전문가들 "향후 20년 항공기 수요 충족하려면 자동화 확대 필수"

상업적 수요만으로도 향후 20년간 생산률 2배 필요

코로나19 팬데믹이 정상적인 삶을 뒤흔들고 상업용 여객기를 사실상 중단시키기 전, 항공 산업은 향후 20년간 40,000대의 신규 항공기(비행기, 헬리콥터, 에어 택시, 무인 항공기)가 필요할 것으로 예측했습니다. 이 물량은 평균 수명 25~30년 후 퇴역하는 기체 교체분과 약 8년간의 주문 잔량 위에 얹어진 것입니다.

팬데믹 관련 제한이 풀려 항공 수요가 이전 수준으로 회복된다면, 예상 수요를 충족하는 유일한 길은 자동화 확대뿐이라고 일부 업계 전문가들은 말합니다.

많은 다른 분야와 달리 항공 산업은 현재 대체 제조 공정이 실행 가능하지 않아 수작업이 흔한 분야입니다. 하지만 Statista가 기록한 2006~2019년 글로벌 항공 여객 수요의 연간 증가율(2009년 금융 위기 정점 제외 2.4%~8.1% 범위)과 기타 요인을 고려하면, 업계가 따라잡으려면 더 높은 효율성이 필수적입니다.

연구자들은 핸드 레이업(hand layup) 같은 일부 공정 자동화 방법을 찾으려 노력 중입니다. 하지만 현재 사용 가능한 다른 자동화 조치들도 있습니다. 작업장에 조립 지침을 투영하거나, 실란트 도포, 체결, 마킹, 자재 핸들링 공정을 자동화하는 것 등입니다.

"상업 항공 수요만으로도 실질적인 생산률 2배 증가가 필요합니다."라고 공군 연구소 구조 기술 부문장 존 D. 러셀(John D. Russell)은 말했습니다.

상업용 항공기 외에도 군은 수천 대 생산 가능한 소모성 항공기(attritable aircraft)를 탐색 중입니다.

마지막으로, 전통적 항공 기업과 우버(Uber) 같은 기업에서 에어 택시 개념이 탄력을 받고 있어 추가 생산이 필요합니다.

"이 세 가지 경우 중 어느 하나만으로도 현재 미국에 생산 능력이 없다는 얘기를 업계 연락처로부터 듣고 있습니다."라고 러셀은 말하며, 자신의 정보는 바이러스가 전 세계를 강타하기 전 것이라고 경고했습니다. "세 가지가 동시에 현실화된다면 업계는 생산 능력 문제를 해결하기 위해 창의적이어야 할 것입니다.

"내가 듣는 큰 대안은 상업 항공 분야 특히 자동화를 활용해 생산성과 처리량을 높이는 것입니다. 기업들은 부품 제조부터 조립까지 자동화가 개선할 수 있는 모든 방법을 연구 중입니다. 자동화 자본 지출이 새 생산 라인 추가보다 적다는 얘기도 들립니다."

러셀은 에어 택시 업계가 차량 가격이 비즈니스 모델의 큰 동인이 될 것이므로 해외 생산을 고려할 수 있다고 봤습니다. 상업 항공은 높은 숙련도 때문에 기존 공급망 관계를 고수할 가능성이 커 해외 이전은 어려울 것이고, 군용 차량은 당연히 해외 이전 옵션이 아니라고 그는 덧붙였습니다.

20년간 40,000대 인도하려면 연간 2,000대 생산해야 하는데, 이는 팬데믹 전 인도량보다 훨씬 높습니다.

제조업체가 수요 증가에 맞춰 제때 툴링을 갖추지 못해 인도 잔량이 발생했습니다.

또한 소비자들은 이제 항공 여행을 사치가 아닌 필수로 여기고 개인 여행 비용을 감당할 수 있게 되었습니다.

그 결과 상업 항공사들은 비행 시간 유연성을 원하는 소비자들을 위해 서비스를 확대했습니다.

보잉(Boeing)은 5월 1일 기준 5,049대, 에어버스(Airbus)는 3월 31일 기준 7,650대의 주문 잔량을 보유했습니다.

팬데믹 전에는 보잉과 에어버스의 경쟁 부활로 인기 좁은 동체 플랫폼의 기록적 인도와 2019년 9.4% 전년 대비 생산 증가가 예상됐습니다. 보잉과 에어버스는 2018년 1,606대에서 2019년 1,750대 이상 생산할 것으로 Frost & Sullivan의 2019년 6월 중순 보도자료에 나타났습니다.

하지만 8월에는 다른 기관들이 이 수치를 낮췄습니다.

글로벌 항공기 생산은 2019년 3월 보잉 737 맥스(Max) 기종이 두 차례 치명적 추락 후 운항 정지되면서 1/4 감소했다고 가디언(The Guardian)지가 보도했습니다. 영국 항공우주 로비 그룹 ADS는 2019년 7월 인도량이 88대로 전년 동월 대비 24% 감소했으며, 이는 737 같은 단일 통로 기종 생산 침체 탓이 크다고 밝혔습니다.

작년 말까지 에어버스와 보잉 합산 인도량은 1,243대였습니다.

업계는 이 숫자를 늘리기 위해 행동하고 있습니다.

"최대 상업 항공기 제조사인 보잉과 에어버스 모두 생산률 증가를 위해 많은 추가 자금을 투입하고 있습니다."라고 JR Automation의 항공우주·방위 부문 비즈니스 개발 부사장 빌 비고(Bill Bigot)는 말했습니다.

작년 말 독일 함부르크에서 에어버스는 A320 패밀리 동체 구조 고도로 자동화된 조립 라인을 구축했습니다.

새 시설에는 로봇 20대, 새로운 물류 개념, 레이저 측정 자동 위치 결정, 디지털 데이터 수집 시스템 등이 갖춰졌다고 회사는 전했습니다.

로봇 사용 외에도 에어버스는 자재 및 부품 물류의 새로운 방법과 기술을 구현해 생산 최적화, 인체공학 개선, 리드타임 단축을 도모합니다. 여기에는 물류와 생산 레벨 분리, 수요 중심 자재 보충, 무인 유도 차량(AGV) 사용이 포함됩니다.

같은 시기 보잉은 워싱턴주 에버렛 공장에서 4년간 진행한 완전 자동화 노력을 종료했습니다. 777과 777X의 두 주요 동체 섹션에 로봇 팔을 사용해 패스너를 삽입하는 방식이었으나, 숙련 정비사의 수동 삽입으로 전환했습니다.

로봇은 여전히 자동 '플렉스 트랙(flex track)' 시스템으로 패스너 구멍을 뚫으며, 인간-로봇 결합 공정이 되었다고 보도되었습니다.

이 노력이 결국 결실을 맺을 수도 있습니다.

로봇 사용 실패 노력에서 보잉은 '그 유형의 기술에 대한 첫 매우 깊은 다이브'에서 귀중한 교훈을 얻었다고 777X 생산을 총괄하는 제이슨 클라크(Jason Clark) 보잉 부사장이 LA 타임스에 말했습니다. "자동화를 위한 설계를 어떻게 할지 배웠습니다."라고 클라크는 11월 기사에서 인용되었습니다.

새 방식은 일렉트로임팩트(Electroimpact Inc.)가 개발한 기계가 동체 조립에서 가장 신체적으로 힘든 작업 중 하나인 금속 구멍 뚫기를 처리해 작업자의 마모를 줄여준다고 타임스 기사는 전했습니다.

"리벳을 덜 어려운 형태의 패스너로 대체하도록 조립 공정 일부를 재설계해 인체공학을 추가로 개선했습니다."라고 회사 대변인은 말했습니다.

모든 생산 증대 조치가 새 라인과 로봇을 포함하는 것은 아닙니다.

사우스캐롤라이나주 노스 찰스턴 공장에서 보잉은: 지속적인 오버헤드 작업으로 인한 긴장을 줄이기 위해 정비사들에게 외골격 장착; 블루투스 지원 스마트 렌치로 작업자가 너트에 올바른 토크를 가하는지 확인; 가상 현실로 정비사들이 새 공구를 테스트하도록 함(로이터 보도).

로봇이 핸드 레이업을 대체할 수 있을까?

동체 구조물이 함부르크나 워싱턴주 보잉 공장으로 가기 전, 자동 복합재 제조(ACM) 공정(자동 섬유 배치, 자동 테이프 레이업)으로 제작됩니다.

ACM은 동체, 날개, 격벽 같은 중대형 평평하거나 약간 곡면인 부품에 적합합니다.

하지만 중소형 복합재 부품은 핸드 레이업으로 제작되는데, 이는 매우 비효율적이고 많은 자재를 낭비하는 공정입니다.

이게 큰 문제인 이유는 이 부품들(클립, 브래킷, I-빔, 접근문)이 구조물 중량의 최대 절반을 차지하고, 한 대 항공기에만 수천 개가 들어가기 때문입니다.

"이 핸드 레이업 부품들은 컷다운되고 다트(dart) 처리되고 짜여집니다."라고 복합재 컨설턴트 레스 코헨(Les Cohen)은 말했습니다. "즉, 바이-투-플라이(buy-to-fly) 비율이 2배가 될 수 있습니다. 파운드당 40달러짜리 자재를 쓴다면 실질적으로 80달러짜리 자재가 되는 셈입니다."

서던 캘리포니아 대학(USC) 팀이 최근 로봇 팔로 레이업 자동화 시연 프로젝트를 완료했습니다.

자동화는 아니지만, 항공기 제조에 쓰이는 소재 개선 여지도 남아 있습니다.

업계는 디벌킹(debulking) 작업 시 몇 레이어마다 진행 중인 부품을 오토클레이브(autoclave)하고 최종 부품을 경화하는 데 많은 시간이 걸린다는 걸 이해합니다. 오토클레이브 공정 없이 오토클레이브 경화 부품과 같은 특성을 가진 속경화 수지가 답이지만 아직 상용화되지 않았다고 코헨은 말했습니다. 신소재 개발에 평균 5년, 약 1,000만 달러 비용이 들고 수용 여부도 불확실하니 이 과제가 미해결인 건 이해된다고 그는 덧붙였습니다.

항공우주 분야에서 4차 산업혁명은 더디게 이륙 중

더 큰 생산성과 품질을 약속하는 인더스트리 4.0도 항공 생산 증대에 도움이 될 수 있지만, 업계는 연결되고 디지털화되고 데이터 중심인 4차 산업혁명 세계를 채택하는 데 느렸습니다.

"이제야 생산 현장에 온라인으로 들어와 결과를 내기 시작하는 것 같습니다. 우리는 이 분야에 깊이 관여해 왔고, 이제 프로그램 레벨로 롤아웃해 공장에 절대적 효율 영향을 줄 수 있는 단계에 왔습니다."라고 일렉트로임팩트(Electroimpact Inc.)의 복합재 레이업 및 자동화 프로젝트 매니저 앤드류 퍼비스(Andrew Purvis)는 말했습니다. "데이터를 얻기 시작하고 숫자를 분석하면, 그 데이터 산에서 많은 금을 발견하고, 때로는 다이아몬드, 즉 생산을 실질적으로 끌어올리는 것들을 찾게 됩니다."

생산의 품질 측면이 자동화에 무르익었다고 퍼비스는 말했습니다.

일렉트로임팩트는 AFP 기계가 부품을 만들거나 프린트하는 동안 하는 모든 것을 측정하는 검사 기술을 시스템에 내장해 품질 모니터링을 구축합니다. 자동 검사로 회사가 '지속적 튜닝(continuous tuning)'이라 부르는 공정을 가능하게 합니다.

"시스템이 자신이 하는 일을 보며 스스로 보정을 유지하고, 지속적으로 자신을 튜닝합니다."라고 그는 말했습니다. "AFP 기계나 프린터가 카메라나 센서로 출력을 보고 '어, 조금씩 드리프트하는 것 같은데 보정할게'라고 하는 것과 같습니다."

이 시점에서 인더스트리 4.0 채택은 사이버 보안과 데이터 관리 함의 때문에 성과라기보다 열망에 가깝다고 컨설팅 회사 마허 어소시에이츠(Maher Associates)의 믹 마허(Mick Maher) 사장은 말했습니다.

"항공우주 산업이 다른 산업보다 느리게 받아들이는 건 아니라고 생각합니다."라고 그는 말했습니다. "인더스트리 4.0은 아직 이 시점에서 통제권을 넘기기엔 너무 미성숙합니다. 하지만 자동화는 인더스트리 4.0의 핵심 구성 요소입니다. 테이프 배치, 섬유 배치 같은 자동화의 일부는 성숙했지만, 여전히 많은 개발이 필요합니다."

획득할 수 있는 큰 이득

JR Automation의 항공우주 기술 디렉터 랜디 라운클스(Randy Rounkles)는 이전 Spirit Aerosystems에서 2019년 초 인더스트리 4.0 배포 팀의 일원이었습니다.

물리적 제약과 크기 기준으로 Spirit의 레거시 목표 월간 생산량은 21대였는데, 그가 떠나기 전 공장 월간 생산량은 57대였습니다. 추가 교대, 더 많은 직원, 자동화 증대(특히 체결 분야)가 도왔습니다.

"내가 떠나기 전 마지막 프로젝트 중 하나가 장비 가동률에 대한 인더스트리 4.0 데이터 수집이었는데, 그게 실제로 그 회사의 얼굴을 바꿔놓았습니다. 장비가 무엇을 하고 무엇을 할 수 있는지 이해하게 되었으니까요."라고 라운클스는 말했습니다. "미래 생산률을 위한 자본 지출에 상당한 영향을 미쳤습니다."

'디지털에 발 담그기'

전 세계에서 인더스트리 4.0을 항공우주 제조에 적용하는 연구가 진행 중이지만, 채택은 느리고 현재 항공기 생산은 디지털보다 아날로그에 가깝다고 AFRL의 러셀은 말했습니다.

"기업들은 자산 추적 같은 특정 고통 지점을 해결하기 위해 디지털을 조금씩 시도하지만, 진정한 전사적 인더스트리 4.0 환경을 가진 제조업체는 거의 없습니다."라고 그는 말했습니다.

현재 인더스트리 4.0 구성 요소 상태 측면에서, 적층 제조는 툴링과 비구조 부품에 고려되고, 일부 공정은 로봇으로 자동화되며, 데이터 분석 측면에서는 비파괴 검사 데이터를 원본 모델과 연계해 제조 결함이 부품 성능에 미치는 영향을 이해하는 R&D가 수행되었다고 러셀은 말했습니다.

유튜브 영상에서 쿠카(KUKA) 로봇 팔에 엔드 이펙터 롤러가 장착돼 이전 레이어 위에 프리프레그(pre-preg) 복합재 레이어를 매끄럽게 펴고, 양쪽의 그리퍼를 가진 두 로봇이 재료를 팽팽하게 당기고 있습니다.

스마트 로봇 셀 녹화에서 시연된 이 '세 번째 손'의 등가물을 바란 핸드 레이업 아티스트가 몇이나 될까요?

이 셀과 그 뒤의 모든 기술은 USC의 기계공학 및 컴퓨터과학 교수 사티안드라 K. 굽타(Satyandra K. Gupta)와 그의 동료들, 학생들의 시연 프로젝트입니다. 그들은 보잉, 록히드 마틴, 유나이티드 테크놀로지스의 제안에 기반해 부품을 만들었으며, 자동화 실행 가능성 평가가 목표였습니다. 그들의 로봇 자동화로 만든 부품 테스트 결과는 세 회사에 보내졌다고 굽타는 말했습니다.

"현재 항공우주 분야 모든 이들이 직면한 핵심 과제는 노동력 부족입니다."라고 그는 말했습니다.

로봇 팔이 레이업을 하면 인간 운영자 한 명이 여러 셀을 동시에 감독할 수 있다고 그는 설명했습니다. 이는 생산 능력을 늘릴 뿐만 아니라 부품 제조 공정에서 디벌킹 단계를 없앨 수도 있으면서 품질을 보장할 수 있습니다.

가령 100레이어 프리프레그로 만든 가상의 중요 부품이라면, 공정 중인 부품을 3층(또는 5층)마다 백킹하고 진공 적용해 기공이 없는지 확인해야 하니 총 33번 디벌킹을 거쳐야 합니다.

하지만 로봇을 쓰면 로봇 툴의 압력을 측정할 수 있어(사람 손과 달리) 품질이 보장되고 공정을 더 빠르게 진행할 수 있습니다.

공정 자동화는 일관되고 간소화할 뿐만 아니라, 핸드 레이업은 지루하고 육체적으로 힘든 일입니다.

굽타와 팀은 2년 반 동안 로봇 팔에 엔드 이펙터 툴링, 컴퓨터 비전, 힘 감지, AI 알고리즘, 고급 컨트롤러, 인간-기계 인터페이스를 통합했습니다. 시연 부품은 표준 에폭시 기반 탄소섬유 프리프레그 플라이 최대 15레이어로 구성되었습니다.

가장 도전적인 부분은 실시간 컴퓨터 비전 통합이었습니다.

"카메라가 형성되는 결함을 보게 해야 합니다."라고 굽타는 말했습니다. "(이제) 로봇이 주름을 보면 이쪽으로 당겼다가 저쪽으로 당깁니다..."

셀이 고칠 수 없는 문제를 만나면 비프음, 이메일, 문자로 인간 운영자에게 알립니다.

하지만 그건 필요할 때만 그렇습니다.

"때로는 전체 공정이 아무 문제 없이 진행되기도 합니다."라고 굽타는 말했습니다.

봐봐, 엄마, 손 안 대고! (엔드 이펙터 툴링이 자동 프리프레그 레이업 수행)

3년 전 증설한 레고-픽스(Rego-Fix) 공장은 첨단 에너지 및 천연자원 절약 기능을 갖추고 있습니다. 여기에는 특수 공기 교환 환기 시스템, 목재 펠릿 난방, 다중 프로그레시브 에어컨 유닛, '그린' 지붕, 자연광과 센서 제어 조명 병용 등이 포함됩니다.

공기 교환 환기 시스템은 신축 건물 내 공기를 시간당 7회 교환합니다. 제조 현장에서 발생하는 폐열(주로 회사의 공작기계에 필요한 대형 공기 압축기 장비에서 발생)을 끌어냅니다. 추운 달(연중 대부분)에는 회수된 폐열로 건물 밖에서 끌어들인 신선한 공기를 데워 제조 현장으로 순환시킵니다.

또한 폐쇄 시스템의 순환수가 가동 중 제조 현장 공기 압축기를 냉각시킵니다. 냉각 과정에서 물이 뜨거워지면 1,849갈론(7,007리터) 탱크에 저장됩니다. 이 물은 건물 사무실 구역 바닥 난방 시스템을 통해 건물을 추가로 데우는 데 사용됩니다.

시설엔 390kW 목재 펠릿 난방 시스템도 있어 화석 연료 대신 목재 펠릿을 태웁니다. 펠릿은 지역에서 흔한 목재 및 가구 제조 산업의 부산물입니다. 이 시스템은 다른 난방원의 백업으로 작동하며 실외 기온이 극도로 낮을 때만 가동돼 매우 적은 양의 펠릿을 소모합니다.

여름철에는 에너지 절약형 프로그레시브 3유닛 에어컨 시스템이 바닥 시스템, 공기 교환 시스템과 함께 증설부를 시원하게 유지합니다. 공기 교환 유닛이 건물 열을 빼내고, 찬물이 바닥 시스템을 순환합니다.

건물 내 온도가 특정 수준 이상 오르면 프로그레시브 에어컨 시스템의 한 유닛이 가동돼 바닥 시스템과 공기 교환 유닛을 백업합니다. 에어컨 유닛은 RPM 조절식이어서 온도가 계속 오르면 첫 번째 유닛이 한계를 넘을 때 두 번째가, 두 번째가 한계에 달하면 세 번째가 작동합니다. 건물이 식기 시작하면 역순으로 유닛이 꺼집니다.

건물 외벽은 완전 단열되었습니다. 일반적인 지붕 설계와 달리 레고-픽스가 선택한 지붕은 매우 특이하며 단열성이 높습니다. '그린' 또는 '식재' 지붕이라 불리며, 실제 잔디가 자라는 흙으로 덮여 있습니다. 단열 가치 외에도 지붕은 빗물을 포집해 13,200갈론(50,000리터) 탱크에 모아 건물 화장실 변기 세척에 사용합니다.

이 모든 난방 및 냉방 기능이 결합돼 제조 구역 내 안정적이고 일정한 주변 온도를 제공합니다. 이는 중요한 제조 이점을 가집니다. 일정한 온도는 회사의 고정밀 툴홀딩 시스템 생산을 위한 공작기계 정확도 유지에 도움이 됩니다.

추가 에너지 절약을 위해 신축 제조 건물에는 대형 삼중 유리 단열 창이 많이 있어 풍부한 자연광이 들어옵니다. 또한 창문에는 자동 개폐 차양이 장착돼 있습니다. 이는 여름철 건물 냉방에 큰 도움이 됩니다. 차양이 열을 많이 차단하지만 구멍이 뚫려 빛은 들어옵니다.

추가 조명이 필요한 곳에는 모션 컨트롤 활성화 기능이 있는 LED형 에너지 절약 조명을 사용합니다. 건물에 벽 스위치가 없고, 구역이 점유될 때만 조명이 켜졌다가 비워지면 꺼집니다.