우주 항공 산업의 친환경 미래

친환경이란 화두가 항공기 부품 위탁생산업체(OEM)에도 영향을 미치고 있습니다.
우주 항공 산업이 이산화탄소 배출이 가장 많은 업계 중 하나라고 인식되면서 탄소 배출을 줄이고 장거리 비행이 가능한 경량 항공기를 최대한 빨리 개발해야 한다는 압박을 받고 있습니다.이러한 항공기를 개발하려면 가공하기 힘든 알루미늄과 내열합금(HRSA)을 사용해야 합니다. 샌드빅 코로만트의 Sébastien Jaeger 우주 항공 산업 솔루션 관리자가 우주 항공 OEM에서 까다로운 부품을 지속 가능한 방식으로 가공하기 위한 고급 툴링 솔루션 도입에 대해 설명합니다.

세계경제포럼(WEF)에서 '2050년까지 이산화탄소 순 배출 제로를 달성하면 환경적으로 지속 가능한 미래를 만들 뿐만 아니라 재정적으로 탄력 있고 경쟁력 있는 항공 산업을 구현하는 데 도움이 될 것'이라는 발표가 있었습니다. 그러나 자동차 분야에서 전기차 보급이 빨라지고 있고 2021년 8월에는 영국에서 전기 자동차 판매량이 경유차 판매량을 추월했지만, 우주 항공 산업에서 이러한 변화가 나타나려면 더 오랜 시간이 걸릴 것으로 보입니다.
일반적으로 전기 항공기는 2035년은 되어야 보편화될 것으로 전망됩니다. easyJet이 2030년까지 500 km 미만의 노선에서 전기 비행기를 운행한다는 목표를 정했고, 노르웨이는 2040년까지 모든 단거리 노선에 전기 비행기를 투입한다는 계획을 세웠지만, 여행 전문 잡지인 Lonely Planet의 기사에 따르면 '장거리 노선에서 전기 점보 제트기가 운항하는 것은 배터리가 너무 무거워 먼 미래의 일'입니다.

전기 항공기의 보편화는 2035년에야 가능

이러한 문제를 해결하려면 기체 경량화를 위해 배터리가 가벼워져야 하지만, OEM에서 부품 경량화를 해야 한다는 목소리도 커지고 있습니다. 샌드빅 코로만트는 알루미늄, 특히 강도, 내피로성 및 기타 특징에서 우수한 새로운 알루미늄을 이용해 항공기 경량화에 기여할 수 있다고 확신하고 있습니다.
또한 새로운 내열합금 사용이 증가하고 있습니다. 실제로 내열합금은 고온에서도 경도가 유지되므로 극한의 환경에서 작동해야 하는 항공기 부품에서 널리 사용되고 있습니다.항공기를 지속 가능한 방식으로 운항하려면 엔진의 작동 온도를 크게 높여야 하므로 부품의 경도가 매우 중요합니다.
또한 가공물 생산에서 공차를 더 엄격하게 적용하고 디자인이 다양해져야 합니다. 전기 자동차 업계에서 확인한 것처럼 기존의 내연 기관과 달리 미래 전기 항공기의 기체와 엔진 설계는 제조업체에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 일부 OEM에서는 기체와 관련하여 델타 모양, 연속형 날개 동체 및 스트럿 브레이스 날개 컨셉을 연구하고 있으며, 전통적인 '대형 동체, 날개, 엔진' 디자인을 고수하는 OEM도 있습니다.
또한 전기 엔진, 배터리 구동 엔진, 전자기 엔진, 내연기관과 전기를 모두 이용하는 하이브리드 엔진과 같은 다양한 형태의 엔진이 사용될 것입니다. OEM은 엄격한 공차에 따라 더 다양한 가공물을 생산하면서 전기 시스템 성능에 영향을 미치는 소음, 중량, 배기가스를 줄여야 하지만, 알루미늄, 내열합금 부품은 가공이 어려워서 지속 가능성과 비용 효율을 동시에 달성하기가 쉽지 않습니다.

급속한 발전

연비가 높은 경량 항공기를 생산하는 기술 중에 적층 제조가 있습니다. 이 기술을 이용하면 매우 복잡한 맞춤형 부품과 기능형 제품을 정교하게 만들 수 있어 격자형 구조와 같이 가공이 어려운 부품을 쉽게 가공할 수 있습니다. 소프트웨어 회사인 Dassault Systemes에서 조사한 결과에 따르면 "우주 항공 분야에서 적층 제조를 통해 중량을 줄이면 연료 소비가 최대 25% 감소하며, 1킬로그램을 줄인 상태로 항공기를 운항하면 연간 최대 미화 3,000달러의 연료비를 절약할 수 있습니다."
하지만 적층 제조가 지속 가능한 기술일까요? 루마니아 클루지나포카 공과대학의 제조 공학부에서 공동 저술한 연구에 따르면, 적층 제조는 '사출 성형, 다이 주조 또는 가공과 같은 전통적 제조 방법의 훌륭한 대안'이며, '기존 공정을 사용할 때보다 비용을 절감하고 에너지 효율을 제고'할 수 있습니다.
또한 적층 제조를 도입하면 제품 제조 방식과 다양성이 크게 달라질 수 있는데, 부품을 외부에서 조달하는 대신 자체 제작할 수 있어 탄소 배출량 및 소재 사용량과 교통수단 운송 횟수를 줄일 수 있습니다.
제조업체는 적층 제조에 기반한 프로토타이핑을 통해 더 복잡하고 혁신적인 소형 우주 항공 부품을 빠르게 생산할 수 있습니다. 신속한 프로토타이핑에는 여러 기술이 포함되지만, 어떤 경우든 CAD 파일에서 3D 프로토타입을 빠르게 만드는 것이 목표입니다. 이러한 프로토타입을 이용하면 본격적인 제조 전에 소량의 신소재를 이용해 혁신성, 품질, 정밀도를 점검하는 테스트를 진행할 수 있습니다.
지금까지 우주 항공 분야의 OEM에서 새 방식을 채택해 더 복잡한 가공물을 생산하는 방법을 살펴보았습니다. 그렇다면 특히 강한 알루미늄과 내열합금을 가공할 때 딱 맞는 공구에는 어떤 것이 있을까요?
알루미늄과 내열합금을 가공할 때는 내마모성과 공구 수명이 우수한 공구를 사용해야 합니다. 샌드빅 코로만트는 이러한 점을 고려하여 선삭에서 사용되는 강 인서트용 S205 재종을 개발했습니다. S205에는 꽉 채워진 일방향 결정의 Inveio® 레이어가 포함되어 있습니다. 따라서 인서트 주위에 강력한 보호 장벽이 생기며 공구의 강성과 기계적 성질이 향상됩니다. S205 인서트는 엔진 터빈 디스크, 링, 샤프트 등의 다양한 항공기 부품 제조에서 성능을 입증받았습니다. 샌드빅 코로만트의 고객사에 따르면 S205의 절삭 속도가 경쟁 내열합금 선삭 재종에 비해 30~50% 더 빠르다고 합니다.

종합적인 접근 방식

지금까지 제조 공정과 공구를 살펴보았습니다. 둘을 가장 잘 결합하려면 어떻게 해야 할까요? 솔루션 통합에 힘써도 시스템이 제대로 작동하지 않으면 모든 노력이 헛수고가 될 수 있습니다.
샌드빅 코로만트는 이러한 점을 고려하여 가공물 솔루션을 우주 항공 분야 고객에게 제공하고 있습니다. 이 솔루션은 기계 요건 검토, 가공물당 비용 조사와 같은 여러 단계로 구성되어 있으며, 실행 과정에서 동작 시간 측정법(MTM) 및 최종 사용자 공정과 관련된 생산 방법 분석을 진행합니다. 또한 컴퓨터 지원 제조(CAM) 프로그래밍과 지역 또는 국제 프로젝트 관리 기능도 가공물 솔루션에 포함되어 있습니다.
샌드빅 코로만트의 한 고객사는 생산 과정에서 칩 브레이킹 문제로 골치를 겪다가 가공물 솔루션을 통해 원인을 찾아 문제를 해결했습니다. 샌드빅 코로만트의 전문가 팀에서 다이내믹 드라이브 커브를 이용해 매 순간 칩 브레이킹을 제어하는 새 시스템을 개발했는데, 자체적으로 '스쿱 선삭'이라고 부르는 방식이며, 샌드빅 코로만트가 이에 대한 특허를 보유하고 있습니다. 고객사에서 스쿱 선삭을 도입한 후 칩 컨트롤이 개선되고 공구 수명이 두 배로 늘었으며 사이클 시간은 80% 단축되었습니다.
또한 종전에는 기계 4대를 가동했지만 1대만 사용하게 되어 복합 가공의 필요성이 줄어들고 생산 과정의 안정성과 친환경성이 강화되었습니다. 항공기 생산에서 지속 가능성을 개선하려면 S205와 같이 강도가 향상된 가공 재종을 이용해 기계 사용량을 줄이고 공구 교체를 줄여야 합니다.
샌드빅 코로만트 디지털 포트폴리오의 CoroPlus® Tool Guide와 같은 소프트웨어도 중요한 역할을 합니다. 이 소프트웨어를 이용하면 생산을 시작하기 전에 공구 선택, 절삭 매개 변수와 같은 주요 사항을 미리 지정할 수 있습니다.

재활용의 이점

우주 항공 분야의 OEM은 공구 및 제조에 대한 새로운 접근방식을 도입하는 것 외에도 제조 과정 자체에서 친환경성을 강화할 수 있습니다. 항공운송활동그룹(ATAG)의 보고서에 따르면 Boeing에 알루미늄을 공급하는 Kaiser는 업계 최대 수준의 순환형 재활용 시스템을 운영하고 있습니다. Kaiser는 이 시스템을 통해 매년 약 1,000만 킬로그램의 철재 부스러기와 고철을 업계에서 재활용할 수 있을 것으로 추정합니다.
샌드빅 코로만트는 고객사의 마모된 초경 공구를 재구매하여 새 공구 생산에 활용하는 초경 공구 재활용 시스템을 자체적으로 운영하기 시작했습니다. 이제는 샌드빅 코로만트의 초경 합금 공구의 생산 재료가 대부분 폐기물에서 나옵니다. 샌드빅 코로만트는 한정된 자원을 활용해 지속 가능성을 높이고 과도한 낭비를 줄이기 위해 노력하고 있으며, 이 과정에서 재활용 재료로 공구를 만들면 에너지 사용이 70% 줄고 이산화탄소 배출량은 40% 감소한다는 점을 알게 되었습니다.
친환경을 위해 우주 항공 산업에서 가벼운 장거리 항공기를 만들어야 한다는 압력이 커지고 있는 지금, 우주 항공 분야의 OEM이 친환경 미래에 기여하려면 올바른 공정과 공구를 이용하고 제조 과정 전반에서 환경 전체를 고려하는 시스템을 도입해야 합니다.