자동화, 로켓 부품 생산을 새 차원으로 끌어올리다

민간 우주 비행체 개발 기업의 등장으로 로켓 및 위성 부품 제조 환경이 변모했다. 과거에는 NASA와 미 국방부 등 정부 기관이 우주 관련 제조 대부분을 후원했다. 이제 블루 오리진(Blue Origin), 스페이스X(SpaceX), 버진 갤럭틱(Virgin Galactic) 뒤의 자금력 있는 기업가들이 차세대 우주 기술 진보를 주도한다.

성장하는 민간 우주 사업은 제조업체에 새로운 산업, 새로운 관계, 새로운 요구사항, 새로운 기회를 창출한다.

그레이 매뉴팩처링 테크놀로지스(Gray Manufacturing Technologies)는 그 수혜자 중 하나다. 노스캐롤라이나주 덴버 소재 이 공장은 첨단 가공과 무엇보다 자동화 기술을 적용해 우주 비행 산업의 증가하는 수요에 대응하고 있다.

그레이의 제품 믹스는 다양하고 개별 부품 볼륨은 낮다. "우리 사업 대부분이 항공우주(항공기) 또는 우주·위성 부품"이라며, 그레이 모회사 컴패스 프리시전(Compass Precision) 게리 홀컴(Gary Holcomb) 사장 겸 CEO는 말했다. "대부분 작업이 5~10개 피스이고, 이전 작업과 다른 경우가 많다. 정확히 프로토타입은 아니지만 매우 복잡한 부품을 극소량 생산하며, 월 100건 이상 출하한다."

우주 비행체 기업들이 기술을 끊임없이 수정·개선하기에 엔지니어링 변경이 빈번하다. "고객사 5개 부품을 만들면, 이후 5개 더 주문하지만 치수가 다를 수 있다. 빈번한 변경 통보와 생산 일정의 잦은 변동이 있다. 3개월 납기 6건 주문을 받았는데 일주일 뒤 2건은 앞당기고 2건은 미뤄지는 식이다."

자동화는 그레이의 우주·위성 부품 가공 서비스 접근법의 핵심 요소로 입증됐다. "자동화를 처음 논의할 때 용량 문제로 접근했다"며, 그레이 매뉴팩처링 오퍼레이션 매니저 에반 그로스(Evan Grose)는 말했다. "같은 부품을 같은 팔레트에 반복 적재할 공간이 없었다."

스핀들 가동률과 생산 유연성 향상을 위해, GF 머시닝 솔루션즈(GF Machining Solutions LLC, 일리노이주 링컨셔)의 5축 MILL E 700 U 머시닝 센터 2대를 도입해, 시스템 3R 트랜스포머(Transformer) 모듈러 로봇과 12팔레트 로딩 스테이션을 포함한 셀을 구성했다. 로봇이 레일을 타고 이동하며 기계 간 팔레트 교환, 로딩 스테이션에서의 오프라인 팔레트 적재/하역을 수행한다. 이 결합된 기능으로 그레이는 연장된 라이트아웃(무인) 운영이 가능해졌다.

GF 머시닝 솔루션즈 자동화로 그레이는 저용량/고믹스 작업을 효율적으로 처리한다. "장비 유연성이 매우 중요하다"며 홀컴은 말했다. "낮에는 우주 고객용 1~5피스 복잡한 소량 작업을 위해 리소스를 집중한다. 퇴근 전에는 비우주 작업(이미 프로그래밍된 비교적 대량 항공우주 작업)을 야간 무인 가동한다. MILL E 700 U의 프로그래밍성을 낮에는 복잡한 초소량에, 자동화 능력은 야간 다소 대량 작업에 활용한다."

일반 멀티 팔레트 시스템이 조명 끄기 전 적재된 팔레트만큼만 무인 생산을 허용하는 것과 달리, 트랜스포머 로봇 시스템은 완료된 팔레트를 기계에서 꺼내 새 팔레트로 교체하고, 유휴 팔레트의 부품을 언로드/리로드하며 가공을 중단 없이 계속한다. "이를 '자동화를 위한 자동화'라고 부른다."

무인 운전 시 공구 파손 감지를 가공 프로그램에 설정한다. 공구 파손 시 기계가 정지하고 공구를 교체한다. MILL E 700 U 기계는 그레이의 연장 무인 운전을 지원할 충분한 공구 저장소를 가지며, 공구 마모 보상과 프로그램상 예비 공구 대체도 필요시 호출된다.

"작업 복잡성 증가와 적절한 기술 인력 채용 어려움으로 자동화 길을 걸었다"며 홀컴은 설명했다. "가공 센터가 복잡한 움직임을 만들 수 있어 완전 관절 로봇이 불필요해 견고한 트랜스포머 로봇을 선택했다."

로봇 자동화 시스템 대안은 더 많은 기계라며, "기계 대수에 따라 더 많은 인력도 필요해진다. 운영자 한 명이 7~8대 기계를 돌릴 순 없다. 현재 주문 수준에서 로봇 없이 가려면 최소 3대 기계 추가(총 5대)와 2명 추가 인력이 필요하다. 현재 우리 사업에서 사람은 기계보다 구하기 어렵다."

현재 부품 볼륨은 낮지만, 향후 더 높은 볼륨이 예상되어 미크론 MILL 5축 기계와 로봇 팔레트 시스템 역량을 온전히 활용할 수 있을 전망이다. "이 경우 높은 볼륨이란 수백만 개가 아니라, 5~10개에서 수십 개 수준을 의미한다."

상업용 우주 비행체 사업이 성장·성숙함에 따라 자동화 중요성은 더 커질 것이다. 홀컴에 따르면, 이미 프로그래밍된 부품의 더 높은 볼륨으로 이행 중이며, 이는 프로그래밍 수요 감소와 GF 머시닝 솔루션즈 자동화 셀이 제공하는 연장 기계 가동 시간 수요 증가를 의미한다.

홀컴은 자동화 외에도 가공 속도가 항공우주·우주 비행체 부품 생산 성공에 필수적이라고 강조했다. 대부분 복잡한 알루미늄 부품을 고 RPM으로 가공해야 하기 때문이다.

자동화 셀의 2대 기계 외에, 그레이는 7팔레트 캐러셀을 갖춘 미크론 MILL E 500 U와 MILL S 600도 보유한다. 하나는 36,000 RPM 스핀들, 다른 하나는 20,000 RPM이다.

그레이의 반응성과 효율성에 기여하는 '단일 셋업(Single-setup)' 가공 접근법에 전념하고 있다고 전 그레이 매뉴팩처링 제너럴 매니저이자 현 컨설턴트 제리 수츠(Jerry Soots)는 말했다. 5축 밀링 머신에서 이 생산 목표를 달성하기 위해, 그레이는 원자재에 전략적으로 0.005~0.010인치 두께의 탭(tab)을 남기고, 모든 부품 피처 가공이 가능하도록 도브테일 고정구로 고정한다.

고정구 덕분에 부품 바닥과 기계 사이에 충분한 거리가 확보돼, 아래쪽 피처에 도달해 모든 각도에서 가공할 수 있다. 부품 완성 후 CMM 측정으로 적합 판정 시 탭을 제거한다.

성장하는 민간 우주 제조 산업은 우주 비행체 기업과 공급사 간 새로운 관계를 창출한다. 30년 전만 해도 공급업체는 항공우주 기업에 역량을 어필해야 했고, 그들이 적극적으로 공급사를 찾진 않았다. 신규 항공기 프로그램이 아닌 한 부품 설계 변경은 드물었다.

"오늘날 민간 우주 기업들은 모든 걸 즉석에서 처리한다. 완전히 다른 마인드셋이다. 끊임없는 신제품과 지속적 설계 변경에 대응할 수 있는 자격 있는 공급사를 적극적으로 찾는다.

최신 ISO 인증과 AS 9100D는 최소 자격이다. 기술적으로 매우 유능해야 한다. 알루미늄부터 난삭재까지 까다로운 부품을 상대적 저용량으로 가공할 수 있어야 한다. 생산 일정의 유동성을 수용할 민첩성이 필요하다. 우리 5축 밀과 GF 머시닝 솔루션즈 자동화가 이 모든 요구 충족에 핵심 역할을 한다."

그레이 매뉴팩처링 테크놀로지스 정보: gray-mfg.com 또는 704-489-2206. GF 머시닝 솔루션즈 정보: www.gfms.com 또는 800-282-1336.