복합재 UAV, 드론 기술 혁신 주도

변화, 더 정확히 빠른 변화. 이것이 현재 무인 항공기(UAV) 설계 및 제조 상태를 가장 잘 특징짓습니다. 큰 변화 중 하나는 용어입니다. UAV는 이제 드론이라 불리며, 한때 거의 전적으로 군사 임무에 국한되었던 드론 기술은 제한적인 정의를 깨고 최첨단 산업, 상업, 소비자 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 더 이상 지상의 인간 조종에 국한되지 않고, 드론은 자율 기술의 운명, 즉 그것이 무엇이고 어떻게 사용될 수 있는지를 형성하고 있습니다.

레이더 위: 통신·자동화용 드론

드론에 복합재를 사용하는 것의 큰 약속 중 하나는 광범위한 와이파이 인터넷 액세스를 제공하는 지속적인 장시간 체공 시스템의 인에이블러라는 점입니다. 이상적으로는 이러한 드론이 태양광으로 구동되며, 수주 동안 수평 마일의 육지 지역에 중단 없는 인터넷 액세스를 제공할 수 있어야 합니다. 이 기술을 추구하는 최소 두 프로그램이 있으며, 결과는 유망하지만 복합적입니다.

하나는 소셜 미디어 거인 페이스북(미국 캘리포니아주 멘로 파크)의 작업이고, 다른 하나는 매사추세츠 공과대학(MIT, 미국 매사추세츠주 케임브리지)의 산물입니다. 각각 프로토타입을 제작하고 비행시켰으며, 첨단 복합재의 이점을 극대화하고자 하는 필연적으로 급진적인 새로운 설계로 전례 없는 UAV 비행 지속 시간을 달성하는 것을 목표로 합니다.

2014년부터 개발된 페이스북의 아퀼라(Aquila)(그림 1)는 전 탄소 섬유 복합재, 태양광 구동, 4-프로펠러 드론으로 두 번 시험 비행되었습니다. 2016년 305m 고도 아래에서 96분간 비행했고, 작년에는 약 106분 비행하며 914.4m 고도에 도달했습니다. 아퀼라는 큰 목표를 가지고 있습니다: 아퀼라의 명시된 목표 고객층은 전 세계적으로 신뢰할 수 있는 온라인 액세스 없이 사는 수십억 명의 사람들입니다. 엄청난 지리적 규모를 고려할 때, 드론은 매우 긴 무중단 비행이 가능해야 하며, 이는 아퀼라의 비행 성능과 설계 파라미터에 심오한 결과를 가져옵니다. 페이스북은 연속 비행이 수개월 동안, 매우 높은 고도(60,000-90,000피트, 18,290-27,430m)에서 가능한 무인 항공기를 제작하고 발사해야 합니다. 이 높이에서 드론은 약 60평방 마일 범위에 와이파이 커버리지를 제공할 수 있습니다. 기술이 완성되면 페이스북 CEO 마크 주커버그는 드론 함대를 구축할 의향을 밝혔습니다.

이는 복합재 산업에 잠재적으로 좋은 소식이지만, 페이스북은 아퀼라나 그 제작에 사용된 탄소 섬유 소재 및 라미네이트에 대한 구체적인 엔지니어링 세부 사항을 거의 공개하지 않았습니다. CW는 비행 테스트 버전의 '날개폭이 보잉 737보다 넓다'는 것을 알게 되었으며, 이는 약 110피트(±34m) 범위에 있습니다. 기존 랜딩 기어의 추가 무게와 항력을 포기하고, 아퀼라는 모터 포드 바닥에 본딩된 케블라 '랜딩 패드'를 장착했으며, 이는 약 1,000파운드(454kg) 무게의 이유 중 하나로, 대략 절반이 배터리 질량입니다. 그러나 주커버그는 드론이 더 가벼워져야 한다고 명확히 했습니다.

역풍 시 드론은 설계상 지상 속도 10-15mph로만 비행하여 대상 지역 상공에 머무릅니다. 통신 시스템은 레이저를 사용하여 데이터를 전송하는데, 이는 지상 광섬유보다 약 10배 빠릅니다. 드론의 두 번째, 가장 최근 비행 버전에서는 날개에 적용된 불특정 코팅 소재가 '더 매끄러운 마감'을 만들어 상승률을 첫 번째 드론의 상승률 대비 2배인 54.9m/분으로 높이는 데 기여했다고 합니다. 그럼에도 불구하고 아퀼라의 야심 찬 비행 지속 시간 목표가 태양광만으로 달성 가능한지는 미지수입니다. 아퀼라 페이스북 사이트의 게시물에 따르면 다음 단계의 주요 과제는 태양광 패널 효율, 배터리 저장, 운영을 위한 허용 가능한 비용 패러다임 달성입니다. 페이스북은 '폼 팩터, 크기, 무게가 다른 드론'을 포함하도록 테스트 프로그램을 확장하고 다음 라운드 테스트 비행에서 더 높은 고도로 비행할 계획이라고 밝혔습니다.

한편, MIT 엔지니어 팀은 탄소 섬유와 케블라로 강화된 복합재로 완전히 제작된 날개폭 24피트(7.32m) UAV를 설계, 제작, 테스트했습니다(그림 2). 정글 호크 아울(Jungle Hawk Owl)이라 명명되고 미 공군(게이트웨이 브랜치, AFLCMC/HNAG, 한스컴 공군기지, 매사추세츠주 베드포드) 자금 지원을 받은 UAV 개발 프로젝트의 목표는 페이스북의 아퀼라보다 다소 겸손합니다. 목표는 고위도 및 저위도, 전 계절, 약 4,572m 고도에서 5일 이상 체공할 수 있는 드론을 만드는 것입니다. 이러한 드론은 광범위한 정전이나 서비스 중단 시 대규모 지역에 임시 인터넷/전화 연결을 제공하는 통신 허브 역할을 수행하도록 설계되었습니다.

드론의 설계는 글라이더를 모델로 했으며, 일반적인 얇은 공기역학적 프로파일을 가집니다. 작년 최대 고도 122m에서 시험 비행된 첫 번째 풀스케일 버전은 날개 두께 42.4mm에서 20.8mm로 테이퍼지며, 총 공허 중량은 불과 12.7kg입니다. 항공기와 자동차 루프탑 발사 시스템에 대한 사소한 조정이 완료된 후, 통신 장비와 연료를 포함한 최대 45.4kg의 풀 페이로드를 탑재한 고고도 비행 테스트가 올여름 예정되어 있습니다.

MIT 항공학 및 우주학 교수이자 학생 연구를 감독하는 직원 중 한 명인 존 한스만(John Hansman)은 MIT와 MIT 링컨 연구소(미국 매사추세츠주 렉싱턴) 간 협업으로, 날개가 2단계 공정으로 코어 샌드위치 몰딩되었다고 보고합니다. 필요한 공기역학적 정밀도를 달성하기 위해 날개 상면 스킨을 90° 방향으로 날개폭에 직교하는 단일 플라이 단일 방향 탄소 섬유 직물로 진공 인퓨전하여 별도로 몰딩했습니다. 하부 윙스킨을 만들기 위해 다양한 두께의 스파 캡을 단일 방향 직물로 몰딩하여 금형에 배치했습니다. 스티로폼을 스파 캡 주변과 사이에 배치한 후, 하부 스킨을 진공 백킹하여 구조물에 밀착시켰습니다. 상면 스킨을 하부에 맞춰 12K 토우로 감쌌습니다. 모든 직물은 구존 브로스(미국 미시간주 베이 시티) 공급 웨스트 시스템즈 105 저점도 에폭시로 인퓨전되었습니다. 모든 금형은 프리먼 매뉴팩처링 앤 서플라이(미국 오하이오주 에이번) 공급 렌셰이프 440 폴리우레탄 폼으로 CNC 가공되었습니다.

동체(가솔린 엔진(사이드 스토리 '드론: MIT 소프트웨어, 태양광 UAV에 의문 제기' 참조)와 연료 탱크 수납) 제작을 위해 팀은 단순 원통형 콘크리트 금형을 사용했으며, 튜브 내경에 90°와 45°로 각각 단일 방향 직물 2플라이를 적용한 후, 튜브 안팎을 통과하고 감싸는 토로이달 진공 백을 사용하여 직물을 진공 인퓨전했으며, 라미네이트 외부 층이 튜브 내벽에 위치하도록 했습니다. 통신 전자장치를 포함하는 노즈콘 제작을 위해, 폼에서 2개 반으로 가공된 외부 원뿔형 금형에 0° 케블라 직물 단일 레이어를 레이업하고(본딩된 금형 반쪽), 진공 인퓨전했습니다.

드론, 산업 분야의 새로운 주역

드론은 작업자와 기존 기계(로봇 포함)가 가기 어렵고 비용이 많이 드는 공중 영역으로 가며 산업 분야에 영향을 미치고 있습니다.

잠재적으로 거대한 미래를 가진 한 응용 분야는 노후 풍력 블레이드 안전 검사입니다. 군사 감시용 카메라를 장착한 UAV는 기술의 초기 용도 중 하나였습니다. 오늘날 특수 카메라를 장착하고 극도로 정교한 소프트웨어에 의해 자율적으로 작동하는 드론은 거대한 풍력 터빈의 로터 블레이드를 단 15분 만에 검사할 수 있습니다(사람 검사는 하루 종일 걸릴 수 있음), 손상의 시각적 증거를 웹 포털로 전달하여 더 편안한 환경에서 검사원들이 화면으로 볼 수 있게 합니다. CW는 5월호에서 이 성장하는 드론 기반 비즈니스 현상을 다뤘습니다("서비스 & 수리: 풍력 발전의 그리드 영향 최적화" 참조).

슈투트가르트 대학(독일 슈투트가르트) 건물 구조 및 구조 설계 연구소와 계산 설계 연구소의 연구원 그룹은 드론과 산업용 로봇을 조합하여 파이버 와인딩 공정으로 장스팬 복합재 구조물을 제작하는 새롭고 영리한 방법을 시연했습니다. 협업 와인딩이라 불리는 이 방법은 두 대의 고정형 산업용 로봇과 맞춤 제작된 경량 드론 또는 UAV '중개자'를 사용하여 로봇 사이의 간극 공간에서 장스팬 구조물을 제작합니다. 간단히 말해, 제작 레이아웃은 두 기계의 강점을 활용하는 유리한 분업을 수립합니다. 로봇은 수지 함침 로빙을 와인딩 프레임에 정밀하게 배치하는 데 사용되고, 드론은 스풀에서 각 로봇 암으로 섬유를 운반하여 로봇 엔드 이펙터의 도달 범위 한계로 인한 부품 크기 제한을 우회합니다. 지금까지 로봇 도달 범위를 초과하는 대형 부품을 제작하는 주요 대안은 모듈화로 제작하는 것이었는데, 이는 하중 지지 구조물인 경우 특히 덜 이상적인 공정입니다.

이 프로젝트는 대학의 8명 연구원 작업으로, 2017년 11월호 아카디아(Acadia)(인테리어 아키텍처 및 공간 디자인 저널)에 게재된 '멀티-머신 제작' 논문에 요약되어 있습니다. 워크셀은 강철 익스텐션, UAV에서 와인딩 이펙터를 잡기 위한 유압 그리퍼, UAV와 로봇 위치를 동기화하는 적외선 카메라를 장착한 두 대의 6축 쿠카(독일 아우크스부르크) KR 210 R3100 울트라 로봇으로 구성되었습니다. 압출 및 압연 응용 분야에서 사용되는 텐션 장치 기반의 맞춤형 텐션 메커니즘이 섬유 소스에서 UAV 또는 로봇으로 전달될 때 섬유 텐션을 제어합니다.

프로젝트 연구원 중 한 명인 제임스 솔리(James Solly)는 맞춤 제작 드론의 최종 설계가 설계 프로세스에서 네 개의 초기 프로토타입에서 파생되었으며, 이는 팀이 드론의 무게를 최적화하고 비행 행동을 안정화하는 데 도움이 되었다고 말합니다. 드론 본체 부품은 표준 탄소 플레이트에서 가공되었으며, 크래프트 암은 20mm 탄소 튜브로 제작되었습니다. 커넥터와 스페이서 같은 기타 작은 부품은 폴리락트산(PLA)으로 3D 프린팅되었습니다. 드론 치수는 약 92x92x31cm이며 약 2kg 페이로드를 운반할 수 있습니다.

단일 앵커 포인트를 와인딩하기 위해, 로봇 암은 함침된 섬유를 라미네이트 위로 들어 올린 채 와인딩 프레임을 돌아 이동합니다. 앵커 포인트에 도달하면 로봇이 섬유를 감고, 와인딩 이펙터를 UAV가 대기 중인 랜딩 플랫폼으로 되돌립니다. 교환이 확인되면 텐션 메커니즘이 저텐션으로 전환되고, 드론이 풀리는 섬유를 다음 로봇 플랫폼으로 운반합니다. 연구자들은 로봇-드론 셀을 사용하여 기존 자동 파이버 와인딩 설정으로는 제작할 수 없었던 모양과 크기의 부품 예시로 12m 길이의 데몬스트레이터 캔틸레버를 제작했습니다(그림 4). 이 부품은 랑게+리터(독일 게를링엔) 기증 단일 엔드 연속 글라스 로빙 SE1500-2400tex와 SGL 테크놀로지스(독일 비스바덴) 기증 SIGRAFIL 연속 탄소 섬유 토우 CT50-4.0/240-E100으로 구성되었습니다. 섬유는 헥시온(미국 오하이오주 콜럼버스) 공급 EPIKURE MGS LH 138 경화제로 제조된 EPIKOTE MGS LR 135 에폭시 수지로 프리임프레그되었습니다. 부품은 프리프레그 섬유와 파이버-딥 수지 욕조에서 함침된 드라이 섬유를 사용하여 제작되었습니다. 솔리는 이 프로젝트가 시연한 공정이 수직 지지대 사이의 긴 스팬을 가진 수평 구조물(예: 볼룸 지붕, 보행자 다리) 제작에 가장 적합하다고 보고하며, 자중 감소가 소재 사용량과 비용의 상당한 감소로 이어질 것으로 예상합니다. 그와 동료들은 7월 16-20일 미국 매사추세츠주 보스턴에서 열리는 국제 조개 및 공간 구조 협회(IASS 2018) 컨퍼런스에서 발표될 논문으로 이 공정과 응용을 자세히 다룰 예정입니다.

또 다른 산업 관련 프로젝트에서, MIT 미디어 랩 연구팀은 드론을 사용하여 무선 주파수 ID(RFID) 태그를 통해 창고 재고를 위치 파악하고 식별하는 것을 조사하고 있습니다. 현대 창고 및 운송 작업의 규모 증가로 인한 재고 회계 관행 개선 필요성은 오래전부터 인정되어 왔습니다. 수동 스캔은 노동 집약적이고 비용이 많이 들며 오류가 발생하기 쉽습니다. 예를 들어 월마트는 2013년 재고 기록과 실제 재고 간의 불일치로 인해 30억 달러 이상의 매출 손실을 입었다고 보고했습니다.

MIT 팀은 작은, 가벼운 드론이 유연한 플라스틱 로터(인간 근처에서 사용 승인된 유일한 유형)를 사용하여 수십 미터 거리에서 RFID 태그를 읽고, 평균 약 19cm 오차로 태그 위치를 식별할 수 있는 프로토타입을 성공적으로 개발했습니다.

연구에 사용된 비밥-2(Bebop-2) 드론은 패럿 코퍼레이션(프랑스 파리) 제품입니다. 사진 촬영 등 저진동 응용 분야용으로 특별히 설계되었으며, 동체는 EMS-케미 AG(스위스 도마트/엠스) 공급 유리 충전 그릴라미드 TR 나일론으로 제작되었습니다. 각 드론 무게는 약 500g이며 약 25분간 자율 비행 가능합니다. 사람들이 주변에 있어도 승인되었지만, 드론은 몇 센티미터 이상의 범위를 가진 RFID 리더를 탑재하기엔 너무 작습니다. 대신, 이것이 핵심 연구 돌파구인데, 드론을 사용하여 표준 RFID 리더가 방출하는 신호를 RFID 태그로 중계합니다. 신호가 태그에 도달하면 태그가 신호에 식별자를 인코딩하여 드론으로 다시 보냅니다. 드론은 신호를 리더로 전달하고, 리더가 식별자를 디코딩하여 항목과 항목 위치를 파악합니다. 팀은 현재 더 긴 거리에서 위치 파악 메커니즘의 정밀도 향상과 공정의 속도 및 확장성 개선 방법을 연구 중입니다.

혁신, 새로운 드론 응용 촉진

소재 공급업체, 계약 3D 프린팅 제조업체, 프린팅 장비 공급업체들은 드론 제조업체로부터 증가하는 비즈니스를 보고 있으며, 이 비즈니스를 서비스하기 위해 새로운 제품과 역량을 개발하고 있습니다.

클리어워터 컴포지츠 LLC(미국 미네소타주 덜루스)는 산업 장비, 로봇, 항공우주, 스포츠 용품, UAV 제조업체에 공급하는 탄소 섬유 튜브와 플레이트 라인을 생산합니다. 튜브는 다양한 형태로, 주로 단일 방향 탄소 섬유 에폭시 프리프레그를 맨드럴에 롤 랩핑하여 250°C에서 경화하여 만듭니다. 튜브는 표준, 고, 초고 모듈러스 등급으로 제작되며, 후자는 피치 섬유로 만듭니다. 회사는 압축 몰딩 또는 진공 인퓨전으로 유사한 소재로 1.2m x 2.4m까지 시트 형태로 다양한 두께의 플레이트를 제조합니다. 제프 엥브레히트(Jeff Engbrecht) 사장은 UAV 고객이 주로 북미 기반의 상위 산업 및 항공우주 응용 분야용 UAV를 설계 및 제작하는 회사들이라고 말합니다.

클리어워터는 자사 고객 중 하나인 UAV/드론 설계 및 제조업체에, 토레이 인더스트리(일본 도쿄) 고모듈러스 M46J 탄소 섬유로 제작된 맞춤형 테이퍼드 얇은 벽(0.03인치/0.76mm) 튜브를 공급하고 있다고 보고합니다. 이 튜브는 한쪽 끝이 원형이고 다른 쪽 끝에서 타원형으로 테이퍼지며, 명시되지 않은 새로운 응용 분야용입니다.

스트라투스 에어로노틱스(캐나다 브리티시컬럼비아주 버나비)는 주로 과학 연구, 채굴, 군사 및 기타 응용 분야에서 자기 및 항공 조사를 수행하는 드론을 제조합니다. 고정익 및 멀티로터 구성으로 설계 및 제작된 이 조사 드론은 유인 항공기 대비 상당한 비용 이점을 제공합니다.

회사의 고정익 벤처러(Venturer) UAV(그림 5)는 소형 경량 항공기로, 100cc 2행정 가스 엔진으로 구동되며 장시간(>10시간) 임무 수행이 가능합니다. 유인 항공기로는 불가능한 일입니다.

이 항공기는 탄소 섬유 프리프레그로 몰딩된 기체, 폼 코어를 가진 세미-모노코크 날개, 코어 없는 모노코크 동체를 특징으로 합니다.

커티스 뮬렌(Curtis Mullen) 최고 기술 책임자는 새로운 전기 멀티로터 UAV의 설계 및 테스트가 거의 완료되었다고 말합니다. 길이 3m, 무게 약 15kg으로, 전자 장비를 제외하고 완전히 탄소 섬유 복합재로 제작되었습니다. "섀시는 CNC 라우팅된 카본 플레이트로 만든 자기 정렬 모노코크 구조입니다"라고 뮬렌은 보고합니다. 국부 하중에 따라 다양한 섬유 배향과 모듈러스의 튜블러 카본이 구조의 나머지를 구성합니다. CW 7월 보도 시점에 회사는 6/7월 중 제작 및 비행 테스트 완료하고 벤처러를 연말 시장에 출시할 계획이었습니다.

드론, 3D 프린팅과 만나다

드론 기술의 급속한 발전을 고려할 때, 드론 제작자들이 복합재 적층 제조의 동력을 제공한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 드론 설계자들은 대형 3D 프린터를 프로토타이핑뿐만 아니라, 공정이 진화함에 따라 툴링과 완제품 부품에도 사용하여 드론 OEM이 요구하는 빠른 처리 시간을 충족하고 있습니다.

임파서블 오브젝츠(미국 일리노이주 노스브룩)는 오로라 플라이트 사이언스(버지니아주 매너서스)와 협력하여 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에 25.4mm 절단 탄소 섬유를 강화한 76x38mm 리어 스태빌라이저 마운트를 복합재 기반 적층 제조(CBAM) 기술로 3D 프린팅했습니다. 이 부품은 당시 개발 중인 신형 항공기에 장착되어, 강화되지 않은 나일론으로 만들어져 파손되던 부품을 대체했습니다. 적층 제조 기술이 프로토타입이나 테스트 부품 제작에 자주 사용되어 왔지만, 임파서블 오브젝츠의 CEO 래리 카플란(Larry Kaplan)은 회사가 현재 드론용 부품의 여러 상업적, 고량산 응용 분야를 확보하기 위해 노력 중이라고 말합니다. 응용 분야 세부 사항은 아직 공개할 수 없지만, 카플란은 회사가 개발한 새로운 고내열성 탄소 섬유/나일론 및 탄소 섬유/PEEK 소재가 사용될 것이라고 보고합니다. "우리는 강화 PEEK 소재를 가진 유일한 복합재 적층 제조업체입니다"라고 카플란은 주장하며, 고내열성 소재가 부품과 금형에 점점 더 수요가 많다고 언급합니다.

프린터 공급업체 스트라타시스(미국 미네소타주 에덴 프레리)는 소재 공급업체 및 항공우주/드론 제조업체와 협력하여 복합재 부품 몰딩용 3D 프린팅 툴링 기술의 지속적인 개발과 상용화를 진행하고 있습니다. 스트라타시스 복합재 솔루션 수석 디렉터 티모시 슈니프(Timothy Schniepp)는 회사의 용융 증착 모델링(FDM) 머신이 대부분의 툴을 2~3일 이내에 제작할 수 있어, 고객이 일주일 이내에 부품 몰딩을 시작할 수 있다고 말합니다. 회사의 고내열성 소재 울템 1010, SABIC(미국 매사추세츠주 피츠필드) 제조 폴리에테르이미드(PEI)는 범용 비충전 소재로, 오토클레이브 300°F까지의 모든 레이업 툴링 제작에 적합합니다.

스위프트 엔지니어링(미국 캘리포니아주 산 클레멘테)은 FDM과 울템 1010을 사용하여 UAV의 탄소 섬유 강화 에폭시 프로펠러 블레이드용 압축 금형 매치드 하프를 제작했습니다. 356x102x51mm 툴은 30시간 빌드 타임이 소요되었으며, 수동으로 연마되고 투파트 에폭시로 실링되어 표면 조도 Ra(평균 거칠기) 약 0.4µm를 달성했습니다.

락 웨스트 컴포지츠(미국 유타주 웨스트 조던)는 스트라타시스와 협력하여 테스트 부품 몰딩으로 일부 툴 설계를 검증하고 있습니다. 회사 사업 개발 디렉터 애드리언 코벳(Adrian Corbett)은 드론 산업이 제품에 더 많은 3D 프린팅 부품을 통합하고 있으며, 3D 프린팅 툴이 에폭시나 다른 툴링 소재로 가공된 툴에 비해 명확한 이점을 제공한다고 말합니다. "이것은 툴을 프린트하는 속도만큼 빠르게 부품을 만들 수 있게 해줍니다."

요약하자면, 새로운 드론 번성 시대가 도래했으며 여기에 있습니다. 다행히 복합재 산업의 많은 이들에게, 이 경우 변화는 좋은 것입니다.