스텔리아 에어로스페이스(STELIA Aerospace) 탐방: 프랑스 모울트(Maulte)의 최고 항공구조물 플랜트

전 세계 7,000명의 직원을 두고 2018년 매출 22억 유로를 기록한 스텔리아 에어로스페이스(STELIA Aerospace, 프랑스 툴루즈)는 자사의 주요 제품과 업계 위치를 명확히 밝히고 있다. 항공구조물 분야 유럽 1위/세계 3위, 조종사 및 승무원 시트 세계 1위, 퍼스트·비즈니스 클래스 승객 시트 세계 3위다.

스텔리아 에어로스페이스의 복합재 적용 범위는 에어버스 A350 전방 동체 섹션, ATR 터보프롭 항공기 날개, 다양한 헬리콥터 구조물, 최신 오팔(OPAL) 시트를 포함한 일부 시트 제품까지 이른다. 복합재 생산 시설로는 프랑스 모울트(대형 동체 섹션)와 살라운(Salaunes, 소형 복합재 부품), 모로코와 튀니지의 상세 부품 및 조립 시설, 캐나다 노바스코샤주 루넨버그(Lunenburg)의 전 컴포지트 애틀랜틱(Composites Atlantic) 사이트에서 항공기, 방위, 우주용 다양한 복합재 부품을 생산하고 있다.

스텔리아 에어로스페이스는 2015년 에어버스의 두 자회사인 아에롤리아(Aerolia)와 소게르마(Sogerma)의 합병으로 탄생했다. 파리에서 북쪽으로 1.5시간 거리에 있는 모울트 사이트는 49헥타르 부지에 150,000㎡의 생산 공간, 1,500명의 직원과 500명의 하청업체를 두고 있으며 에어버스 공급망의 핵심 축이다. 소도시 입지에도 불구하고 "2018년에 A320, A330, A350, A380, A400M용 노즈 동체 섹션 860개를 납품했다"는 것이 스텔리아 모울트 커뮤니케이션 매니저 프랑수아 푸르니에(Francois Fournier)의 설명이다. 그는 필자를 이 사이트의 '미래의 공장(Factory of the Future)' A350 노즈 동체 생산 라인과 스텔리아랩(STELIALAB) R&T 시설로 안내했으며, 올리비에 카날(Olivier Canal, 스텔리아 에어로스페이스 모울트 R&T 제조·조립·자동화·복합재·디지털 팩토리 총괄)과 시몬 메르-비외르(Simon Maire-Vigeur, 스텔리아랩 R&T 복합재 제조 총괄)가 동행했다.

'미래의 공장(Factory of the Future)'

본사 건물에서의 소개 프레젠테이션에서 푸르니에는 스텔리아 에어로스페이스가 디지털 제조 및 자동화 등 미래 기술에 투자해 왔으며, 증강현실(AR)/가상현실(VR)을 활용해 생산 효율을 높이고 로봇/코봇(cobot)을 이용해 조립 효율을 개선하고 있다고 설명했다.

"미래는 복합재 그리고 금속 구조물입니다"라고 카날은 강조한다. "우리는 근로자를 대체하는 것이 아니라 그들을 더 효율적으로 만드는 미래 솔루션을 정의하려 노력하고 있습니다."

이러한 효율성 추구는 5년 전 A320과 A350 생산 증대에 대응하기 위해 시작된 '미래의 공장' 이니셔티브에서 가장 잘 드러난다. 당시 프로젝트 매니저였던 카날은 "이 사이트에 새로운 산업 전략을 도입했다. 가변 생산 속도에 대응할 수 있는 유연한 툴링을 개발해 한 프로그램에서 다른 프로그램으로 용도를 변경할 수 있게 했다"고 회고한다.

또 다른 변화는 건물을 프로그램별로 전용화한 것이다. "각 건물마다 한 개의 라인과 한 팀을 두고, 인력·동선·자재·공정의 낭비를 제거하는 린 제조(lean manufacturing) 접근법으로 설계했다"고 카날은 설명한다. 스텔리아 에어로스페이스는 A320 라인도 재설계해 생산성을 10~20% 향상시켰다. "이는 상당히 의미 있는 개선"이라며 "생산과 100% 정시 납품, 품질 손실 없이 2.5년 만에 이 사이트 제조 공간의 50% 이상을 변경하며 달성했다"고 덧붙였다. 이 성공은 최고 경영진의 전폭적 지지 덕분이지만, "근로자들이 주인의식을 갖도록 열심히 노력했다"고 그는 말한다.

카날에 따르면 30,000㎡ 규모의 A350 생산 건물 설계는 흐름(flow)을 중심으로 이뤄졌으며, U자형 구조로 원자재가 한쪽 끝으로 들어가 완제품 동체 섹션이 반대쪽 끝으로 나온다. "A350 구조물 생산의 모든 공정(초기 적층부터 최종 조립까지)이 이 한 건물 안에서 이뤄집니다. 이는 예를 들어 품질 문제를 신속하고 쉽게 식별하고 해결할 수 있게 해주므로 중요합니다."

A350의 경우 스텔리아 에어로스페이스는 버드 스트라이크(bird strike) 내구성을 위해 전금속으로 된 노즈 동체 섹션 11, 복합재/금속 하이브리드 복합 조립체인 섹션 12, 노즈 랜딩 기어 베이가 포함된 섹션 11/12 하부 유닛을 생산한다. 푸르니에는 '미래의 공장' 영상을 보여주며 자동차 조립 라인처럼 펄스 라인(pulsed line)을 도입했음을 지적했다. "작업자들이 이 이동 라인을 훈련하고 익숙해질 수 있도록 데모 라인을 구축했습니다. 이 라인은 풀레이트 생산을 위한 특정 박자 시간(takt time)에 맞춰 작동합니다"라고 카날은 설명한다.

디지털 기술도 중요한 축이었다. "디지털 솔루션으로 모든 기술 도면과 공정 단계를 태블릿에 담아 각 섹션의 최신 3D 목업(mockup)에 접근할 수 있게 했습니다"라고 카날은 말한다. 이로써 작업자들은 중요한 세부 사항과 변경 사항을 실시간으로 인지하고, 관리자들은 잠재적 문제를 즉각 파악할 수 있다. "또한 조립을 돕기 위해 증강현실을 개발했습니다. 예를 들어 동체 셸에 어떤 부품을 어디에 부착해야 할지 투영해 보여줍니다." 검사용 코봇(cobot)은 완성된 섹션을 3D 스캔해 디지털 목업과 비교함으로써 이물질, 누락 부품, 품질 문제 등을 식별한다.

견학은 A350 생산 건물의 클린룸에서 시작됐다. 코리올리스(Coriolis, 프랑스 케벤)의 자동 섬유 배치(AFP) 머신이 섹션 11/12 하부 유닛용 대형 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 동체 셸과 섹션 12용 크라운 및 양쪽 사이드 셸을 적층한다. 이 셸들은 프리팹리케이티드 스트링거와 결합된 후 진공 백킹되어 오토클레이브에서 경화된다. 경화 후 트리밍을 거쳐 조립 공정(로봇 드릴링 및 패스너 설치) 전반에서 쉽게 이송할 수 있는 핸들링 툴에 실린다. 모든 패널은 자동화된 비파괴 검사(NDT)를 거친다. 완성된 조립체는 프랑스 생나제르(Saint Nazaire)의 에어버스 동체 조립 라인으로 납품된다.

스텔리아랩(STELIALAB)

다음 행선지는 스텔리아 게이티드 단지 바로 남쪽에 위치한 지역 기술·교육 시설인 인더스트리랩(IndustriLAB) 좌측 절반을 차지하는 2,000㎡ 규모의 스텔리아랩 R&T 센터다. 스텔리아랩의 활동은 복합재, 조립, 디지털 기술에 집중돼 있다.

이곳 견학도 살 블랑슈(salle blanche)(클린룸)에서 시작된다. 꽤 넓은 개방형 공간에 백킹 자재와 적층 툴이 갖춰져 있다. 시몬 메르-비외르는 그룹의 임무가 주로 대형·복잡 부품의 저비용·대량 생산을 위한 미래 기술을 발굴하는 것이라고 설명한다. 열경화성 복합재의 산업화에는 고속 AFP와 액체 수지 주입(LRI) 공정(수지전달성형 RTM 포함)이 포함되며, 날개 부품, 수평/수직 꼬리날개 같은 대형 밀폐 박스 구조물에 적용된다.

클린룸을 나와 최대 4m 길이 부품 적층이 가능한 코리올리스 머신이 있는 AFP실로 들어간다. R&T 전용으로 연간 200일 이상 가동된다. 스텔리아랩은 AFP로 제작한 건식 스트링거와 스킨을 오븐이나 자가발열 툴을 이용해 오토클레이브 외 경화(OOA)하는 공정을 개발했다. "더 저렴한 툴을 쓸 수 있어 더 낮은 주입 압력의 LRI를 선호합니다"라고 메르-비외르는 말한다.

TPC 로드맵

이 AFP 머신은 ARCHES TP 개발 프로그램의 일환으로 전열가소성 복합재(TPC) 헬리콥터 동체/테일붐 데모스트레이터의 스킨 적층에도 사용됐다. 2017년 파리 에어쇼와 2018·2019년 JEC 월드에 전시된 이 부품은 레이저 가열 방식으로 0.25인치 폭의 탄소섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 테이프 8토우(tow)로 제작됐다. "적층 중 AFP로 낙뢰 보호 기능을 통합했습니다"라고 메르-비외르는 설명한다. "스킨은 캡톤(Kapton) 백킹 필름으로 OOA 경화했는데, 사실 그리 편리하진 않았습니다." 오메가 형상 스트링거는 구매한 단방향 테이프 평판을 아비아콤(Aviacomp, 프랑스 툴루즈)에서 스탬프 성형해 제작했다. 프레임도 같은 공정으로 만들되 포르셰(Porcher, 프랑스 바디니에르)의 직물 소재 플레이트를 사용하고 세팀(Cetim, 프랑스 낭트)에서 스탬프 성형했다. 프레임은 통상적인 기계적 체결 방식을 썼지만, 스트링거는 자동화된 동적 유도 용접으로 부착했다. "이로써 비용 절감과 새로운 설계 가능성이 열립니다"라며 "전기 하네스용 부착점 등에 오버몰딩(overmolding)도 시연했습니다."

프로그램의 어려움을 묻자 메르-비외르는 적층, 용접, 15개월의 촉박한 일정을 꼽았다. "직물 소재의 스탬핑에서 왜곡을 최소화하는 것도 쉽지 않았습니다." 테일붐 설계는 스텔리아 에어로스페이스 툴루즈 설계실에서 완료했으나 모든 생산은 스텔리아랩이 감독했다. 하지만 ARCHES TP는 스텔리아 에어로스페이스의 열가소성 복합재 로드맵의 한 단계일 뿐이다. 회사는 향후 수년 내 풀스케일 TPC 동체 실현 가능성을 입증하기 위해 TPC 기술을 지속 개발 중이다.

미래 항공구조물의 재구상

AFP실을 나와 임시 벽으로 지식재산권 보호를 위해 구획된 '개발 셀(development cells)'이 있는 대형 개방 홀로 들어선다. 홀을 가로질러 왼쪽으로 돌면 작은 숄츠(Scholz, 독일 쾨스펠트) 오토클레이브(450°C 가능)와 수지 주입용 사출기가 있는 구역이 나온다. "우리의 로드맵이 OOA 경화이므로, 오토클레이브를 압력 없이 열가소성 복합재를 경화하는 오븐처럼 사용합니다"라고 메르-비외르는 설명한다. 커튼으로 가려진 트리밍 룸과 그 옆에는 소형 C-스캔 시스템 등 NDT 장비가 있다.

다시 돌아 대형 시험실로 들어선다. "연마 단면을 관찰해 품질 관리와 소재·공정 조사를 수행할 수 있습니다"라고 메르-비외르는 말한다. 연구실에는 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(Hexagon Manufacturing Intelligence)의 로머(Romer) 암으로 좌표 측정, 섬유 체적률, 경도, 화학 시험 장비도 갖춰져 있다. "우리 R&T 팀의 모든 엔지니어가 자체적으로 소재와 공정 관리를 할 수 있습니다. 설계부터 제조, 검사, 최종 부품 시험까지 전 과정을 운용할 수 있도록 훈련시킵니다. 이는 전체 공정을 이해하고 의심되는 문제와 원인을 신속히 평가할 수 있게 해주기 때문에 중요합니다. 설계가 제조 및 품질 시험과 분리되지 않습니다."

마지막으로 벽으로 격리된 구역 중 하나인 대형 자동화 연구실을 방문한다. 내부를 잠깐 보니 로봇과 코봇을 활용한 새로운 조립 방안을 탐구 중이다. "더 작고 기능적인 툴링의 추가 개발과 부품을 더 빠르고 저렴하게 조립하는 방법을 상상하고 있습니다"라고 카날은 말한다. "우리의 문화는 경계를 허물고 새로운 개척을 하는 것입니다. 우리는 로보틱스 구현의 선구자였고, 이제 복합재 기술의 선구자가 되었습니다. 우리는 미래를 재고하고 재구상하는 능력을 입증했으며 결코 멈추지 않을 것입니다."

상용 항공 산업이 향후 20년간 두 배로 성장할 것으로 전망되는 가운데, 여객기와 화물기 수요를 충족하려면 새로운 기술과 전례 없는 제조 속도가 필요합니다.

CompositesWorld, Modern Machine Shop, Additive Manufacturing의 기사 모음에서 차세대 항공기를 형성할 소재와 공정에 대해 자세히 알아보세요. 무료로 읽거나 다운로드할 수 있습니다. 여기에서 확인하세요.