엘빗 시스템즈, 이스라엘과 미국 위한 선도적 복합재 솔루션 제공

엘빗 시스템즈(Elbit Systems Ltd., 하이파)는 2017년 매출 33억 달러, 2018년 수주 잔고 75억 달러 이상의 이스라엘 최대 방산 계약업체입니다. 사업 영역에는 군용 및 상용 항공기, 지상 차량, 국토 안보, 다양한 인텔리전스, 전자 및 사이버 시스템의 시스템과 구조물이 포함됩니다. 12,500명 직원 중 거의 3,000명이 미국에서 자회사 엘빗 시스템즈 오브 아메리카를 통해 유타주, 뉴햄프셔주, 텍사스주 포트워스 등 여러 지역에서 근무합니다. 그리고 엘빗 사이클론은 조지아 트빌리시 국제공항 인근에 에어로-스트럭처 테크놀로지스 사이클론(Aero-Structure Technologies Cyclone, ATC)이라는 추가 사이트로 확장했으며, 조지아 정부와 파트너십으로 구축되었습니다. 12,000m² 규모의 시설로, 두 개의 오토클레이브와 CNC 가공 및 NDI 역량을 갖추고 건설이 완료되었습니다. "현재 주요 항공기 OEM들과 이 위치의 자격 인증을 진행 중입니다"라고 조나단 훌라티(Jonathan Hulaty) 엘빗 사이클론 사업 개발 및 마케팅 수석 매니저는 말합니다.

엘빗 시스템즈 사이클론 자회사는 이스라엘 북부에 위치하며, 금속 및 복합재 항공기 구조물과 어셈블리의 설계 및 생산 센터 역할을 합니다. 이 회사는 1970년 단일 건물로 사이클론이 설립된 곳, 카르미엘 근처에서 이스라엘 공군 항공기와 헬리콥터의 유지보수, 수리, 정비(MRO) 서비스를 제공하기 위해 같은 부지에 서 있습니다. 회전하는 헬리콥터 블레이드가 생성하는 나선형 바람이 원래 회사 이름에 영감을 주었습니다.

사이클론은 1980년대까지 복합재 역량을 확립했고, 이스라엘 밖의 고객들을 위해 일하기 시작했습니다. 맥도넬 더글러스 DC-10과 MD-11 광동체 항공기용 금속 도어, F-15와 F-16 군용 제트기용 부품, 걸프스트림 G-200 비즈니스 제트기용 부품을 제작했습니다.

엘빗은 1990년대 후반 사이클론을 인수하고 투자했으며, 2010년까지 규모가 3배로 커졌습니다. 2017년까지 사이클론은 보잉사(미국 일리노이주 시카고) 737 상용 항공기용 알루미늄 도어 11,000개를 생산했으며, 후방 출입문, 갤리 도어 2개, 전방 및 후방 화물 도어가 포함됩니다. 이후 보잉과 직접 계약하여 787 드림라이너용 복합재 플로어 어셈블리와 상세 부품을 생산하고, 스피릿 에어로시스템즈(미국 캔자스주 위치토)와도 동일 항공기의 동체 섹션 41용 복합재 부품을 계약했습니다. 또한 보잉 787-8 변형용 승객 플로어 빔을 공급합니다. 이 회사는 이제 보잉 골드 레벨 선호 공급업체로 인정받고 있으며, 이는 보잉의 최고 공급업체 상입니다. 이를 달성한 곳은 극소수이며, 미국 밖에서는 최초입니다.

이 회사는 또한 봄바디어(캐나다 퀘벡주 몬트리올) 장거리 비즈니스 제트기용 부품과 미국 중심의 F-35 라이트닝 II 3개 변형용 다양한 부품을 공급합니다. 사이클론의 긴 고객 목록에 있는 다른 유명 기업들로는 록히드 마틴, 시코르스키, GKN 에어로스페이스, 텍스트론, 트라이엄프, 노스롭 그루만, 벨 헬리콥터가 있습니다.

훌라티는 CW의 투어 호스트로, "1990년대 후반 우리는 400명의 직원이 있었습니다. 지금은 매출 기준으로 5배 더 크지만 직원은 500명입니다. 이는 우리의 린 프로세스 강조 덕분입니다. 우리가 하는 대부분은 빌드-투-프린트인데, 화려하게 들리지 않을 수 있지만 우리 산업의 큰 부분을 차지합니다."라고 회상합니다. 훌라티는 품질, 반복성, 경쟁력 요건과 생산을 충족하는 데 필요한 장비 및 품질 시스템 투자가 이 시장에서 힘들지만 흥미로운 위치를 만든다고 덧붙입니다: "항공우주 복합재 티어 공급업체가 되는 것은 심약한 자를 위한 것이 아닙니다."

기절하는 대신, 사이클론은 작년 복합재 사업이 금속 사업을 넘어 전체 생산의 과반을 차지하게 되었으며, 약 60/40 비율로 분할되었습니다. 훌라티는 성장이 계속될 것이라고 예측합니다: "올해는 아마도 70% 복합재로 이동할 것입니다."

부품 숙련도

CW의 투어는 현장 메인 회의실에서 시작되며, 훌라티가 간략한 소개를 합니다. 사이클론의 생산은 군용과 상용이 약 50/50으로 분할됩니다. 상용 복합재 부품에는 랜딩 기어 도어, 나셀 부품, 스킨, 페어링, 조종면, 구조용 플로어 그리드가 포함됩니다. 군용 복합재에는 스킨, 도어, 필라멘트 와인딩 외부 탱크, 파일론, 조종면, 헬리콥터 스폰슨과 엔진 인테이크가 포함됩니다.

사이클론은 중고도 장시간 체공 무인 항공기(MALE UAV)용 외부 날개와 테일 붐을 설계했습니다. 이 항공기는 3,048-9,144m 고도에서 연장된(예: 24-48시간) 기간 동안 비행합니다. 그러나 훌라티는 회사가 더 이상 많은 UAV 작업을 하지 않는다고 말합니다. "UAV는 일반적으로 작고, 습식 레이업을 사용하는데, 이는 우리의 전문 분야가 아닙니다."라고 그는 설명합니다. 프리프레그를 사용하는 더 큰 UAV도 있지만, 훌라티는 이들이 일반적으로 소량 생산되거나 보잉, 제너럴 아토믹스 등 대형 방산 OEM들에 의해 내부 제작된다고 지적합니다. "우리는 프리프레그 부품의 긴 연속 생산을 선호합니다, 산발적 프로그램보다는."

사이클론의 프리프레그 부품 역량에는 핫 드레이프 포밍(HDF)과 오토클레이브 경화를 통한 다중 레이업의 진공 디벌킹이 포함됩니다. 경화된 부품의 비파괴 검사(NDI)와 CNC 가공은 현장에서 완료되며, 특별한 전문성은 복잡한 금속 및 복합재 어셈블리의 고속 생산입니다. 사이클론은 모든 항공우주 제조 및 품질 인증(예: AS9100, 나드캡, ISO9001)을 완료했으며, 필라멘트 와인딩과 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM) 역량을 개발했습니다.

RTM은 사실 CW가 사이클론을 처음 접한 계기였습니다. 이 회사의 상용 항공기용 금속 승객 도어의 대안인 일체형 올-복합재 도어 개발은 2013년 CW 기사 "통합 복합재 항공 구조물의 비용 절감"에 실렸습니다. 이 기술은 RTM과 기하학적으로 잠긴 복합재 피팅을 사용하여 매우 적은 패스너로 FAA 인증 가능한 구조를 달성했으며, 알루미늄 및 '블랙 알루미늄' 복합재 설계 대비 30% 중량 절감과 25-35% 비용 절감을 실현했습니다. 사이클론의 완전 패스너 프리 복합재 도어 성공적 제작과 이 기술을 더 가볍고 저렴한 복합재 조종면으로 확장한 내용은 CW의 2016년 업데이트 "패스너 프리, 복합재 항공기 도어 및 조종면"에 기술되었습니다. 훌라티는 회의실에 전시된 패스너 프리 도어 #1을 가리키며 소개 발언을 마칩니다. 이 부품은 인상적이며 고품질 마감을 자랑합니다. 그런 다음 그는 건물을 나서며 길을 안내합니다.

간소화된 레이업 및 테스트

훌라티는 투어를 언덕 아래로 이끈 다음 왼쪽으로 돌아 사이클론 복합재 생산 건물 입구로 들어갑니다. 여기에서도 여러 부품이 전시되어 있습니다: 보잉 767 테일 스키드 페어링, 비치크래프트 킹 에어 윙렛, F-35 복합재 부품. 입구를 지나 왼쪽에는 방위 관련 생산을 위한 제한 구역 클린룸이 닫혀 있습니다. 오른쪽에는 보잉 787 부품용 클린룸에서 작업자들이 작은 클립과 스탠션부터 복잡한 J-, I-, C-빔, 다중 피스 노즈 랜딩 기어 도어까지 다양한 부품용 프리프레그를 레이업하고 있습니다. 프리프레그는 불머 어시스트(영국 웨이크필드) 자동 직물 커터와 두꺼운 적층을 어떤 각도에서든 절단하는 기요틴 머신으로 절단됩니다. 프리프레그 냉동고는 클린룸에 인접해 있습니다. 훌라티는 때때로 프리프레그 적층이 절단, 키팅되어 다시 냉동고에 넣어진다고 말합니다. 클린룸 곳곳에 있는 얼라인드 비전(미국 매사추세츠주 첼름스포드) 레이저 프로젝션 시스템이 핸드 레이업을 지원합니다.

탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 플로어 빔 부품이 수컷 금속 맨드럴에 레이업되고 있습니다. 훌라티는 간소화된 공정을 설명합니다: "우리는 먼저 프리프레그 적층을 쌓은 다음 맨드럴에 적용합니다. 이는 툴에 조각조각 적용하는 것에 비해 엄청난 시간을 절약합니다. 레이업은 우리 자체 설계의 CFRP 콜로 덮이며, 이는 부품의 100% 반복성을 보장하는 데 도움이 됩니다."

핫 드레이프 포밍 머신이 클린룸 뒷벽을 따라 놓여 있어, 사이클당 많은 부품을 디벌킹할 수 있습니다. "핫 드레이프 포밍 없이 빔과 스탠션 같은 이런 유형의 고속 프리프레그 부품 생산을 어떻게 하는지 모르겠습니다"라고 훌라티는 말합니다. 그러나 그는 이 단계가 병목도 아니고 오토클레이브도 아니라고 인정합니다. "경화 후 가공이 병목입니다"라고 그는 주장하며, 긴 플로어 빔 부품의 경우 단순 적층을 레이업하고 경화 후 가공하는 것이 더 빠르다고 설명합니다. "오토클레이브는 문제가 아닙니다. 한 번에 많은 부품을 적층하여 경화할 수 있기 때문입니다. 그래서 실제로 경화 사이클당 좋은 생산 속도를 얻습니다."

큰 인접 구역에 네 대의 오토클레이브가 뒷벽을 따라 놓여 있습니다. "오토클레이브 크기를 제대로 정하는 것은 까다롭습니다"라고 훌라티는 주장합니다. "사이클당 충분한 부품을 확보하면서 생산 속도의 균형을 맞추려 하지만, 가열하고 냉각하는 데 시간이 걸리는 너무 큰 부피를 가지려 하지 않기 때문입니다." 사이클론의 3m 직경 오토클레이브는 써멀 이큅먼트 코퍼레이션(TEC, 미국 캘리포니아주 랜초 도밍게즈)제로, 길이 5m와 10m에서 가장 긴 11m까지 다양합니다.

오토클레이브 베이 위의 메자닌에는 품질 보증 테스트 부서가 있습니다. 여기에는 지윅(독일 울름) 시험기가 있으며, 항공기 조종면에 사용되는 소재 테스트에 필요한 온도 사이클링용 클라이메이틱 챔버가 있습니다. "이것들은 OEM 사양에 따라 온도와 하중 사이클링을 수행합니다"라고 훌라티는 말합니다. "우리는 모든 테스트를 사내에서 수행하며, 거의 모든 고객이 방문하여 우리 연구소를 인증했기 때문에 소재 자격 인증도 수행할 수 있습니다."

그는 사이클론이 제작한 CFRP 레디우스 필러('누들')의 현미경 사진을 보여줍니다. 다양한 프리프레그 빔 구조에 사용됩니다. "빔의 플랜지가 웹과 연결되어야 하고 누들을 사용하여 하중 전달을 가능하게 하고 보이드를 방지할 때, 이것은 매우 복잡한 문제입니다"라고 훌라티는 설명하며, 투어를 두 번째 테스트 랩으로 이끕니다. 여기에서 작은 디스크가 연마되어 스트루어스(덴마크 발레럽)제 테그라민 테스트 장비에 넣어집니다. "이것은 우리 레이업 공정의 결속력을 테스트합니다"라고 그는 지적하며, "우리는 고객 요건을 충족하기 위해가 아니라, 우리 자신의 공정이 잘 수행되고 있는지, 우리 자신의 품질 기준을 준수하고 있는지 확인하기 위해 이것을 스스로 테스트합니다."라고 강조합니다.

NDI 및 가공

투어는 최종 품질 보증(QA)과 가공 작업을 수용하는 인접 시설을 방문합니다. 높은 천장의 NDI 구역에는 메이트크 인스트루먼트 코스(미국 매사추세츠주 노스버러)제 대형 투과 초음파(TTU) 시험기가 왼쪽에 있으며, 부품 표면에 음파를 결합하기 위한 워터 스퀴터가 완비되어 있습니다. "TTU 장비의 한 면은 송신과 수신을 할 수 있고 다른 면은 수신만 가능합니다"라고 훌라티는 설명합니다. "이를 통해 비즈니스 제트용 벨리 페어링 같은 중대형 부품을 8시간 근무의 반나절 만에 스캔할 수 있습니다." 그는 이것이 이스라엘에서 NDI용으로 사용되는 최대 TTU 시스템이라고 주장하며, "우리는 우리가 만드는 모든 복합재 조각을 스캔합니다. 페어링은 시간이 지나면 통계 기반 검사로 전환될 수 있습니다. 2차 구조물이자 비행 치명적이지 않기 때문입니다. 하지만 우리는 여전히 모든 것을 스캔하는 것을 선호합니다." 이 선호에 따라 훌라티는 사이클론이 복합재용 레벨 3 비파괴 시험(NDT) 기술자 2명을 고용하고 있다고 언급합니다.

랩을 계속 지나가면, 오른쪽에는 또 다른 자동 초음파 테스트(UT) 머신이 있습니다. 이는 스캔마스터 시스템즈(이스라엘 로쉬 하아인)제입니다. 여기에서도 복합재 부품이 물 탱크에 잠기지만, 이는 C-스캔 시스템이 아닙니다. 대신 탱크는 위상 배열 UT용으로 사용되며, 더 단순한 형상에 대해 C-스캔보다 더 높은 정확도를 제공하는 매우 빠른 방법입니다.

투어가 QA 공정의 다양한 단계에 있는 부품 랙들을 지나가면서, 훌라티는 NDT 베이 옆에 보관된 툴링을 가리킵니다. "우리는 대부분의 툴을 사내에서 설계하고 제작합니다, 금속과 복합재 모두. 하지만 일부 고객은 자체 공급을 선호합니다. 물론 고객 승인 하에 생산 개선을 위해 툴링 설계 변경도 할 수 있습니다."

문과 짧은 복도를 지나 투어는 CNC 작업 구역으로 들어갑니다. 여기에는 브레톤(이탈리아 카스텔로 디 고데고)제 트윈 5축 CNC 가공 센터가 있습니다. 이 회사는 원래 석재 절단 산업에서 설립되었습니다. "브레톤 머신 구성품은 석재 분진에 대한 보호 기능으로 제작되었습니다"라고 CNC 엔지니어링 매니저 트레버 헛슨(Trevor Hutson)은 말합니다. "따라서 CFRP와 잘 작동합니다. 우리는 목공용 CNC 머신이 우리 생산 니즈에 충분히 견고하지 않다는 것을 발견했습니다."

훌라티는 건물 온도가 26°C ±1°C로 유지된다고 지적합니다. "머신의 어떤 파라미터라도 사양에서 벗어나면 각 머신이 정지합니다"라고 그는 설명합니다. 이 머신들은 길이 5m, 폭 2.2m, Z 방향 1m 트래블까지 부품을 처리할 수 있습니다. 체적 정확도는 50미크론(0.002인치)으로 인용됩니다.

가공이 완료되면, 좌표 측정기(CMM) 헤드가 전환되어 부품에 대한 최종 QA용 CMM을 수행합니다. 이는 머신의 디지털 제어 시스템을 통해 부품과 함께 보고되고 포함되어 검사 시간을 절약합니다. "우리는 CMM 프로브를 보정한 다음 부품 측정을 수행합니다"라고 사이클론의 두 번째 CNC 가공 전문가로 헛슨과 함께 기능하는 CNC 엔지니어 카린 하트만(Karin Hartman)은 말합니다. "이것은 실시간 결과를 제공하므로, 문제가 한 부품 이상으로 전이되기 전에 처리할 수 있습니다." 헛슨은 덧붙입니다. "또한 시간을 절약하여 필요한 재가공을 즉시 수행할 수 있습니다."

조립 및 R&D

여기서 투어는 NDT/CNC 건물을 나와 회의실이 있던 건물을 지나 언덕 위로 올라가 인접 구조물로 이동합니다. 이곳은 조립 작업을 수용합니다. 훌라티는 787 섹션 41용 플로어 빔, 플라이트 덱 빔, 시어 웹 빔, 전자 장비(항공 전자) 베이를 생산하는 많은 조립 스테이션을 가리킵니다. 이들 외에도 노즈 휠 웰 도어(NWWD)가 미국 스피릿 에어로시스템즈로 출하되어, 해당 회사의 787 섹션 41(전방 동체 섹션) 생산 라인에 드롭인될 준비가 됩니다.

시어 웹 조립 스테이션을 더 자세히 살펴보며, 훌라티는 이것이 섹션 41 화물 플로어를 지지하며, 비행기 배 아래 가로 지지를 제공한다고 설명합니다. 조립에는 두 개의 길이 방향 빔과 여섯 개의 스탠션이 포함되며, 모두 거꾸로 조립됩니다. 간단한 회전 지그가 부품을 고정하여 스탠션 체결을 용이하게 합니다.

"복합재는 이미 드릴링된 상태로 이곳에 들어옵니다"라고 훌라티는 말합니다. "이 건물에서는 금속만 드릴링합니다." 금속은 건물 뒤쪽에서 아노다이징되고 도장됩니다. 조립 지침은 각 스테이션의 컴퓨터 모니터에 표시되며, 기성품 시스템을 사용합니다. "하지만 지침은 우리 것입니다"라고 그는 말합니다. "우리는 그것을 각 부품의 CATIA 모델과 통신하도록 수정했고, 우리 엔지니어링 부서가 조립 지침을 만들었습니다." 그는 빨간색이 과거에 저지른 변경이나 실수를 나타낸다고 설명합니다. "터치스크린 인프라로 구현된 근페이퍼리스 환경입니다. 라우트 카드가 부품을 전자적으로 따라갑니다."

계속해서, 훌라티는 상용 항공기용 대미사일 시스템인 C-MUSIC(상용-멀티 스펙트럼 적외선 대항 조치)을 가리킵니다. 이는 엘빗 시스템즈 ISTAR 사업부에서 개발했으며, 사이클론이 내부 허용치를 생성하며 시스템 구조를 설계했습니다. 시스템 메커니즘과 내부 구조는 금속이지만, 페어링/레이돔은 복합재입니다.

"모든 이스라엘 항공사는 이것을 장착해야 합니다"라고 그는 말합니다. "이것은 비행기 배에 키트로 장착되는 자율 시스템으로, 플러그 앤 플레이입니다. 휴대용, 어깨 발사, 열추적 미사일을 대응하도록 설계되었으며, 시스템이 활성화되면 레이저가 다가오는 미사일을 향해 발사됩니다." 2013년 보잉 737에 최초 배치된 이후, 훌라티에 따르면 C-MUSIC 시스템은 상용 항공기에서 수천 시간의 운용 시간을 기록했으며, 엠브라에르 170과 190, 대부분의 보잉 상용 플랫폼, 여러 에어버스(프랑스 툴루즈) 모델에서도 테스트되었습니다.

길 건너편 R&D 랩에서, 입구 복도에는 3D 프린팅 티타늄으로 만든 부품을 포함한 다양한 부품이 전시되어 있습니다. CW는 이것이 엘빗-사이클론 R&D 책임자 리오르 질버만(Lior Zilberman)이 이끈 이스라엘 컨소시엄의 활동 결과임을 알게 되었습니다. 컨소시엄의 목표는 항공 구조물 생산을 위한 적층 제조 기술을 발전시키는 것이었습니다. "우리는 또한 이것이 우리 조립 역량을 증대시킬 잠재력에 관심이 있습니다"라고 훌라티는 말합니다. 추가 용도로는 헬리콥터 업그레이드 프로그램용 부품이 있을 수 있는데, 그는 이들이 악명 높은 소량 생산(예: 헬리콥터 5대)이라 "툴링을 갖추는 것이 감당할 수 없는 옵션"이라고 말합니다. R&D 쇼케이스의 다른 부품에는 RTM으로 제작된 해양 프로펠러와, 2피스 허니컴 어셈블리를 단순 통합 부품으로 대체하기 위해 고객과 개발한 윙렛이 포함됩니다.

일체형 복합재 구조 개발은 사이클론의 강점 중 하나가 되었습니다. 윙렛은 단일체 탄소/에폭시 프리프레그를 오토클레이브 외 경화(OOA) 방식으로 가공하여 중량, 비용, 리드 타임을 줄였습니다. 동일한 이점이 일체형 패스너 프리 조종면에서 단일 샷 RTM 공정으로 달성됩니다. 질버만은 또한 회사를 다기능 구조물 개발로 이끌었습니다. 임베디드 에너지 하베스팅, 형상 변형 능력, 구조 건강 모니터링/NDI 시스템을 회전익 및 고정익에 적용하고, 자기 적응형 복합재 회전익 및 고정익도 개발했습니다.

R&D 랩은 절단실, 가공실, RTM 개발실로 구성됩니다. 후자에는 라우퍼 프레센(독일 호르프 암 네카르)제 360톤 프레스가 있으며, 700kW 전력 시스템으로 최대 2x2m 부품용 금형을 가열합니다. 사이클론은 폴리머 G(이스라엘 할루차)와 협력하여 통합 패스너 프리 승객 도어 및 조종면 기술용 레진 주입 시스템을 개발했습니다. 또한 RTM 금형 예열 및/또는 에폭시 수지 부품 후경화용 대형 오븐도 있습니다.

미래 생산에 대한 투자

투어가 마무리되면서 훌라티는 고속 생산과 조립에는 투자가 필요하다고 말합니다. 투어를 통해 우리는 사이클론의 테스트 랩과 NDI 역량, 가공 접근 방식에서 그 예를 보았습니다. 회사는 또한 플라테인(미국 매사추세츠주 월섬)의 토탈 프로덕션 옵티마이제이션(TPO) 소프트웨어를 구현하여 프리프레그 절단 작업에서 두 자릿수 소재 절감을 달성했습니다. TPO는 동일한 소재를 사용하는 여러 부품에 걸쳐 절단 네스팅을 최적화하는 자동화된 디지털 시스템으로, 이전의 순차적 절단 및 네스팅을 대체했습니다. 이 시스템은 제조 수율 향상과 절단 및 머신 세팅에 필요한 시간 단축에도 도움이 되었습니다.

"우리는 고객에게 고품질 부품을 납품할 수 있는 신뢰를 받고 있지만, 비용을 관리하고 생산 속도 증가를 가능하게 하는 방법을 끊임없이 모색해야 합니다"라고 훌라티는 말합니다. 엘빗 사이클론은 새로운 기회를 계속 모색하며, 도전으로 가득하지만 밝은 미래를 보고 있습니다. "우리의 확고한 전략이 회사의 성장에서 입증되고 있습니다"라고 훌라티는 말합니다. "그렇긴 하지만, 우리의 전략은 시장 변화에 적응하며 끊임없이 진화하고 있습니다." 남는 인상은 지식과 경험에 기반한 실용적인 자신감, 첨단 기술의 약속을 신뢰할 수 있는 항공우주 복합재 생산으로 전환하는 역할을 계속 수행할 회사입니다.