차세대 항공기 위한 자동 섬유 배치(AFP) 혁신

자동 섬유 배치(AFP)와 자동 테이프 레이업(ATL)이 보잉 787과 에어버스 A350에서 복합재의 광범위한 적용을 가능하게 한 제조 공정이었다면, 차세대 상용 항공기(현재 도면 단계)에 대해서도 AFP/ATL이 길을 이끌 것입니다. 이번 차이점은? 속도(Rate)입니다.

보잉은 2037년까지 전 세계가 승객 수요를 충족하기 위해 31,000대 이상의 새로운 단일 통로 항공기가 필요할 것으로 추정합니다. 에어버스는 2037년까지 28,000대 이상의 단일 통로 항공기가 필요할 것으로 예측합니다. 두 회사 모두 단일 통로 주력 기종인 737(보잉)과 A320(에어버스)의 교체를 고려하고 있습니다. 두 회사 모두 개발하는 신규 기종에 복합재를 상당 부분 사용할 것으로 예상됩니다. 두 회사 모두 공급망에 이 항공기들의 생산 속도를 월 60-100대, 100대에 중점을 두고 예상하라고 말하고 있습니다. 단일 통로 카테고리는 두 회사 모두에서 전체 글로벌 수요의 약 3분의 2를 차지하므로, 단일 통로 항공기를 위해 개발된 제조 환경이 향후 예측 가능한 기간 동안 에어로복합재의 기본 제조 환경이 될 것입니다.

이 모든 것은 품질과 차세대 항공기의 생산 속도 요구사항을 따라잡으려면 자동화 기술이 지금 개발되어야 함을 의미합니다. 이 모든 것은 일렉트로임팩트(EI, 미국 워싱턴주 머킬티오) 수석 엔지니어 토드 루드버그(Todd Rudberg)에게 놓치지 않았습니다. 루드버그와 EI는 2004년 스피릿 에어로시스템즈(Spirit AeroSystems, 미국 캔자스주 위치타)가 제작한 787 섹션 41 전방 동체 섹션 제조를 위한 AFP 기술을 개발하면서 복합재 세계에 진입했습니다. EI는 이후 787 다른 구조물, A350 구조물, 엔진 구조물, 그리고 가장 최근에는 보잉 777X 날개 스파 생산을 위한 AFP와 ATL 시스템을 생산했습니다. 이제 루드버그는 차세대 항공기 제조의 미래를 바라보며 AFP가 크게 개선될 기회를 봅니다.

기회는 데이터를 보면 명백하다고 루드버그는 말합니다. 사실 EI는 자사 기계가 무엇을 잘하고 무엇을 개선할 수 있는지 이해하는 데 도움이 되는 여러 지표를 개발했습니다. 첫째, 2019년 AFP 환경을 살펴보면, 루드버그는 ATL, 핸드 레이업, 직물 평판 충전, 그리고 물론 알루미늄을 포함한 현재 AFP 기술에 대한 수많은 위협을 봅니다.

루드버그가 개발한 AFP 지표는 EI가 4번의 사전 생산 빌드를 수행한 전체 생산 데모(FPD) 프로젝트에서 나왔습니다. 2019년 2월 '표준' EI AFP 기술로 수행된 빌드 중 하나의 데이터는 상당한 기계 활용도 과제를 드러냈으며, 기계 사용 시간이 7가지 버킷으로 나뉘었습니다:

• 레이저 프로젝션: 30%
• 실행(Run): 27%
• 검사: 22%
• 휴식: 10%
• 작업자 유발 정지: 6%
• 에러 복구: 3%
• 이미징: 2%

다른 방식으로 보면, 현재 기술로는 AFP에 하나의 부가가치 작업(실행)만 있고, 나머지는 모두 비부가가치 작업으로 간주됩니다. 따라서 부가가치 대 비부가가치 작업 비율은 1:3입니다. "업계는 정말 3:1을 원하고, 저도 그렇습니다."라고 루드버그는 말합니다. "은퇴하기 전에 이걸 해내고 싶습니다." 목표는 간단히 비부가가치 작업에 소요되는 시간을 줄이는 것입니다.

설명이 필요한 하나의 전반적인 AFP 지표도 있습니다: 평균 스트립 수(mean strips before failure, MSBF). 이는 배치 실패 사이에 배치된 섬유 토우의 평균 수입니다. 이 숫자가 클수록 기계와 공정이 더 신뢰할 수 있습니다. 2월 FPD 빌드는 5,365 MSBF를 기록했다고 루드버그는 말합니다.

목표

AFP 작동을 더 자세히 보면, 루드버그에 따르면 EI는 세 가지 작업(실행, 에러 복구, 검사)만 직접 제어할 수 있습니다. 그리고 여기에 회사의 노력을 집중하고 있습니다. 그렇다 해도, 루드버그는 항공기 제조사도 역할이 있음을 지적합니다. 특히 품질 검사, 휴식, 작업자 유발 정지 감소에 있어 그렇습니다. "기계가 매우 빨라지면서 실행 시간이 정말 낮아졌다는 것을 깨달아야 합니다."라고 그는 말합니다. "비부가가치적인 것은 무엇이든 활용도에 막대한 영향을 미칩니다. 그래서 이것은 팀 스포츠임이 밝혀졌습니다. OEM인 나뿐만 아니라 항공기 제조사도 책임이 있습니다."

차세대 항공기 제조를 위해, 루드버그는 MSBF를 20,000 이상으로 늘리고, 실행 시간을 77%로 높이며, 레이저 프로젝션, 작업자 유발 정지, 이미징을 완전히 제거하고자 합니다. 어떻게? 루드버그는 이 전환을 촉진할 수 있는 세 가지 기술 영역을 식별합니다: 서보 구동 크릴(servo-driven creels), 100% 인공정 검사, 데이터 관리(EI 4.0).

이 세 가지 모두 초기 2월 빌드 이후 FPD 프로젝트 일련의 빌드에서 EI에 의해 평가되었습니다. FPD 프로젝트 자체의 데이터는 EI가 올바른 방향으로 가고 있음을 증명합니다. 루드버그는 MuSCLE이라 불리는 AFP 시스템이 1,500 마력 피크 파워, 0.5G 가감속, 분당 4,000인치 적층 속도, 1초 헤드 턴 타임, 스파 코너 속도 120도/초, 6,000 MSBF(생산에서 달성)를 달성했다고 말합니다.

서보 공압 크릴에서 서보 모터 크릴로의 전환은 토우 배치 속도, 토우 배치 정확도, 토우 텐션 제어, 전반적인 빌드 신뢰성을 높이기 위해 이루어졌다고 루드버그는 말합니다. 회사는 EI 모듈러 헤드에 설치할 수 있는 컴팩트 서보 드라이브 개발에 지난 2년을 보냈습니다. 지금까지 기술의 결과는 유망합니다. 테스트 결과: 15,000 MSBF, 87% 더 빠른 추가 속도, 36% 더 빠른 절단 속도, 더 나은 끝 배치 정확도. 또한 EI는 서보 모터 크릴 시스템이 건식 탄소 섬유 배치에 사용될 수 있음을 입증했습니다.

검사의 핵심은 '인공정(in-process)' 부분입니다. EI는 이미 검사 기술을 보유하고 있습니다. 얼라인드 비전(Aligned Vision, 미국 매사추세츠주 첼름스포드)과 개발하여 777X 날개 제조 라인에 배치된 이 기술은 레이저와 비전 기술을 사용하여 랩, 갭, 주름, 끝 배치 오류, 이물질(FOD)을 검사합니다. 그러나 이 시스템은 AFP 시스템과 독립적으로 존재하며 작동하려면 명확한 시야가 필요합니다. 즉, AFP 헤드를 이동해야 합니다. 루드버그와 EI는 AFP 헤드에 통합되어 섬유 배치가 발생하자마자 검사하는 RIPIT이라는 새로운 검사 시스템을 개발했습니다.

보잉과 에어버스가 오토클레이브 외 복합재 제조 공정을 고려함에 따라, AFP 시스템이 건식 탄소 섬유를 효율적으로 배치하는 능력이 중요해질 것입니다. 이 데모 스파는 일렉트로임팩트 시스템으로 건식 섬유가 배치된 것을 보여줍니다. 출처 | Electroimpact

EI는 RIPIT 뒤의 기술 본질을 밝히지 않으며, 레이저나 비전 기반이 아니라고만 말합니다. 어쨌든 루드버그는 시스템 테스트 결과 실시간으로 토우 슬립 ±0.030인치, 추가 배치 ±0.050인치, 절단 배치 ±0.050인치를 감지할 수 있다고 말합니다. 또한 루드버그는 "기존 보잉 인증 비전 시스템[777X에 사용된 얼라인드 비전 시스템]과 RIPIT 데이터를 상관관계 테스트를 많이 했으며 상관관계가 있습니다."라고 말합니다.

데이터 관리의 가치, 루드버그에 따르면 EI 시스템이 제작자들이 AFP 공정이 얼마나 잘 작동하는지 더 명확하게 볼 수 있도록 돕는 능력에 있습니다. 이를 위해 EI는 데이터 시각화 소프트웨어 EI 4.0을 개발했습니다. 이는 주어진 빌드 동안 주어진 기계가 어떻게 수행했는지(MSBF 기준)뿐만 아니라 개별 토우와 시퀀스가 어떻게 수행했는지에 대한 가시성을 제공합니다. 기본적으로 소프트웨어는 운영자가 AFP 헤드에서 문제가 정확히 어디에 있는지 볼 수 있도록 돕습니다. "그래서 우리는 운영자들이 AFP 헤드에서 어디를 보고 변경을 해야 하는지 가리키기 위해 이 EI 4.0을 사용할 것입니다."라고 루드버그는 말합니다.

이 소프트웨어를 사용하면 다양한 기계 기능에 대한 MSBF를 그래픽으로 표시하고 문제 토우와 특히 까다로운 시퀀스를 식별할 수 있습니다. 소프트웨어는 활용도를 떨어뜨릴 수 있는 다른 기계 활동도 측정하고 보고합니다. 이러한 데이터 관리 도구를 사용하여 EI는 OPS 빌드 시간을 50분 이상에서 40분 미만으로 최적화하고 줄일 수 있었습니다. 다른 도구로는 교대 성과 비교와 플라이 각도 비교가 포함됩니다.

"75% 활용도는 현실적인 목표나 기대라고 믿습니다."라고 루드버그는 단언합니다. "하지만 팀워크가 필요하고, 항공기 제조사의 조직적 이니셔티브와 실행이 필요하고, 우리의 개선된 기술이 필요하고, 더 나은 예방 정비와 예측 정비가 필요하고, 셀 사용과 기계 성능을 분석하는 더 나은 도구가 필요합니다."