보잉, 787 드림라이너 최초 복합재 동체 섹션 공개

2003년 보잉사(미국 일리노이주 시카고)가 향후 787 상용 제트여객기로 개발될 기종 계획을 발표했을 때, 가장 주목받은 점은 동체, 날개, 꼬리날개 및 기타 주요 구조물이 수십 년간 표준이었던 알루미늄 대신 탄소 섬유 복합재로 제작된 최초의 항공기가 될 것이라는 사실이었습니다. 거의 그에 못지않게 주목받은 것은 보잉이 이 주요 구조물의 제작을 워싱턴주 에버렛의 최종 조립 라인에서 최종적으로 결합될 완전한 서브 어셈블리를 제작할 글로벌 공급업체 네트워크에 아웃소싱하기로 결정했다는 점이었습니다. 지금은 잘 알려진 이 공급업체 목록에는 미쓰비시 중공업과 가와사키 중공업(일본 도쿄), 알레니아 아에로노티카(이탈리아 나폴리), 그리고 미국에서 가장 주목받는 스피릿 에어로시스템즈가 포함됩니다.

스피릿 에어로시스템즈, 섹션 41 전담 제작

스피릿은 787의 전체 전방 동체인 '섹션 41' 제조사로 선정되었습니다. 여기에는 조종석, 조종석 윈드실드, 2개의 도어, 9개의 승객 창문, 모든 항공 전자 장비, 조종석 시트 및 배선이 포함됩니다. 직경 6.2m, 길이 12.8m의 섹션 41은 항공기 동체 섹션 중 가장 복잡한 것으로 평가받습니다.

스피릿이 787 구조물 공급사로 선정된 것은 당연한 일이었습니다. 이 회사의 역사는 1927년 항공 전설 로이드 스티어맨이 스티어맨 항공사를 캘리포니아에서 위치토로 이전하면서 시작됩니다. 불과 2년 후, 당시 유나이티드 에어크래프트 앤 트랜스포트 코퍼레이션으로 알려졌던 보잉이 스티어맨을 인수했습니다. 보잉 위치토 공장은 이후 미국 역사상 가장 상징적인 군용 항공기인 B-29 슈퍼포트리스, B-47 스트라토제트, B-52 스트라토포트리스를 제조했습니다.

2005년 보잉이 787 제조 개발을 본격화했을 때, 위치토 캠퍼스는 보잉에서 매각되어 스피릿 에어로시스템즈로 이름이 변경되었습니다. 에릭 하인 스피릿 수석 디렉터(R&D 및 맨테크)에 따르면, 현재 미국(캔자스, 오클라호마, 노스캐롤라이나)과 스코틀랜드, 프랑스, 말레이시아에 추가 거점을 둔 이 회사는 세계 최대의 상용 항공기 제조 역량을 보유하고 있습니다. 787 외에도 스피릿은 보잉 737, 747, 767, 777(대부분 금속), 에어버스 A320, A350(복합재 집약적), A380, 봄바디어 C시리즈, 미쓰비시 MRJ, 시코르스키 CH-53K(헬리콥터), 벨 V-280(틸트로터)의 주요 구조물을 제작합니다. 하인에 따르면 스피릿은 2017년 70억 달러의 매출과 460억 달러의 수주 잔고를 기록했습니다.

단일 구조물(모놀리식) 동체 제조

스피릿 에어로시스템즈는 787 동체 부분을 단일 구조물로 제작하며, 자동 섬유/테이프 적층 공정과 코큐어드 스트링거를 결합해 원피스 배럴을 만듭니다. (주목할 점은 에어버스가 나중에 A350 XWB의 동체를 원피스 구조가 아닌 탄소 섬유 복합재 패널로 설계했다는 점입니다. 스피릿은 노스캐롤라이나주 킨스턴에서 A350 동체 패널을 제작하고 프랑스에서 조립합니다.)

787 1차 구조물 제작에 사용되는 복합재 소재는 널리 알려진 대로 도레이 인더스트리(일본 도쿄)의 도레이카 3900 시리즈 탄소 섬유 강화 터프닝 프리프레그로, 중간 계수 T800S 섬유를 사용합니다. 프리프레그는 UD 테이프, 슬릿 테이프(자동 섬유/테이프 적층용), 직물 형태로 공급됩니다.

787 동체 설계에는 두 가지 기본 복합재 제작 공정이 규정되어 있습니다: 스트링거 절단 및 성형, 동체 스킨 섬유 적층. 핵심은 스트링거를 섬유 적층된 스킨과 결합해 코큐어드 구조를 구현하는 것입니다. 이로 인해 스피릿과 보잉은 투어의 첫 번째 공정인 스트링거 제작에 큰 의미를 부여합니다.

고도로 자동화된 스트링거 제작 라인

이 고도로 자동화된 라인에는 아메리칸 GFM(미국 버지니아주 체서피크) 절단 테이블이 도레이카 3900 시리즈 프리프레그를 플라이로 절단합니다. 이들은 키팅 테이블로 이송되어 오버헤드 LAP 레이저(미국 켄터키주 얼랭어)의 안내에 따라 수동으로 적층되고 성형을 위해 준비됩니다. 산체스는 이 스트링거 제작 라인이 섹션 41 제조를 위해 스피릿이 개발한 지적 재산의 대부분을 구현하고 있으며 시설 운영의 중요한 부분이라고 말합니다.

스트링거 라인에서 나온 예비 성형 스트링거는 작업자들이 인접한 섹션 41 맨드릴로 옮깁니다. 이 맨드릴은 향후 모든 복합재 제작 공정의 중심이 됩니다. 산체스에 따르면 전방 동체 섹션의 모양과 치수를 가진 이 맨드릴은 탄소 섬유/비스말레이마이드(BMI) 복합재로 제작되며 6개 세그먼트로 구성됩니다. 각 세그먼트는 맨드릴 길이를 따라 측면으로 분할되어 있습니다. 각 맨드릴 섹션 표면에는 도구 길이를 따라 슬롯이 가공되어 있으며, 여기에 예비 성형 스트링거가 평평한 바닥이 바깥쪽을 향하도록 배치됩니다.

모든 스트링거가 슬롯에 배치된 후, 작업자들은 전체 맨드릴을 도레이 컴포지츠 아메리카(미국 워싱턴주 타코마)제 인터우븐 와이어 패브릭(IWWF)으로 오버랩합니다. 이는 787 동체 전체에 낙뢰 보호 기능을 제공합니다. 이 전체 구조는 다시 플라스틱 백킹 필름으로 오버랩됩니다. 이 필름은 IWWF와 스트링거를 고정하여 맨드릴이 수동 유도 차량으로 다음 공정인 자동 섬유 적층(AFP) 스테이션으로 이동하는 동안 제자리에 있도록 하며, AFP 공정 전에 제거됩니다.

AFP 시스템으로 동체 스킨 적층

787 동체 스킨 제작에 사용된 AFP 시스템만큼 복합재 사용을 상징하는 공정은 없을 것입니다. AFP는 787 프로그램이 시작되기 전에도 수년간 사용되어 왔으므로 복합재 제조에 새로운 기술은 아니었습니다. 787에서 새로운 것은 적용 규모였습니다. AFP로 제작된 복합재 구조물 중 단일 787 동체 섹션의 크기에 근접한 것은 거의 없었습니다.

스피릿이 위치토에서 787 생산을 시작했을 때, AFP는 인거솔 머신 툴스(미국 일리노이주 록포드)제 32-크릴 머신으로 수행되었습니다. 그러나 2000년대 초반 보잉은 자동화 전문 기업 일렉트로임팩트(미국 워싱턴주 뮤킬테오)와 협력하여 모듈식 교체형 헤드를 갖춘 새로운 AFP 머신 개발에 착수했습니다. 각 헤드에는 특정 작업 유형에 필요한 모든 탄소 섬유 스풀이 저장되어 있으며, 필요한 테이프 폭에 따라 비교적 쉽게 교체할 수 있습니다.

스피릿은 여전히 원래의 인거솔 머신을 보유하고 있지만 백업 용도로 사용됩니다. 스피릿이 결국 섹션 41 스킨 제작의 대부분을 수행하기 위해 두 대의 일렉트로임팩트 머신을 도입했기 때문입니다. 산체스에 따르면 각 16-스풀 헤드(0.25인치 및 0.50인치/6.35mm 및 12.7mm 폭 토우)를 장착한 두 대의 일렉트로임팩트 AFP 머신이 함께 작동하여 맨드릴에 소재를 적층합니다. 맨드릴은 수평으로 장착되어 스핀들에서 회전하며, 헤드가 양쪽을 따라 이동하면서 비교적 짧고 엄격하게 정해진 코스로 토우를 배치합니다. 방문객들은 공장의 밝은 조명 아래 맨드릴에 이미 적층된 다양한 각도의 토우 집합을 쉽게 볼 수 있습니다.

산체스는 두 대의 일렉트로임팩트 머신이 동체 스킨 한 세트의 모든 섬유를 적층하는 데 걸리는 시간을 공개하지 않았으며, 단지 "매우 빠르다"고만 말했습니다. 모든 AFP 작업은 머신에서 근무하는 3명의 작업자가 관리합니다. 한 명은 맨드릴을 내려다보는 제어 부스에서 근무하고, 다른 두 명은 맨드릴 아래와 옆을 플래시라이트를 들고 걸으며 프리프레그 토우 표면의 문제 있는 갭, 랩, 불균일, 주름, 이물질(FOD)을 검사합니다. 결함은 경화 전에 반드시 해결/수정해야 합니다.

오토클레이브 경화 및 후처리 마무리

섹션 41의 다음 단계는 또 다른 전체 백킹 후 오토클레이브입니다. 스피릿 위치토는 두 대의 대형 써멀 이큅먼트 코퍼레이션(TEC, 미국 캘리포니아주 랜초 도밍게즈) 오토클레이브를 운용합니다. 동체 섹션은 야간 경화 후 디백킹되고, 6개 파트 맨드릴은 분해되어 동체 넓은 쪽을 통해 섹션별로 제거됩니다.

후처리 마무리 공정

섹션 41은 완성까지 며칠 동안 여러 스테이션을 거칩니다. 이에는 MTorres(스페인 토레스 데 엘로르즈) 토레스밀 5축 갠트리 라우팅 및 드릴링 머신 방문이 포함되며, 동체 프레임 및 기타 내부 구조물, 도어 개구부, 창문, 전방 랜딩 기어 개구부를 위한 홀을 드릴링합니다. 동체는 펄스 에코 비파괴 검사(NDI), 도장 준비, 도장, 창문 유리 설치, 도어 설치, 모든 내부 구조물/시스템 설치 과정을 거칩니다. 가장 먼저 설치되는 내부 구조물은 원형 프레임(금속 및 복합재)으로, 스트링거와 동체 스킨에 부착됩니다. 이 모든 공정에서 섹션 41은 활동에 따라 킬 업(keel up) 또는 킬 다운(keel down) 상태로 작업됩니다.

CW 방문 당시 약 30개의 워크스테이션을 둘러보았으며, 각 스테이션에는 조립 상태가 다양한 섹션 41 구조물이 있었고, 각 섹션은 에버렛의 보잉 FAL에서 즉시 통합할 수 있는 상태로 위치토를 떠납니다. 보잉은 현재 월 12대의 787을 생산 중이며, 2019년까지 월 14대로 늘릴 계획입니다. 이는 광동체 항공기로는 이례적으로 큰 수치입니다.

산체스는 스피릿이 섹션 41 제작을 개발 단계든 실제 생산이든 거의 10년간 해왔다고 말합니다. 존재했을 버그, 결함, 특이사항은 오래전에 파악되어 해결되었습니다. 월 14대 생산 속도 달성은 문제가 되지 않을 것이라고 그는 말합니다.

차세대 R&D

섹션 41 제조 시설을 떠나면서 CW는 피에르 하터 스피릿 첨단 연구 디렉터와의 미팅을 위해 인접 건물로 안내받았습니다. 이전에는 현재 없어진 미국 콜로라도주 덴버 소재 아담 에어크래프트와 봄바디어(캐나다 퀘벡주 몬트리올)에서 엔지니어로 근무했고 위치토 주립대학을 졸업한 하터는 겉보기엔 평범한 다중 복도, 다중 문 건물로 CW를 안내했지만, 이곳이 스피릿의 복합재 연구 개발 허브임이 금방 드러났습니다.

스피릿의 섹션 41 제조 라인이 아무리 정교해도, 10년 이상 전에 새로운 기술이었던 복합재 제조 기술을 사용하고 있다는 사실은 부인할 수 없습니다. 항공우주 인증(비용과 시간 모두)의 현실과 제조 제약으로 인해 스피릿과 같은 공급업체는 항공기 구조물의 제조 기술을 초기에 확정하고 프로그램 기간 동안 이를 고수해야 합니다. 따라서 장비와 소재를 업그레이드할 수 있는 능력은 최근 복합재 제조 기술의 발전이 아무리 유리하더라도 종종 제한됩니다.

따라서 하터의 임무는 새로운 복합재 소재와 기술을 평가하여 차세대 항공기에 적용할 가능성이 있는 것을 결정하는 것입니다. 실제로 787과 에어버스 A350이 생산 중인 상황에서, 상용 항공우주 공급망 전체가 다음 주요 상용 프로그램을 예상하고 있으며, 각 구성원은 OEM이 필요로 하는 지식과 전문성을 확보하기 위해 분주합니다.

일반적인 관측에 따르면 다음으로 공식 발표될 프로그램은 보잉의 단일 통로, 쌍발 신형 중형 항공기(NMA, 또는 797)가 될 것으로, 757을 효과적으로 대체할 것입니다. 이 항공기는 2025년경 시장에 진입할 것으로 예상됩니다. 복합재를 확실히 사용할 것이지만, 스피릿 R&D 팀의 질문은 얼마나? 어디에? 어떤 종류? 아직 아무도 모릅니다. 그래서 하터와 그의 팀은 모든 옵션을 평가 중입니다. 따라서 현재 스피릿에서 개발 중인 소재, 장비, 프로젝트의 배열은 현기증이 날 정도입니다. "우리는 다양한 프로젝트를 진행 중입니다"라고 하터는 말합니다. "오토클레이브 외 경화, 고속 RTM, 열가소성 수지, 혁신적인 툴링, 인라인 검사, 파이버 스티어링. OEM이 무엇이 필요하든 대비하고 싶습니다."

스피릿 위치토 복합재 연구소의 중심에는 16-스풀(0.125, 0.25, 0.5인치 토우) 일렉트로임팩트 AFP 머신이 있으며, 하터는 이를 인라인 자동 검사 활용을 위한 트레이드 스터디뿐만 아니라 프로토타이핑을 포함한 다양한 활동에 사용한다고 말합니다. 자동 검사 시스템의 목표는 투어 초기에 목격한, AFP 기술자들이 플래시라이트로 문제 있는 랩, 갭, 주름, FOD를 찾는 시간 많이 들고 노동 집약적인 작업을 없애는 것입니다.

스피릿은 얼라인드 비전(미국 매사추세츠주 첼름스포드)의 레이저비전 시스템을 평가 중인데, 이는 스피릿에게 무엇이 진짜 결함이고 무엇이 아닌지 재고하게 만들고, "결함을 어떻게 특성화할지 재고하게 만듭니다." 하터는 이 시스템이 올해 말까지 생산 현장에서 가동될 수 있을 것이라고 말합니다.

AFP 시스템 외에도 스피릿은 다양한 기술 성숙도(TRL) 수준에서 여러 프로젝트를 진행 중입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 형상 기억 폴리머 툴링 (TRL 6)
• 헥셀(미국 코네티컷주 스탬포드)의 하이테이프(드라이 파이버)를 사용한 RTM 방식 스파 섹션 (TRL 6)
• 공정 내 제어를 위한 임베디드 센서가 있는 인퓨즈드 스파, 오토클레이브 또는 오븐으로 경화 (TRL 4)
• 스티어드 AFP 및 핫 드레이프 포밍으로 제작된 프레임 (TRL 6)
• 신시내티 인크(미국 오하이오주 해리슨) 공급 위치토 주립대학의 대면적 적층 제조(BAAM) 머신으로 제작된 3D 프린팅 툴링

하터에 따르면 다른 연구 분야에는 스티치드 프리폼, 로봇 AFP/ATL, AFP 헤드 혁신 등이 포함됩니다. 후자는 2016년 말 스피릿에서 2년 내 AFP 적층 속도 2배 향상이라는 도전에서 비롯되었습니다. 하터는 이 도전을 해결하려는 노력에서 "로봇 공정이 최적화되면 헤드/머신 기술의 한계에 부딪힌다"는 것을 발견했다고 말합니다. 즉, AFP 속도의 제한 요인은 파이버 토우 공급 효율성이 됩니다. 스피릿은 일렉트로임팩트 및 소재 공급업체와 협력하여 총 처리량을 늘리기 위한 기술을 개발 중입니다.

스피릿 위치토 투어의 마지막 정거장은 소재 및 부품 테스트입니다. 예상대로 스피릿은 MTS 시스템즈(미국 미네소타주 에덴 프레리)제 15대의 기계 테스트 머신(11-50 킵 능력), 환경 테스트 챔버, 스트레인 게이지 기능, 계측 시스템, 풀스케일 부품 테스트용 하이베이 공간 등 강력한 역량을 갖추고 있습니다. CW 방문 당시 날개 구조물과 추력 역전 장치가 활성 응력 테스트 중이었습니다.

투어가 마무리되고 작별 인사를 나누며 스피릿 에어로시스템즈의 거대한 위치토 캠퍼스가 CW의 출발과 함께 멀어질 때, 스피릿의 상당한 복합재 역량을 고려하면 향후 10년이 이 주요 항공 제조업체에 어떻게 보일지 궁금해집니다. 글로벌 항공우주 세계에서 그 역량의 조합은 단연 독보적입니다. 스피릿 에어로시스템즈는 미래가 무엇이든 대비된 듯 보입니다.