화 복합재 제조를 위한 지능형 제어 시스템(National Composites Centre, 영국 브리스톨);
• 소형 부품 열성형 모델 기반 품질 관리 시스템(Faserinstitut Bremen e.V., FIBRE, 독일 브레멘);
• 항공기 응용 분야를 위한 불연속 섬유 강화 열가소성 수지 압축 성형 공정, 유연한 자동화 기반 및 대형 부품 크기로 확장 가능(ACT Aerospace, 미국 유타 건니슨);
• 고량 CFRP 부품 생산을 위한 사이클 타임 단축 등온 RTM 공정(Airbus Helicopters)
• 니어넷셰이프 테이프 프리폼과 사출 성형으로 스트럿, 파이프, 드라이브샤프트용 대형 고성능 열가소성 프로파일 생산(herone GmbH, 독일 드레스덴). herone과 이 공정에 대한 자세한 내용은 「고성능 일체형 열가소성 구조물을 위한 사출 성형」 참조.

아우크스부르크 10년의 진전

별도 행사인 DLR의 5번째 생산 기술 콜로키움이 5월 15일 아우크스부르크의 Center for Lightweight Production Technology(Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP)에서 열려 약 200명이 모였습니다. 이 행사는 ZLP 아우크스부르크 10주년을 기념했으며, 현재 약 60명 직원이 복합재 생산 자동화와 디지털화에 집중하고 있습니다.

ZLP Augsburg의 자동 드레이핑용 로봇 그리퍼, 풀스케일 구조 부품 자동 제조 공정 체인의 핵심 부분. 출처 | DLR

하루는 브리티시컬럼비아 대학(UBC, 캐나다 밴쿠버)의 두 발표로 시작되었습니다. UBC는 2016년 DLR과 협력을 시작했습니다. UBC Digital Learning Factory Initiative 공동 디렉터 Prof. Dr. Anoush Poursartip은 의대 교육 병원에서 영감을 받은 복합재 학습 공장 개념을 소개했습니다. 복합재 학습 공장은 UBC 오카나간 캠퍼스에 위치해 연구, 교육, 산업 활동을 통합하도록 설계될 예정입니다. UBC 밴쿠버에 호스팅될 디지털 트윈은 물리적 공장 데이터와 시뮬레이션을 결합해 항공우주 복합재 생산 공정을 최적화합니다. 다음으로 UBC의 Prof. Dr. Homayoun Najjaran과 DLR의 Marian Körber는 가상 환경에서 복잡한 제조 공정 최적화와 UBC의 머신 러닝 및 AI 전문성이 DLR의 로봇 시스템 개발 시간과 비용을 줄이는 데 어떻게 활용되는지 논의했습니다. 딥러닝 기법으로 ZLP의 자동 드레이핑용 로봇 그리퍼를 훈련시켰는데, 이는 아우크스부르크 시설의 대형 CFRP 부품 자동 제조 공정 체인의 핵심 부분입니다. 그리퍼는 127개 가변 흡입력 흡입 모듈을 가지며, 절단 소재를 인식하고 픽업하며, 모듈이 드레이핑에 필요한 형상을 가정해 몰드 내 위치에 배치합니다.

Premium Aerotec의 리어 프레셔 벌크헤드 설계를 위한 열가소성 복합 부품들이 ZLP Augsburg에서 개발한 저항 용접 기술로 접합됩니다. 출처 | Premium Aerotec

열가소성 기술도 ZLP Augsburg의 또 다른 초점입니다. 단일 통로 항공기용 세계 최초 열가소성 리어 프레셔 벌크헤드(RPB) 개발 프로젝트는 Premium Aerotec GmbH의 Ralph Männich와 Alexander Sänger가 개요했습니다. 이 회사는 ZLP Augsburg, Toray Advanced Composites, Institute for Composite Materials(IVW)와 협력해 통합 스트링거를 가진 8개 CFRP 세그먼트로 구성된 설계를 ZLP 개발 저항 용접 기술로 접합합니다. 짧은 사이클 타임의 자동화 공정으로 고량 생산이 가능합니다. 기술 완성도(TRL 6)는 2020년 완료 목표, 구현은 2021/2022년 목표입니다. 6월 파리 에어쇼에서 Premium Aerotec은 Airbus A320 시리즈 항공기용 1:1 데몬스트레이터를 전시했습니다. 현재 리벳 알루미늄 부품으로 만든 A320 프레셔 벌크헤드 대비 열가소성 부품은 동일 기계적 특성에 10~15% 중량 절감과 50% 생산 시간 단축을 제공한다고 합니다. 이어진 발표에서 DLR의 Dr. Stefan Jarka와 Manuel Endraß는 열가소성 용접 주제를 이어가며 ZLP Augsburg의 접합 및 NDT 역량과 RPB 프로젝트에서의 역할을 더 깊이 다뤘습니다.

ZLP Augsburg, 플래시 램프 기반 인시츄 AFP 열가소성 복합재 조사, 레이저 기반 AFP에 필요한 안전 인클로저를 제거하는 펄스 에너지 솔루션. 출처 | DLR

열가소성 복합재는 우주 응용 분야에서도 기회를 제공합니다. MT Aerospace AG의 Ralf Hartmond와 DLR 우주 응용 프로젝트 매니저 Lars Brandt는 차세대 Ariane 로켓 발사기용 탄소섬유 강화 열가소성 상단 단 개발을 개요했습니다. Brandt는 액체 수소(LH₂) 탱크용 소재 스크리닝(탄소섬유 PEEK와 저융점(LM) PAEK가 유망)과 린 적층 제조 접근을 가능하게 하는 인시츄 열가소성 복합재 AFP 공정 개발에 대한 DLR 작업을 상세히 설명했습니다. ZLP는 새로운 플래시 램프 보조 인시츄 AFP 공정을 전통적인 레이저 보조 AFP와 벤치마킹하고 있습니다.

접합 기술은 미래 항공우주 응용 분야에서 열가소성 복합재의 성공적 도입에 핵심이 될 것입니다. ZLP Augsburg는 KUKA QUANTEC KR210 로봇이 7m 리니어 트랙에 장착된 엔드 이펙터로 구성된 로봇 기반 연속 초음파 용접 시스템을 개발했습니다. 이는 스트링거 보강 동체 패널과 리어 프레셔 벌크헤드 등 부품에서 입증되었습니다. 출처 | DLR

하루는 Prof. Dr. Michael Kupke ZLP Augsburg 소장의 "디지털화와 유연한 생산"이라는 생각 자극 기조연설로 마무리되었습니다. 그는 디지털 플랫폼 경제의 부상이 복합재 제조사에게 기회인지 위험인지 물었고, IT가 핵심 역량이 되어 비용 센터가 아닌 가치 창출 경쟁 우위로 다뤄져야 한다고 지적했습니다. 또한 상세 계획에서 자기 조직화(린 생산)로, 자동화와 디지털화 결합으로 패러다임 전환이 진행 중이라고 말했습니다. AI가 자율적이고 유연한 생산을 가능하게 하지만, 의사결정과 공정 개선에 필수적인 인간 기술을 가치 있게 여기고 통합하는 것이 필수적이라고 결론지었습니다.