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제조 솔루션 특집, 항공우주
 
김유리기자 | 2013.08.30 | 2013년 9월호
 
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“어디까지 가봤니?” 어느 항공회사의 광고 문구다. 요즘 사람들은 비행기 타고 어디까지 가봤냐는 물음에 오랜 망설임 없이 쉽게 대답할 수 있을 것이다. 그렇다면이 질문은 어떨까? 우리나라 항공우주제조산업, “어디까지 알고 있니?” 일반인뿐 아니라 제조업에 종사하는 사람에게 물어도 쉽게 대답할 수 없을 것이다. 항공우주산업, 그리고 여기에 적용되는 제조 솔루션은 어떤 것들이 있을까?
항공우주 제조 솔루션
이래서 중요하다 항공우주산업은 SI(System Integration)다. 이는 시스템 종합산업을 의미하는데, 말그대로 분야별 최첨단 기술이 총망라되고 체계화된 산업이라는 뜻이다. 실제로 항공기 1대에 약 20만개의 부품이 들어가며 제조 기술에 대한 신뢰도는 자동차 대비 100배 이상 요구된다. 이처럼 항공우주산업은 고도의 기술집약적 산업이기 때문에 다른 산업과 연계도가 높고 그만큼 파급력도 크다.
 그 파급력은 기계, 전기전자, 소재 등 다양한 분야와 자동차, 전자, 조선산업 등 다양한 산업에 이르기까지 범위가 넓다. 때문에 항공 우주산업분야는 물론 관련 산업분야의 초정밀 가공기술, 정밀전자기술, 복합소재기술, 시스템 통합기술 등 첨단기술의 발전을 유도 한다. 이것이 항공우주산업이 중요한 이유 며, 항공우주산업을 육성해야 하는 이유다.
  기술파급효과(Spin-Off)가 큰 분야 중 하나인 자동차산업을 예로 들어보자. 차량용 GPS, 미끄럼 방지 장치 ABS(Anti-lock Braking System) 등이 항공우주산업분 야의 기술이 자동차산업으로 이전된 대표적 예다. 최근에는 자동차 앞 유리에 방향, 속도, 길안내 등의 정보를 투사하는 기능이 도입되었는데, 이는 공군전투기 조종석 전면에 각종 비행정보를 비치게 하는 기술 HUD(Head-Up Display)에서 온 것이다.
  그러나 현실은 우리나라는 관련 기반산업인 기계, 자동차, 반도체/휴대폰 분야에서 경쟁이 우수하기 때문에 항공산업의 발전 잠재력이 충분하다. 그러나 항공우주산업 강대국과 비교했을 때 어깨를 나란히 하기에는 아직 무리가 있다. 실제로 세계 항공산업에서 우리나라의 순위는 2011년을 기준으로 15위이며, 우리나라 대표 항공우주산업체 KAI는 세계 항공우주산업체 순위에서 57위다.
  이는 어쩌면 당연한 결과일 수도 있다. 사실 항공우주산업이 발달한 미국이나 유럽, 일본 등은 대부분 전쟁을 주도한 나라이기 때문이다. 이들은 전투기나 미사일 등 전쟁 무기를 개발하기 위해 기술력을 높여놓고 시설을 구축해 놓았다. 그러나 전쟁이 끝나자 이를 버릴 수 없어 항공, 자동차 등에 보급하게 된 것이다.
  이처럼 우리나라는 선진국에 비해 항공우 주산업에 뒤늦게 뛰어들어 산업화 수준이 매우 다르다. 우리나라 항공 산업의 경우 군수 위주로 성장하고 있지만 우리나라는 세계 무기 수입국 순위 4위에 오를 정도로 대부분 수입에 의존하고 있다(2008~2012년 기준, SIPRI). 핵심 기술은 미국, 러시아, 독일, 프랑스, 영국 등 대부분 외국에서 보유하고 있기 때문이다. 우주산업의 경우도 마찬가지다. 특히 위성이나 로켓과 같은 우주 개발은 양산개념이 없기 때문에 경제성 측면에서 산업화에는 제약이 따른다.
  그럼에도 불구하고 그렇다고 포기할 수는 없다. 우리나라는 이제 성장하는 단계일 뿐이다. 사실 항공우 주산업은 투자규모가 크고 투자회수기간 (20~30년)이 긴데다 기술측면의 진입장벽이 높다. 그러나 진입에 성공하면 장기간 안정적인 수익을 얻을 수 있다. 실제로 세계 항공산업시장은 ‘08년 4,300억불에서 ‘20년 7,000억불로 두 배에 가까운 성장이 예상된다.
  앞서 언급했듯 항공우주산업에서 우리나 라의 발전 잠재력은 크다. 실제로 기술수준을 정비ㆍ하청의 면허조립단계, 기술도입의 면허생산단계, 독자개발단계, 항공선진국으로 나누었을 때 독자개발단계에 속한다. 이번에 소개되는 솔루션도 단순히 만들어낸 다는 것 자체로서의 가능성이 아니라 최신 기술 트렌드에 맞추고 효율성과 기술 수준을 높인, 그야말로 ‘솔루션’들이었다.
  이번 항공우주 제조 솔루션의 스펙트럼은 넓다. 특수가공, 공작기계, 공구, 소프트웨 어, 절삭유, 측정, 소재, 제어계측, 3D 프린팅 등 그 카테고리를 세분화해 보았다. 여기에 항공부품 전문 제조업체인 아스트 사례 까지 담아 보았다. 아마 이 특집 기사를 읽고 나면 항공우주산업분야에 대해 “이 정도는 안다”라고 대답할 수 있게 되지 않을까?
 
  도움 주신 분
 한국항공우주산업진흥협회
 김성곤 과장
 02-786-3591
 skkim@aerospace.or.kr
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병렬형 머시닝 센터 PKM(Parallel Kinematics Machine)
 나비처럼 날아서 벌처럼 가공한다
‘나비처럼 날아서 벌처럼 쏴라’ 미국 권투선수 무하마드 알리가 남긴 명언이다. 가볍고 부드럽게 몸을 움직이다가 공격에서 강하고 날카로운 펀치를 날린다는 뜻이다. 공작기계에서도 움직임은 가볍고 부드럽지만 강력한 힘과 높은 정밀도로 가공하는 머시닝 센터가 있다. 바로 병렬형 머시닝 센터 M9이다.
기존 머시닝 센터와 어떻게 다른가
일반 머시닝센터는 이송 축이 직렬로 되어 있다. 그러나 병렬형 머시닝 센터는 이송계의 기구학적인 배열이 병렬형이다(Parallel kinematics Machine: PKM). M9은 이송 축이 다섯 개인 병렬기구머신인데, 그 원리는 다음과 같다. 먼저 지지점에서 출발하는 직선축 3개의 움직임으로 공간상의 근접 위치를 찾고, 나머지 2개축(회전축과 틸팅축)으로는 세밀하고 정밀한 위치를 찾는 원리다.
  일반적인 5축 공작기계와 가장 큰 차이는 바로 이러한 축의 구조에 있다. 일반적인 5축 공작기계의 이송계는 직각을 이루는 축의 구조로 목표 위치에 근접하고, 장비에 따라 회전축이나 틸팅축을 통한 추가 이송을 한다. 그러나 PKM은 회전축과 틸팅축을 제외한 1, 2, 3축이 병렬 구조라는 점에서 차이가 있다.
섬세하고 수준 높은 가공을 위해
PKM는 본체에 삼각대(Tripod)가 튼튼히 고정되어 정밀도를 유지하면서도 움직임이 빠르고 유연하다. 이것이 가능한 이유는 기구적인 요건과 제어적인 요건을 모두 충족 했기 때문이다. 여기서 기구적 요건은 PKM 구조 안의 4절 링크 부위에서 이 링크축의 평행도를 유지하는 것이다. 또 제어적인 요건은 5개의 서보모터를 정밀하게 동시 제어 하는 것을 의미한다. 이처럼 두 요건을 모두 충족하는 머신 컨트롤 기술을 갖추었기 때문에 일반 5축이나 3축 장비보다 더욱 섬세하고 수준 높은 가공이 가능하다.
  정밀도 외에 PKM의 장점인 가공 상 융통 성에 대해 알아보자. PKM의 가장 일반적인 고정형태는 45deg(degree)다. 그러나 가공하려는 형상이나 크기에 따라 0°(아래로),90°(수평으로), 180°(위로 향하는)로 응용하여 설계ㆍ제작이 비교적 쉬워 다양한 형상 가공에 대응할 수 있다. 또 갠트리 시스템과 같이 또 다른 이송 시스템 등을 활용하면 통상적인 기계로 가공할 때보다 조금 더 쉽게 구성할 수 있다.
  이처럼 병렬 머시닝 센터라는 그 구조적 특성 상 PKM은 일반 공작기계에서 재현할 수없는 융통성을 실현할 수 있다. 주로 형상이 복잡하고 가공방향이 여러 각도에서 실행 되는 가공에 적합하다. 또한 주축 등 각 구성품의 성능에 따라 어느 정도 한계는 있으나 한번의 세팅으로 공정분리 없이(One set up one machining) 수행할 수 있다.

M9이 항공우주산업에서 솔루션이 될 수있는 이유는 이러한 이송계의 특성에 의해 빠르게 공간을 이동하면서 높은 정밀 도로 가공할 수 있기 때문이다. 이에 대형 항공 구조물의 밀링, 드릴링, 트리밍 가공에 적합하다. 또 항공기 부품의 파스너 홀(Fastener Hole)의 드릴링이나 접시형 구멍을 가공하는 카운터싱킹(Countersin king), 트리밍 작업에 주로 적용된다. 이솔루션은 해외 항공제조업체 Airbus, Boeing, EADS의 자회사 등에서 실제 적용되고 있다.
 
 앞서 언급했듯 PKM은 일반 공작기계에서 가공할 수없는 복잡한 형상이나 크기에 대응할 수 있어 그 응용 범위 또한 넓다. 때문에 항공우주산업 외에 자동차, 농업ㆍ건설, 철도 산업 등 다양한 산업분야에 적용된다.
 
  도움 주신 분
 정상현 상무
 062-950-1512
 jeong@hwacheon.com
핵심부품 가공을 위한 머시닝 센터
 항공부품 핵심 가공 솔루션
형상이 복잡하고 난삭재가 적용되는 부품에
 항공부품 중 엔진에 들어가는 임펠러, 터빈 노즐 등은 가공이 특히 어렵다. 게다가 알루미늄, 티타늄, 인코넬 등 난삭재가 적용되어 고도의 가공 기술이 요구된다. 이러한 항공부품을 가공하려면 강도와 정밀도가 보장된 다축 가공 장비가 필요하다. 그것이 바로 동시제어 5축 고속 머시닝센터, VC630 5AX다.
  VC630 5AX의 가장 큰 특징은 스핀들이다.
  고속, 고강성 빌트인 스핀들과 2면 구속 스핀들을 채용해 난삭재도 고속으로 강력절 삭이 가능하다. 이 스핀들은 벨트나 기어를 배제한 모터일체형이며 고속 회전 시 발열을 억제하는 정밀 베어링을 최적의 4열로 조합하여 진동과 열변위를 제어한다. 또 자체 개발한 고강성 로터리 테이블을 부착하여 최적화된 기계 구조를 구현했다.
 이 외에 실제로 부품이 받는 외압, 외력 등을 계산하는 시뮬레이션 프로그램인 FEM 해석으로 설계하여 안정성이 검증된 고 강성 구조의 롤러타입 LMG탑재와 고강성 커플링은 정밀가공을 가능케 한다. 또한 연속 가공 조건으로 2팔레트 APC와 최대 121개의 공구 매거진을 선택 장착할 수 있어 무인 화에 최적으로 대응한다.
  국내에서 대표적으로 임펠러 가공을 VC630 5AX로 하고 있는 H사는 모든 공정을 VC630 5AX로 구축하였으며, 이전 독일 장비 사용 경험 대비 높은 생산성을 실현할수 있었다.
가공 면이 넓고 열 변위에 민감한 부품에
항공기에서 가장 중요한 부분 중 하나는 바로 ‘날개’다. 날개의 구성 부품은 가공면이 넓어 다량의 칩을 효과적으로 배출해야 하기 때문에 고속 수평형 머시닝 센터로 가공 해야 한다. 또 엔진 부품이나 항공기체 연결 부위 등은 난삭재로 되어 있어 오랜 가공시 간으로 인한 발열로 변형이 일어나기 쉽다.
  이처럼 가공면이 넓고 열 변위에 민감한 항공부품 가공에 적합한 장비가 고속, 고생산성 수평형 머시닝센터인 NHP 8000이다. 베드와 컬럼의 일체형 구조로 이송거리가 확대되어 가공영역이 넓기 때문에 최대 넓이 1,450mm 및 높이 1,550mm, 무게 2,000kg의 기체 부품을 가공할 수 있다. 또 직결식축 이송과 냉각 방식 구조로 열변위에 대응한다.
 각 축의 양단은 NHP 8000의 스핀들에 최적화된 베어링 배열 방식인 DBD타입의 3열 앵귤러트러스트 베어링으로 지지된다. 양단에는 적정 예압을 가하는데, 이는 볼 스크류 작동 시 발생하는 열팽창을 고려하여 볼스크류를 늘어날 만큼 미리 늘여 놓아 열변위에 대응하기 위함이다. 오일쿨러를 표준으로 채용한 냉각재킷이 내장된 점도 볼스크류 너트의 열변위 최소화에 기여한다.
  주축 고속 회전의 진동과 열 발생 문제에 대해서는 주축 냉각 강치로 제어하며, 빠른 가감속 구조로 알루미늄 절삭에 적합하다. 또난삭재 가공을 위한 강력절삭을 위해 주축 속도 6,000r/min에 최대 토크 809Nm를 선택 사양으로 하여 가공사양에 따른 선택의 폭이 넓다.
  이밖에 로터리타입의 자동 팔레트 교환장치(APC)는 서보 구동으로 유압 방식보다 안정적이고 내구성이 높아 항공부품과 같이 크고 무거운 가공물을 빠르고 정확하게 교환한다. 또 최대 9개 팔레트까지 장착이 가능한 MPS(Mulit Pallet System)와 24개 팔레트까지 장착이 가능한 LPS(linear Pallet System)를 선택사양으로 무인 가공을 위한 솔루션을 제공한다.
 
 도움 주신 분
 마케팅팀 김보영 과장
 02-3398- 2971
 boyoung3.kim@doosan.com
알루미늄 구조 부품가공용 머시닝센터
 항공부품가공의 Winning edge
위닝 엣지(Winning edge). 이는 볼이 라인 위에 떨어져 아슬아슬하게 득점한다는 뜻의 테니스 용어다. 즉 경쟁에서 간발의 차이로 이김을 의미한다. 항공부품가공산업에도 이 용어가 적용될 수 있다. 항공부품을 가공하는 세계의 모든 기업은 치열한 경쟁에 노출되어, 조금만 앞서가도 승자가 되고 약간만 뒤쳐져도 패자가 되기 때문이다. 이처럼 치열한 경쟁에서 살아남으려면 전략이 필요하다. 항공부품 가공 솔루션 도입을 통한 가공전략을 획득해야 승자가 될 수 있다.
  그렇다면 항공부품가공의 winning edge를 위한 솔루션은 무엇인가?
Wing rib 가공의 winning edge
항공기 날개에 들어가는 뼈대인 wing rib 가공을 예로 들어보자. 오른쪽 그래프를 보면 가로축이 가공시간, 세로축이 MMR(칩배출량)이다. 효율적 가공을 위해서는 MRR이 높아야 한다. 황삭가공할 때는 주축 출력을 높여 큰 MRR을 실현할 수 있으나, 포켓 황삭가공부터 기계가 가감속을 되풀이 함으로써 MRR이 떨어지기 시작한다.
  정삭가공에서는 MRR이 더 급격하게 떨어 진다. 가공시간이 오래 걸리는데다 긴 공구 사용으로 인한 진동이 발생하여 정삭 값과 MRR이 낮아지기 때문이다. 결국 정삭가공의 MRR이 전체 평균 MRR에 영향을 미쳐 전체적으로 낮은 레벨로 흘러간다. 때문에 wing rib의 winning edge를 위해서는 정삭가공을 최대한 효율화해야 한다.

이 문제에 대한 솔루션이 고성능 동시 5축 머시닝 센터 MAG 시리즈의 A4다. MAG는 각 단계 별 문제점에 대응책이 마련돼 있다. 황삭에서는 최고 회전 수 33,000/min와 120kW의 고출력 주축 모터기술, 인버터 제어기술 등을 기반으로 주축 회전 속도와 토크를 최대로 하여 고출력 가공을 실현함으 로써 MRR을 높인다.
  포켓가공에서는 가공패스를 최적화하고 가감속을 향상시켜 MRR을 끌어올려야 한다.
  이때는 앞서 언급한 주축 기술과 더불어 최대 가속도 0.8G, 최대 가가속도 200m/s3로높은 가속도를 실현하여 포켓 가공시간을 줄일 수 있다.
  정삭가공의 시간 단축을 위해서는 절삭패 스의 최단화, 고속이송 실현이 중요하다. 절삭패스 최단화의 경우 one path, one shot으로 가공하면 시간이 극적으로 개선된다.
  앞서 언급한 긴 공구 사용 시 진동문제에는 흔들림을 제어하는 공구 적용과 진동계에 최적의 주축 회전 수를 선택하여 one shot wall finishing이 가능하다.
  고속이송은 칼날 끝 형상이 최적화되어 있고 날 수가 많은 공구로 실현할 수 있다. 즉한 날 당 이송량이 보통의 5~7배인 고속이 송커터를 적용하고 날 수를 4~6개를 늘린 것이다. 여기에 30,000RPM이상의 초고속 회전 주축이 결합되면 약 50m/min에 달하는 고속이송이 가능해진다.

후공정 개선도 중요하다. 기존에는 서보의 오버 슈트때문에 발생하는 포켓 커터 부위의 부식 문제 때문에 핸드 블랜딩이라는 수작업이 필요했다. 이는 오버 슈트가 없는 최적 가감속 제어, 가가속도 제어를 탑재한 서보 시스템으로 해결할 수 있다. 이러한 총체적 기술로 평균 MRR을 최대화시켜 winning edge를 이룰 수 있다.
 
 도움 주신 분
 전영선 주임
 02-856-8686
 jeon-ys@makino.co.kr
대형 항공부품 가공을 위한 고성능 밀링머신
 가공시간과 정밀도, 두 마리 토끼를 잡으 려면
랜딩기어(Landing gear)는 비행기의 동체나 엔진 쪽에 달린 착륙장치이다. 비행기가 안정적으로 착륙할 수 있도록 지면에 먼저 닿아 비행기 무게를 지탱하는 역할을 한다.
  이처럼 엄청난 비행기의 무게와 착륙 속도에 견뎌야 하기 때문에 비행기에서 가장 튼튼해야 하는 부품 중 하나다.
  이처럼 랜딩기어는 높은 강성과 안전성이 요구되지만 그만큼 가공이 어렵다. 난삭재가 적용되는 데다 크기가 큰 블록소재 형태로 가공해야 하기 때문이다. 실제로 랜딩기 어는 가벼우면서도 강성이 뛰어난 티타늄, 스테인레스 강, 알루미늄 합금류 등이 주로 쓰이며 크기도 약 1,000mm로 크기 때문에 가공 시간이 오래 걸리고 정밀도도 보장하기 어렵다.
항공부품 가공을 위한 스펙
랜딩기어처럼 난삭재인 대형 항공부품 가공에 적합한 가공 솔루션이 있다. 5축 밀링머신인 DMC 160 FD duoBLOCK이다. 제조에서 효율적 가공을 위해 가장 중요한 키워드인 가공시간과 정밀도, 이는 특히 항공부품 가공에 더 엄격하게 요구된다.
  DMC 160 FD duoBLOCK은 이 두 가지 요구조건을 어떻게 충족할 수 있었는지 가공 시간, 가공 정밀도로 카테고리를 나누어 분석해 보았다.
 
  가공 시간 단축
 DMC 160 FD duoBLOCK은 5축 밀링 머신을 기반으로 밀링과 터닝 기술을 하나의 머신에 통합하여 한번의 세팅으로 작업을 진행시키므로 가공시간을 단축할 수 있었다. 또 주 가공작업과 동시에 대기 스테이션에서 세팅할 수 있는 고속 회전 팔레트 체인저 역시 부수적으로 낭비되는 시간을 효율 적으로 단축할 수 있는 요인이다.
  NC라운드 테이블의 최대 회전 속도는 40rpm, 최대 하중은 3,000kg이기 때문에 중량이 큰 부품도 빠르게 가공한다. 기존 60 TOOL로 구성된 매거진과 모든 리니어 (직선) 축은 60m/min로 급속 이송이 가능하다.
  3점 지지의 레벨링 구조인 머신 베드는 신속한 기계 구동에 기여하며 메인 스핀들은 최대 12,000rpm의 속도와 최대 6,200Nm의 토크로 대형 벌크 가공물의 가공을 가능케 한다.
 
 가공 정밀도 확보
 DMC 160 FD duo BLOCK은 완벽한 주물구조로 만들었기 때문에 일반 스틸 가공 에서도 견고성을 유지하여 정밀한 가공이 가능하다.
  Y축 슬라이드 커버는 35°의 경사진 형태로 되어 있어 번거로운 칩 걸림이 없이 매끄럽게 가공을 이어가고 최소 윤활구동 및 건식 가공에 적합하다. 또 열대칭 디자인으로 온도에 따른 변형 문제에 대응해 정밀도를 향상시켰다.
  이밖에 X축 방향, 3개의 LM 가이드는 이송 거리가 800~1,600mm인 Z축 이송거리 전반에 걸쳐 지속적인 견고성을 유지할 수 있도록 하여 대형 부품을 가공하는 데 유리하게 작용한다.
 또 최대 2,500kg의 가공물 중량에 대응 가능한 고속 회전 팔레트 체인저로 빠른 제품 교체가 가능해 효율적 가공을 이어나갈 수있다. 오랜 가공시간으로 하여 발생하는 열변위 문제는 유체 냉각 방식의 통합 모터 스핀들 및 냉각제 쿨링장치가 내장되어 있기 때문에 문제가 없다.
 
 디엠지모리세이키 코리아에서는 랜딩기어 부품 가공 외에도 비행기 엔진, 동체 구조 부품 등 총체적인 항공 부품 가공 솔루션을 제공한다. 지난 8월 22일 창원에서 항공 부품 제조에 대한 세미나를 열어 가공 솔루션을 소개하기도 했다.
 
 도움 주신 분
 곽지예 대리
 031-488-0504
 jenny.kwak@dmgmoriseiki.com
전해가공(Electro Chemical Machining, ECM)으로 엔진 블리스크 가공하기
 찌릿찌릿하다 어느새 가공 끝
방전가공과 헷갈리지 말 것!
 전해(電解)가공과 방전(放電)가공은 전기를 이용하기 때문에 언뜻 비슷해 보인다. 그러나 명백히 다르다. 먼저 방전가공에 대해 알아보자. 우선 공작물을 절연액에 담가 그 위에 툴(전극)을 수~수십㎛ 간극으로 위치시 킨다. 이때 워크는 양극, 툴은 음극이다. 여기에 전압을 걸면 양극과 음극이 충돌하면서 전기적 쇼크(스파크, 방전)가 발생하여 공작물이 녹아 제거되는 원리다.
  전해가공은 양극의 워크와 음극의 툴을 미세한 간격으로 놓는 것까지는 같다. 이 사이에 전해액인 소금물을 흘려 보낸다. 이 때양극과 음극에 전압을 걸면 양극에서 이온이 분해되는 전해현상이 발생한다. 이온은 음극으로 붙으려는데 자꾸 흘러 드는 전해액 때문에 붙지 못하고 떠밀려 나간다. 이렇게 이온이 소모되며 깎여 나가는 것이다. 이처럼 이온을 소멸시키는 방법이기 때문에 방전가공보다 정밀하다.
전기가 찌릿, 속도는 짜릿
전해가공은 항공 부품 중에서도 가공이 까다로운 축에 속하는 블리스크 가공에 적용 된다. 블리스크는 보통(국내에서는 100%) 5축 가공기로 가공하며 니켈, 인코넬 등 가볍고 경도가 높은 소재가 적용된다. 가뜩이나 단단한 소재로 되어 있는데 블리스크의 날개 하나하나 머시닝 센터에서 가공하면 얼마나 오래 걸리겠는가? 게다가 소재가 단단한 만큼 가공 부하로 툴이 손상되기 쉽다. 또 열 경화 등으로 툴과 소재에 변형이 생겨 가공 정밀도를 보장하기 어렵다. 결국 후공정이라는 번거로운 작업이 필요하다. 자칫 깨진 툴로 가공하기라도 하면 비싼 소재를 그대로 버려야 하는 비용 상 위험성도 있다.
  이를 ECM으로 가공하면 시간이 2~5배 이상 단축되고 높은 정밀도로 가공할 수 있다. 전해현상을 이용하기 때문에 가공 속도가 소재의 경도에 좌우되지 않으며, 가공 중일반적으로 발생하는 열 변이 문제에서 자유롭다. 또 버가 생기지 않고 표면조도가 좋아 연삭 등의 후 공정이 필요 없다. 가공기 측면에서도 툴과 소재가 닿지 않는 방식 이기 때문에 툴 마모가 일어나지 않아 반영 구적으로 사용할 수 있다.
  또한 복잡한 형상도 가공이 가능하다. 일반 전해가공은 완만하게 가공되지만 에막의 특허기술인 PECM(Precision Electro Chemical Machining)방식[사진 1]을 이용 하면 원하는 형상으로 가공할 수 있다. 이는 전압을 단속적(斷續的)으로 걸어주는 방법인데, 전압을 걸었다 끊었다 하며 툴이 워크에 가까워졌다가 멀어지는 동작을 반복 (oscillation)하는 것이다. 이로써 복잡한 형상도 정밀하게 가공할 수 있다.
 
 항공우주 제조산업에서 전해가공법은 도입 초기이지만 다른 분야에서 이미 다양하게 적용되고 있다. 전자분야 에서는 스마트폰의 금속 프레임 가공, 조선 분야에서 노즐 가공에 이 공법을 적용하는 업체도 많다. 이 사례들은 다음 전자/IT, 조선/플랜트 특집에서 만나볼 수 있다.
 
 도움 주신 분
 고광휘 부장
 031-776-4415
 ghkoh@emagkorea.com
식물성 오일 베이스 절삭유로 절삭성과 친환경을 동시에
 부드럽게 강력하게
항공부품 가공, 왜 어렵나
 항공부품 가공이 어려운 근본적 이유는 안전성을 위한 엄격한 가공 정밀도 때문이다.
  게다가 항공 부품은 주로 대형이다. 날개 부품 가공의 경우 소재를 올려놓는 베드가 30m에 이르는 경우도 있다. 여기에 난삭재 까지 적용된다고 생각하면 얼마나 가공이 어려울지, 가공에 필요한 공구와 절삭유에 요구되는 스펙이 어느 정도여야 할지 감이안 올 정도다.
  예를 들어 보자. 알루미늄으로 된 얇은 판을 가공하는 데 처음부터 얇은 판을 가져 다가 가공하는 것이 아니다. 강성을 유지하기 위해 두꺼운 원판 알루미늄을 얇게 깎아 나간다. 80~90%의 부피를 깎아내는 작업 이기 때문에 가공시간이 길 수밖에 없다.
  그만큼 소재가 절삭유에 닿아 있는 시간이 길기 때문에 소재에 눈에 보이지 않는 아주 작은 구멍(부식)이 생기는 피팅현상이나 변색과 변형이 발생할 수 있다.
  이렇게 가공 중에 생기는 작은 부식이나 크랙은 안전사고로 이어지는 최초의 원인이 될수도 있다. 따라서 항공 부품을 가공할 때절삭유에 요구되는 조건은 공구만큼이나 까다롭다. 공구의 가공부하로 인한 절삭성 저하를 보완하는 것은 기본이고, 소재에 미치는 영향이 미미해야 한다. 게다가 점차 환경 규제의 심화로 환경친화적 성분이어야 한다.
이 정도 스펙이면 깎을 수 있다
이러한 요구를 충족하는 솔루션이 식물성 오일 베이스 절삭유다. 이는 광유 베이스 절삭유보다 가공성이 뛰어나다. 광유는 가공 성을 높이기 위해 여러 첨가제를 넣지만, 식물성 오일 베이스는 기본 성분이 최적의 가공성능을 내도록 만들어졌기 때문에 티타 늄, 인코넬 등 단단한 재질을 가공하는 데첨가제가 거의 필요하지 않다. 이에 국내 항공업체에서도 난삭재와 같은 어려운 가공을 할 경우 식물성 오일 베이스 제품을 사용한다.
  이처럼 식물성 원료이기 때문에 90%이상 생분해 된다. 그만큼 변질의 가능성 때문에 보관 기간은 짧은 편이다. 그만큼 온도 관리도 중요한데, 광유가 -70~40℃까지 보관 가능한 반면 식물성 오일 베이스는 -5~상온에서 보관한다. 또 가공성을 높이기 위한 첨가제가 소재에 영향을 줄 수 있는데 첨가제를 사용하지 않으므로 소재의 변형과 변색이 덜하다.
 또 다른 특징을 들자면 고압 조건에도 거품 발생이 적다는 것. 절삭유 분사 압력은 가공성을 좌우하는 중요 요소 중 하나다. 압력이 세지면 거품이 많이 생기는데 이는 빠져나가야 할 공기가 그대로 섞여있음을 의미한다. 만약 절삭유가 나가는 양이 거품 때문에 1초에 1ℓ에서 900㎖로 줄어들면 부족한 양만큼 가공성은 떨어진다. 따라서 거품 없이 언제나 깨끗한 절삭유가 나오는 것이 중요하다.
 
 다가오는 10월 2일 창원 CECO에서 블라자스위스루브 코리아와 샌드빅 코로만트가 공동 주관하는 ‘항공기 부품 가공기술 세미나’가 열린다. 항공우주 특집에 적용되는 절삭유의 최신 트렌드와 가공 노하우에 대해 들을 수있을 것이다. 관심 있는 분은 가까운 지역의 영업소로 연락하면 초청장을 받을 수 있다.
 서울•경기 : 02-785-7228,
 영남(창원) : 055-237-7228
 
 도움 주신 분
 김재관 팀장
 02-785-7228
 jk.kim@blaser.com
빠른 냉각, 빠른 칩 배출, 빠른 가공
 속도로 승부한다
항공우주산업에 적용되는 HRSA(Heat Resistant Super Alloys, 초내열 합금)소재는 경량화와 연비 개선에 기여한다. 그러나 HRSA는 난삭재인데다 형상이 복잡한 블리 스크, 터빈 블레이드, 랜딩기어 등에 주로 적용되어 가공이 어렵다는 문제가 있다.
공구도, 소재도, 작업자도 열 받는다. 왜?
이러한 어려움을 해결하고 효율적으로 가공하려면 열 제어가 가장 중요하다. 절삭 인선에서 발생한 열은 보통 칩을 통해 제거되 지만 HRSA 소재는 열 전달성이 낮아 과도한 열이 인서트에 축적된다. 이는 공구 수명과 표면 조도의 품질을 떨어뜨린다.
 이 문제를 해결하기 위해 절삭유를 뿌리지만 기존 절삭유 전달 방식으로 HRSA소재를 가공하기는 어렵다. 기존 방식은 실제 절삭 부위에 절삭유가 도달하지 않고 그 주변 부인 피삭재 전체로 공급되는 구조이기 때문에 가공이 진행될수록 냉각 효과가 줄고 칩이 쌓여 가공성이 떨어지기 때문이다.
  또한 얇고 긴 칩이 만들지는 것도 문제다.
 긴 칩은 절삭유의 진행을 방해하는데다 심하면 공구에 상처를 내거나 엉켜 공구 마모와 손상을 초래한다. 이로 인한 손해비용까지 더해지면 문제는 더욱 심각해진다.
고속, 고압으로 열도 칩도 빠르게 제거
이 문제의 대안으로 제시되는 것이 Jetst ream Tooling System이다. 이는 절삭 인선과 매우 가깝게 노즐을 설치하여 절삭 지점으로 고압 절삭유를 직접 분사하는 방식이다. 즉 고압 절삭유가 칩의 생성 지점을 정확 하게 관통하는 초고속 제트스트림을 생성 하여 칩을 작게 잘라 쉽게 배출하는 원리다.
  이처럼 절삭면에 아주 가깝게 고압으로 분사되기 때문에 냉각이 빠르고 칩이 잘 분쇄 된다. 이것이 가능한 이유는 칩 배출에 중요한 요소인 정확한 방향과 높은 압력을 충족 했기 때문이다. 이로써 상황에 따라 절삭속 도는 2~3배, 공구 수명은 약 2배 증가한다.
 즉 Jetstream Tooling System은 적은 비용으로 빠르게 고품질의 부품을 가공하여 생산성과 수익성을 동시에 높일 수 있는 솔루 션인 것이다.
 
 이달 SECO Jetstream Tooling DUO가 출시된다. 최적 포인트로 분사되는 제트 외에 2차 열 발생 지점인 인서트 여유면으로 향하는 또 하나의 절삭유 제트를 추가한 것이 특징. 이로써 여유면을 냉각하여 공구수명과 표면조도를 개선할 수 있다.
 
 도움 주신 분
 박만교 상무
 041-622-9785
 man-gyo.park@secotools.com
CFRP 가공을 위한 솔리드 초경 라우터
 창과 방패의 관계, 공구와 소재
중국 전국시대의 책인 한비자(韓非子)에는 어떤 방패도 막아내는 창(矛)과 어떤 창도 막아내는 방패(盾)를 함께 팔았던 장사꾼 이야기가 나온다. 창은 방패를 반드시 뚫어야 하고 방패는 반드시 창을 막아내야 하는, 그야말로 이 둘은 모순의 관계다. 이 관계는 제조분야에서도 찾아볼 수 있다. 바로 공구와 소재다.
  공구는 소재를 쉽고 깔끔하게 깎아야 하고, 소재는 어떤 충격에도 단단하고 강해야 한다. 이러한 모순적 관계 때문에 고강도 소재가 나올 때마다 공구도 이를 깎을 수 있는 절삭성능에 대한 요구가 엄격해지고 있다. 단순히 깎을 수 있느냐 없느냐의 문제를 넘어 고품질의 고속 가공을 실현해야 하기 때문이다.

항공산업의 대표적 난삭재인 탄소섬유 강화 플라스틱, CFRP를 예로 들어보자. CFRP는 이름 그대로 탄소섬유에 플라스틱을 결합해 만든 소재다. 알루미늄보다 절반 정도 가볍고 쇠보다 여섯 배 강하다. 또 내구성, 내식성, 내마모성이 뛰어나 주로 항공기 동체와 날개 등에 적용된다. CFRP는 이런 강점을 가진 만큼 가공 상 단점이 많다.
  가장 큰 문제는 탄소 섬유가 여러 방향으로 쌓인 구조이기 때문에 홀을 드릴링 할 때 층분리가 발생한다는 것이다. 이에 절삭가공 시금속이나 합금처럼 칩이 깎여 나가는 것이 아니라 부서지고 뜯겨져 나간다. 게다가 강도가 매우 높아 공구를 빨리 무디게 만든다. 자칫하면 비싼 소재와 공구를 낭비하기 쉽다.

가장 시급한 문제는 탄소섬유층이 분리되는 박리현상이다. 박리현상 없이 깔끔한 커팅 엣지로 가공하려면 엔드밀의 날 구조를 개선해야 한다. 또 고속가공 시 발생하는 열에 효율적으로 대응하기 위해서는 공구에 특별한 코팅이 필요하다. 게다가 CFRP의 강도에 견디려면 공구 수명이 안정적이 어야 한다.
  이러한 문제에 대응 가능한 솔루션이 Beyond TM 솔리드 초경 KCN05 TM 라우터 시리즈다. CFRP 소재의 특성에 맞춰 박리 현상에 대응하고 절삭성을 향상시키는 형상으로 제작됐다. 소재는 솔리드 초경 서브스트레이트로 되어 있어 CFRP의 강도에 견딜 수 있다. 또 HP 다이아몬드 코팅으로 고속 가공이 가능하고 공구수명이 길어 고품질의 CFRP 가공이 가능해졌다. 백문이 불여일견, 이는 가공 영상에서 확인할 수 있다.

케나메탈은 지난 6월 20일 한국야마자키마작과 세미나를 열었다. 여기서 CFRP 외에 다양한 신소재 가공기술에 대한 발표와 시연이 이루어졌다. 이와 관련한 자세한 내용은 10월에 게재되는 가공 솔루션 특집에서 다룰 예정이다.
 
 도움 주신 분
 조아란 과장
 02-2109-6969
 ah-ran.cho@kennametal.com
CNC 시뮬레이션 소프트웨어로 복잡한 가공을 완벽하게
 실전보다 더 실전처럼
항공산업에서의 가공은 주로 5축 가공이다. 가공 형상이 복잡하여 5축 가공 이외의 방식으로 구현하기 힘들기 때문이다. 주로 난삭재가 쓰이는 점도 가공을 더 어렵게 한다. 게다가 5축 장비는 3축 장비에 비해 에러가 자주 발생한다. 이렇게 까다로운 항공 산업의 가공작업을 가공 오류 없이 효율적으로 가공하려면 어떻게 해야 할까?
  그것은 바로 ‘가공 검증’이다. 즉 가공 작업을 사전에 시뮬레이션하여 가공 오류를 방지하는 것이다. 사실 CAD/CAM에 의한 툴패스 생성 기능이 향상하고 있지만 실제 가공 부하까지 고려하지는 못한다. 이 문제의 대안이 CNC 시뮬레이션 소프트웨어인 VERICUT이다. VERICUT은 컴퓨터에서 기계가공을 정확하게 재현하여 소재와 공구 파손, 치공구 손상, 장비 충돌 등과 같은 에러를 사전에 예방한다. 이것이 어떻게 가능한지 VERICUT의 세 가지 대표 기능을 통해 알아보았다.
모든 충돌의 경우를 검증한다
5축 가공과 복합 가공은 발생할 수 있는 충돌의 경우가 다양하고 빈번하다. VERICUT은 축, 헤드, 공구, 소재 등과 사용자가 설정한 장비 요소 간 충돌 위험을 확인하고, 각축의 최대 가공 거리를 설정한다. NC데이터의 각 포인트만 확인하는 일반 검증 프로그 램과 달리 경로를 따라 장비의 움직임을 고려하여 모든 경로를 검증하는 것이다.
  또한 가공 리미트를 벗어나거나 가공 코드가 정확하지 않은 경우도 찾아낸다.
  이로써 가공 중단 상황을 사전에 방지하여 생산성을 유지할 수 있다. 장비 구성 요소들은 CAD에서 만들어 가져오거나 VERICUT에서 만들 수 있는데, ‘구성요소 트리(Component Tree)’는 장비 요소 간 연결 및 장비 구조를 설정하는데 편리하다.
놓치기 쉬운 부분까지 잡아낸다
VERICUT은 다양한 측정 기능으로 모서리, 축 간 거리, 구멍 깊이, 가공 전후 체적 등 다양한 형상 정보를 제공한다. 또 일반 CAM에 서는 미삭이 발생하지 않도록 작성하기가 매우 어려워 수작업으로 확인해야 하는 번거로움이 있다. 그러나 VERICUT에서는 디자인 모델과 시뮬레이션 모델을 비교하여 과삭이나 미삭 등의 미세한 차이를 확인할 수 있다.
최적의 가공 속도를 찾아낸다
OPTIPATH는 가공 속도를 최적화하는 모듈이다. 방법은 간단하다. 많은 양 또는 두꺼운 칩이 가공되면 가공 속도를 줄이고, 적은 양이나 얇은 칩 두께가 가공되면 가공 속도를 올려준다. 또 소재, 장비, 공구, 가공방법 등을 고려하여 데이터 베이스를 구축하고 그에 맞는 최적화 방법을 선택하여 사용할 수 있기 때문에 고효율 가공이 가능하다.
적용 사례
VERICUT은 국내 주요 항공업체에서 채택하고 있는 솔루션이다. 그 중에서도 항공기 정밀부품 제작업체 ㈜아스트의 적용사례를 소개한다. 아스트에서 생산하는 대부분의 제품은 VERICUT 작업을 거친다. 특히 벌크헤드는 크기, 형상, 소재 면에서 가공시간이 오래 걸려 시간단축에 대한 요구가 있었다. 아스트는 항공부품 가공에 특화된 공작기계 도입, 직접 구상한 특수 공구 적용, 그리고 VERICUT 솔루션을 도입하여 획기적으로 가공시간을 단축했다(VERICUT으로 약30% 절감). 아스트의 강민석 차장은 “VERICUT은 과삭과 미삭, 가공 중 충돌, 가공시간 예측 면에서 탁월하여 항공 부품 개발의 교과서적인 S/W인 것 같다”며 이로써 생산성 향상과 공구 수명, 가공 비용 감소 등의 이익을 얻었다고 한다.
 
 도움 주신 분
 박경미 대리
 031-426-1551
 kmpark@cims.co.kr
CIMS 솔루션 적용 기업 ㈜아스트

기업소개
㈜아스트는 항공기 전문 제작회사로 벌크헤드, 스킨, 스트링거, 프레임 등 항공기 부품이라면 어떤 것도 제작 가능한 기술과 설비를 갖추고 있다. 생산범위는 항공부품(5축 기계가공품 및 판금 제품)에서 항공기 조립체까지다. 2000년 항공우주산업㈜에서 20여명의 직원이 분사하여 설립됐고 2005년부터 본격적 해외 수주를 위해 전문인력 채용과 최신설비를 투자하며 지속적으로 기술을 개발하고 있다. 현재 직원 수는 400여명으로 그 규모는 KAI와 대한항공에 이어 우리나라에서 세 번째다. 주 생산품목은 미국 보잉 사의 주력기종인 B737로, SECTION48(꼬리 동체)를 자체 기술로 생산하고 있으며 계약 수주량은 1조원에 달한다. 최근에는 보잉에 기술을 인정받아 비행기개조사업(BCF: Boeing Converted Freighter)를 독자 수주하여 개발하고 있다.
 
  도움 주신 분
 ㈜아스트
 부품기술연구소 연구 1팀
 강민석 차장
 055-851-7049
 mskang@astk.co.kr
벌크헤드 가공
.. 절삭을 끝낸 #1088 벌크헤드의 모습. 벌크헤드는 비행기 꼬리 부분에서 내부 압력을 견디는 중요한 부품이다. 이 부품은 알루미늄 합금으로 만드는 데 가공 전 무게는 2톤에 달하지만 가공 후에는 48kg에 지나지 않는다. 초도 개발에서 24시간 이상 걸리던 것을 최적 가공기술(장비, 전용공구, 최적화 가공방법 적용 등)로 현재는 6시간 반만에 가공 한다. 이는 세계에서 가장 빠른 속도다.

벌크헤드를 완성하여 비행기 꼬리 부분에 장착한 모습.

벌크헤드 장착 후 비행기의 꼬리 부분을 조립하는 장면. 이는 보잉의 최대 주력기종인 B737의 꼬리 부분으로, 아스트에서 이 부분 동체를 100% 자체 생산한다. 이처럼 아스트는 중소기업으로서 보잉과 직거래를 할 정도로 독자적 기술력을 확보한 기업이다.
  아스트가 보유한 대표적인 독자기술은 다축 제어기술을 이용한 항공기 동체 조립에 관한 기술(The synchronous control method for equipment of airplane body using shape data of three dimensions)을 들 수 있다. 이 외에 5축 대형 제품의 최적화 가공기술(전용 커터 설계와 진공 치공구 설계 및 제작), 핫 조글(hot joggle) 금형 설계 및 제작기술 등이 있다. 이는 현상에 대한 이론적 접근과 현장에서 얻은 노하우를 통한 지속적 기술개발의 결과 물이다.
  아스트는 스트링거 전문 제작업체에서 벗어나 5축 대형 가공업체 로, 항공기 동체 조립 전문 업체로 성장하였으며 차후 항공기 설계및 제작(Concurrent engineering)에 이르는 사업 분야에도 관심을 가지고 규모를 확장시키고 있다.
여객기부터 전투기까지, Parker Aerospace의 솔루션
 세계 첨단 비행체들의 공통점은?
항공제조산업에서 부품을 정밀하게 만드는것 만큼이나 중요한 것이 그 부품 자체의 기능은 물론 다른 부품과 함께 역할을 완벽히 수행하도록 제어하는 시스템 구성이다.
  비행제어시스템(Flight Control System)을예로 들어보자. 이 시스템은 날개 및 보조 날개 서보 액추에이터, Bleed actuator(공기, 온도, 압력 조절장치) 등 12~14가지의 단품과 이를 통합하는 임베디드 소프트웨어로 구성된다. 각 구성품과 소프트웨어는 비행하는 데 가장 중요한 기능인 방향 전환, 고도 조절, 이착륙을 제어하기 때문에 특히 품질과 성능이 우수해야 한다.
  Parker Aerospace의 솔루션이 바로 이것이다. 비행기, 무인기, 헬리콥터, 미사일 등에 적용되는 비행제어시스템, 유압시스템, 연료 및 공기압시스템, 열관리시스템, 엔진 시스템 등 비행체에 탑재되는 대부분의 하드웨어와 임베디드 소프트웨어 솔루션을 제공한다.

그 중 연료 및 공기압 시스템은 연료가 이동 하는 호스, 연료 분사를 위한 밸브, 비상 시연료를 차단하는 디스커넥트 밸브 등의 하드웨어와 이를 제어하는 시스템이 포함된다. 열관리시스템의 경우 좁은 공간에 배치된 수많은 전자제품의 적정 온도를 관리하는 역할을 하는 등 이러한 시스템은 비행과 관련된 전반적인 기체의 기능을 제어한다.
  이처럼 비행체에 적용되는 기술은 다른 산업보다 더 높은 기술적 신뢰도가 요구된다.
  특히 전투기, 무인기, 미사일 등 군수용 비행 체에 적용되는 비행제어시스템은 공중에서 빠른 기동력이 필수적이므로 최상급 기술 수준이어야 한다. 게다가 제작 비용의 측면 이나 사고 시 막대한 인적, 물적 피해가 발생 한다는 점에서 안전성과 성능에 엄밀한 기준이 적용된다.
  이러한 요구를 충족할 수 있는 솔루션으로 Parker Aerospace의 기술이 언급된 다는 것은 그만큼 솔루션에 대한 신뢰도가 검증되었다는 것이다. 실제로 Parker Aerospace의 솔루션은 대형 여객기인 보잉의 B787, 미군의 최첨단 전투기 F-15, F/A-18, F-22, F-35, 아파치 헬리콥터 등에 탑재되어 있다. 이 외에도 T-50, KT-1, KUH 등 국내 적용 사례도 들 수 있다.
 
  Parker Aerospace는 한국 항공기 개발사업 중 T-50, KT-1, KUH 개발에 함께 참여했다. 현재는 한국 차세대전 투기(KFX), 경공격 헬리콥터(LAH), 중형기(Commuter Airplane) 개발에 솔루션을 제공하려고 한다.
 
 도움 주신 분
 Parker Aerospace
 한국사업총괄매니저 David C. Kwon dkwon@parker.com
 파카하니핀코리아
 안윤희
 02-559-0423
 yhahn@parker.com
시뮬레이션으로 최적의 절삭 조건 설정하기
 사전검증으로 유비무환하다
유비무환(有備無患). 말 그대로 미리 준비하면 후에 근심이 없다는 뜻이다. 이를 가공에 적용하면 비(備)는 시뮬레이션이요, 환(患)은 가공불량이다.
 즉 가공에서 과부하로 공구가 파손되는 경우, 입력된 수치보다 더 깎이거나 덜 깎이는 경우 등 가공에 오류가 생기는 것을 막으려면 시뮬레이션으로 미리 검증해야 한다.
  항공부품을 가공할 때는 특히 가공불량이 발생하기 쉬워 시뮬레이션이 필수적이다.
  동시 5축, 틸팅 3+2축 가공이 적용되어 소재나 부품부, 홀더와의 충돌우려가 크기 때문이다.
  게다가 깎아야 하는 부품의 형상이 기하학 적인데다 주로 난삭재가 적용되는 점은 가공을 더 어렵게 만든다. 따라서 시뮬레이션으로 충돌을 예측하여 가공의 안정성을 확보해야 하는 것이다.
  항공부품을 가공하는데 가장 큰 문제는 과삭과 미삭이다. 현장에서 NC가공 장면을 보면 허공 운전을 하는 것을 종종 볼 수 있는데, 이러한 미삭 현상은 가공 효율을 낮추는 큰 이유다. 또 앞서 언급한 기계, 공구, 홀더, 소재 등과의 충돌 가능성과 과부하 때문에 공구 파손, 소재 손상의 위험도 높다.
 이 문제를 해결하기 위해서는 실제 가공과 동일한 시뮬레이션으로 충돌을 비롯하여 완벽한 가공을 방해하는 요인을 예측해야 한다.

여기에 적용될 수 있는 솔루션인 NCBrain 5x는 실제 NC Data를 구축된 데이터 베이 스로 시뮬레이션하여 최적의 절삭 조건을 가진 NC 데이터로 재 생성한다. 이로써 NC 가공이 이루어지는 24시간 동안 사고 없이 빠른 가공이 이루어진다.
  구체적으로 살펴보면 NCBrain 5x는 과부하 구간의 툴패스를 자동으로 추가 생성하여 공구 파손이나 품질 저하 등을 방지한다. 또 CAD 모델과 시뮬레이션 후의 NCBrain 5x 모델을 비교하여 앞서 언급한 허공 가공 구간을 삭제하고 과삭, 미삭 부를 체크하여 전체 가공 시간을 단축시킬수 있다.
  이로써 최적의 조건으로 가공이 이루어지 므로 전체 가공 시간은 줄고 가동률은 높아진다. 이것이 가능한 이유는 동시 5축/3축 최적화된 NC 데이터와 약 4,000 copy의 NCBrain 가공 데이터 베이스 때문이다. 실제 임펠러 가공에 적용될 경우, 이송 조절 만으로 15% 이상의 효율을 볼 수 있게 된다.
 
 NCBrain 5x 솔루션의 주요 산업분야는 항공부품 가공 분야에만 해당되는 것은 아니다. 이외에도 일반 부품, 금형 5축 가공 시뮬레이션 등 다양하게 적용될 수 있다.
 
 도움 주신 분
 장지원 주임
 032-681-9952
 jiwon@ncbrain.com
대형 항공부품 가공 측정 솔루션
 크기가 커도 빠르고 정밀하게
항공부품은 가공하기 어렵다. 항공기라는 특성상 높은 안전성이 요구되어 그만큼 정밀하게 가공해야 하기 때문이다. 실질적으 로는 난삭재가 적용되고, 형상이 복잡하고, 대형 부품이 많다는 점에서 가공이 어렵다.
  이에 아무리 좋은 소재와 기계와 공구로 가공해도 요구되는 정밀도를 보장하기 어렵다. 그래서 필요한 작업이 측정이다.
벌크헤드 측정하기
난삭재가 적용되고 형상이 복잡하고 대형인 대표적 부품, 벌크헤드를 예로 들어보자. 벌크헤드는 비행기 꼬리 부분에 들어가는 부품이다. 비행기가 고속으로 운행할 때 기내에는 이동 방향과 반대로 큰 압력이 작용 한다. 이 때 압력을 막아주는 역할을 하는 것이 벌크헤드다. 높은 압력에 견디도록 튼튼해야 하지만 경량화 문제로 얇고 가볍게 만들어야 하는 어려움이 있다.
  이처럼 벌크헤드는 가벼워야 하기 때문에 난삭재인 알루미늄 합금이 적용된다. 게다가 대형이기 때문에 가공 시간도 오래 걸리므로 가공 정밀도를 높이려면 좋은 장비, 공구 등을 적용해야 한다. 그리고 반드시 뒤따라야 하는 작업이 측정이다. 가공이 정밀하게 이루어졌 는지 측정 작업을 거쳐야 품질이 검증되기 때문이다. 이 작업은 더욱 엄격한 정밀도가 요구 되는 항공제조산업에 특히 중요하다.
대형 부품 측정 솔루션인 이유
대형 부품을 측정하려면 접촉식 측정기의 경우 그만큼 측정기의 크기도 커야 한다. 그러나 측정 구간이 길어도 빠른 속도와 높은 정밀도로 측정할 수 있어야 한다. 특히 대형 이면서 높은 가공정밀도가 요구되는 항공 부품 측정의 경우 더 엄격한 측정기의 스펙이 요구된다. 이에 대응할 수 있는 것이 DEA의 DELTA 갠트리형 3차원 측정기다.
  그렇다면 이 솔루션은 이러한 요구에 어떻게 대응할 수 있는 것인가?
 구조적 정밀도
 DELTA 갠트리 형 3차원 측정기는 모든 이송 축이 안정적인 3점식 지지 구조(Isostatic 3 point supports)로 설계되어 있기 때문에 정밀도와 안정적인 측정 작업이 가능하다. 또 Z축 지지 면적을 확장한저 중심 설계로 장비 내구성을 높여 대형 부품 측정에도 안정적이다.
  측정기의 소재 또한 측정 정밀도에 영향을 미치는데, 고강성이면서도 경량화 재질인 두랄루민으로 되어 있어 안정적 운영이 가능하다. 또 듀얼 드라이브 시스템(듀얼 모터, 스케일/리더), 고강성 타이밍 벨트 시스 템으로 긴 측정 구간 이동 시에도 진동 전달을 최소화한다. 이밖에 3축 고정밀 에어 베어링, DC 서보모터 장착으로 정밀한 축 움직임이 가능하다.
 온도 안정성
 사진에서 보듯 ACTIV Technology로 열에 의한 영향을 분석하고 측정 오차를 제로로 만든다. 즉 각 축에 ACTIV 온도센서가 내장되어 -16~26°C 온도 범위에서도 측정이 가능하다. 이로써 실시간으로 온도 보상 시스템이 구동되므로 온도 변화에 안정적이다. 또 온도 평형을 위한 Y축 자체 통풍 시스템이 장착되어 있다.
 측정 속도 최적화
 DELTA의 또 다른 특징은 프로브의 곡선이동(Fly Motion)이다. 프로 브가 직선, 직각 형태의 동선으로 이동하는 것이 아닌 곡선으로 매끄럽게 움직여 측정 경로를 최소화한다. 이처럼 유연한 동선으로 측정 속도가 30% 향상되어 대형 부품 측정에도 빠르게 대응할 수 있다. 그만큼 적은 움직임으로 측정 하기 때문에 장비 피로도가 최소화하여 장비 수명도 연장된다.
 
  항공기 부품과 같은 대형 부품을 측정할 때 정밀 3차원 측정기 외에도 레이저 측정기가 많이 쓰인다. 그 중 대표적 레이저 측정기로 Laser Tracker를 들 수 있다. 이는 12월에 게재될 조선/플랜트 특집에서 등장할 예정이다.
 
  도움 주신 분
 김성완 부장
 031-777-3478
 sw.kim@hexagonmetrology.com
금속을 대체하는 플라스틱
 플라스틱, 당구공에서 비행기까지
예전에는 당구공을 아프리카 코끼리의 상아로 만들었다. 당구공은 계속 만들어야 하는데 상아는 한정적이고, 결국 이를 대신할 소재가 필요하게 되었다. 그래서 만들어진 것이 바로 플라스틱이다.
  이렇게 당구공에서 시작한 플라스틱이 이제는 진화와 변화를 거쳐 항공 제조 분야에 까지 이르게 되었다. 그 소재가 바로 빅트렉스PEEK(Polyetherethere ketone), 즉 폴리에텔에텔 케톤이다.
꿩 대신 닭? 꿩을 능가하는 닭!
PEEK에 관심이 쏠리는 이유는 이것이 금속을 대체하는 플라스틱이기 때문이다. 항공산업에서 큰 화두는 자동차 산업분야와 마찬가지로 경량화를 통한 연비효율이다. 이 수요를 충족하는 소재가 바로 PEEK,그 중에서도 이번에 소개되는 것이 PEEK 90HMF40 폴리머다. 이 소재는 가벼우면 서도 혹독한 사용환경에서 강도, 인성, 치수 안정성, 내마모성, 내화학성 등을 유지할 수 있다.
  사실 이보다 더 중요한 것은 안전성이다. 지난 아시아나 비행기 사고에서 보듯 비행기 사고는 심각한 인적 물적 피해를 초래하기 때문에 안전성이 특히 엄격하게 고려되어야 한다.
  게다가 항공기는 높은 고도에서 온도, 압력, 수분 등에 견뎌야 하기 때문에 작은 부식이나 크랙에도 민감하다. 그만큼 항공기 부품은 혹독한 환경변화에도 초기의 기계적 강도와 내구성이 유지되어야 한다.
  PEEK 90HMF40 폴리머의 장점은 이러한 요구사항을 충족시킨다. 오랜 기간 사용해도 기본 고유의 물성이 변하지 않기 때문이다.
 즉 폴리머의 분자 구조가 첫 사출상태에서 변함 없이 오랜 기간 유지되며 이러한 물성을 유지하기 위한 별도의 화학적 관리가 필요하지 않다. 또한 빅트렉스 PEEK는 열 가소성 수지라서 사출 성형 후 재 사용이 가능하며 (recycling) 사출 뿐 아니라 여러 형태로 2차 가공이 가능한 친 환경적인 소재이다.
드레인 파이프에서 임펠러 블레이드까지
이러한 특성 때문에 PEEK 소재는 항공기 부품에 다양하게 적용된다. 보통 호스나 케이블을 잡아주는 클램프, 도어 핸들, 화장실에서 연결되는 드레인 파이프(Drain pipe), 짐칸 구조물의 프레임을 잡아주는 스탠오프 등 구조물에 쓰인다.
 또 랜딩기어에 들어가는 허브캡, 연료 탱크의 맨홀 뚜껑, 외부 소음을 차단하는 사운드 배리어(Sound barrier), 임펠러 블레이드등 적용 범위가 넓다.
  이처럼 기내 곳곳에 적용되기 때문에 다른 소재와 어떻게 조립될까 하는 것이 기술적으로 중요한 사안이 될 수 있다. 그 방법은 다양하다.
  프레임의 경우 조립하여 끼우는 방법, 다른 재질을 인서트하여 사출하는 방법이 있고, 드레인 파이프의 경우 초음파나 열로 접합 부를 녹여 연결하기도 한다. 이밖에 일반 금속과 조립할 경우 클램핑, 볼팅이 적용되기도 한다.
 
 금속을 대체하는 플라스틱의 적용범위는 무궁무진하다. 자동차, 항공, 전기전자, 의료, 에너지 등 전 산업분 야에 쓰인다. 이번 솔루션은 11월에 있을 전자/IT 산업 제조 솔루션에 등장이 예정되어 있다.
 
 도움 주신 분
 남궁성탁 지사장
 02-2182-1200
 stnam@victrex.com
FDM 파트로 제작된 NASA의 인간 부양 탐사 로봇 Rover
 혹독한 우주 환경에서 살아남기
우주 전문가가 일반인의 질문에 답하는 사이트인 에어로스페이스웹(www. aerospaceweb.org)에는 이런 질문이 있다. ‘인간이 맨몸으로 우주에 나가면 어떻게 될까?’ 답은 섬뜩하다. 1분 내외로 코와 입이 얼어붙고 몸 속 수분이 증발해 혈액순환이 멈춘단다. 그래도(?) 10초 정도는 의식이 있다고 한다.
  이처럼 지구 밖 공간은 매우 혹독한 환경이다. 특히 이처럼 낯선 환경과 지형의 행성에서 오랜 시간 머물며 탐사활동을 하려면 탐사로봇이 필요하다. 이에 미국항공우주국 (NASA)은 화성 탐사를 위한 인간 부양 탐사 로봇을 만들었다. 여기서 주목할 점은 탐사 로봇을 구성하는 약 70개의 부품을 Stratasys의 FDM 방식(3D 프린터)로 제작 했다는 것이다.
단순 시제품 제작에서 이제는 우주로
FDM(Fused Deposition Modeling)는 3D 프린터에서 입력된 설계도를 바탕으로 플라 스틱을 녹여 적층하여 만드는 방식이다. 제작방식이 간단하기 때문에 디자인 변경에도 쉽게 대응 가능하고 복잡한 전자 조립품을 위한 맞춤형 하우징 설계에 빠른 회전율을 제공한다.
  이러한 특징 때문에 항공산업에서 소량으로 맞춤형 부품을 소량으로 만들어야 하는데 재고가 없을 때, 복잡하고 기하학적인 형상의 부품을 가공해야 할 때 유용하게 쓸수 있다. 또 우주라는 혹독한 환경에서 부품이 제 기능을 발휘하려면 강성, 내구성, 내마모성 등이 뛰어나야 하는데 이 문제에도 대응 가능하다.
  Stratasys의 FDM 방식은 특허 받은 기술로 가볍고 강도 높은 열가소성플라스틱을 사용하는 유일한 3D 프린터다. 때문에 폴리 카보네이트(polycarbonate) 등 엔지니어링 플라스틱에 속하는 소재들을 사용하여 복잡한 형상뿐 아니라 가벼우면서도 강성이나 내구성이 뛰어난 부품을 만들 수 있다.
  이에 나사는 NASA는 3D 프린터를 사용하여 탐사 로봇의 환기구, 하우징, 카메라 마운트, 대형 포드 문, 앞 범퍼 기능의 파트, 맞춤형 픽스처 등 약 70개에 이르는 부품을 제작했다. 이로써 원하는 강도를 가지면서도 가벼운 무게의 부품으로 탐사 로봇을 만들수 있었다.
 
 미국 컨설팅 업체 홀러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)에 의하면 2021년 3D 프린터 세계시장규모가 2012년 실적 대비 약 5배인 108억 달러(약 12조 400억원)에 달할 것이라고 전망했다. 이처럼 시장 규모와 기술이 발달하면 언젠가 부품이 아니라 전체를 3D 프린터 기술로 만든 탐사 로봇이 나오지 않을까?
 
 도움 주신 분
 최지윤 대리
 02-6675-4110
 amy_choi@prototech.co.kr
지멘스 PLM 소프트웨어로 만든 무인화성탐사선
 큐리오시티가 찾은 것? 큐리오시티에서 찾은 것!
우주. 더 이상 과학 상상화(想像畵)의 소재가 아니다. 이미 현실화(現實化)의 소재이자 무대다. 그러나 어떤 방식으로 접근해야 할지, 어떤 이익이 보장되어 있는지 미지 수다. 때문에 관련 제품을 개발하는 데 더많은 시행착오와 시간적, 경제적 투자가 필요하다.
  이러한 상황에서 항공우주분야 제조업체가 지속 가능한 수익과 성장을 실현하려면 설계에서 제조까지 체계적으로 관리하는 프로그램이 필요하다. 이로써 설계와 개발의 동기화, 개발주기와 제조기간 단축, 생산 일정에 맞는 공급망 조정이라는 효과를 얻어 효율적으로 제조할 수 있기 때문이다.
  이를 가능케 하는 솔루션이 바로 지멘스의 PLM(Product Lifecycle Management: 제품수명주기관리) 소프트웨어다.
  지멘스의 우주항공 분야의 프로세스 혁신은 다음과 같다.
 - 가치 체인 전반에 걸쳐 지식과 모범 사례를 원활하고 안전하게 공유
 - 새로운 제품군을 만드는데 활용할 수 있는 모범 사례와 교훈 수집
 - 복잡한 우주항공 플랫폼을 정의하고 설계자, 개발자, 제조 엔지니어링, 서비스/지원 팀의 글로벌 가상 네트워크를 동기화하는데 사용되는 데이터와 3D 이미지의 단일 마스터 소스 설정
 이는 다른 제조분야에 비해 경험이나 노하 우가 부족한 우주산업분야에서 효율적 제조를 가능하게 한다. 작업의 흐름과 관리를 원활하게 할뿐만 아니라 그 과정에서 다양한 가능성과 위험성을 동시에 고려하여 작업의 신뢰도를 높일 수 있기 때문이다. 여기 실제로 항공우주분야에 지멘스 PLM 소프트웨어 솔루션이 적용된 사례가 있다. 그것은 바로 ‘큐리오시티(Curiosity)’다.
큐리오시티가 성공할 수 있었던 이유
큐리오시티가 성공할 수 있었던 것은 발사에서 우주 항행, 화성 진입, 착륙 후 활동까지 지구에서 겪을 수 없는 극단적인 환경에서 견디도록 완벽히 만들어졌기 때문이다. 큐리오시티를 설계한 NASA의 JPL(Jet Propulsion Laboratory: 제트추진연구소)은 실제 프로토타입을 만들기에 앞서, 설계 부터 조립까지의 개발 과정은 물론 착륙 후활동 시뮬레이션까지 모든 작업에 지멘스의 PLM 소프트웨어를 사용했다.
 이 솔루션의 가장 큰 특징은 설계부터 엔지 니어링, 시뮬레이션, 실험, 조립, 출시의 모든 과정을 통합하는 종합적 포트폴리오다.
 즉 이러한 통합 환경으로 흩어진 기능을 동기화하며, 기술적 위험 요소나 어셈블리 과정에서 위험 요소를 줄임으로써 성공률을 높일 수 있었던 것이다. 또 설계와 엔지니어링 데이터의 습득과 보존이 특징인 통합 환경은 향후 우주분야 설계 작업에서 가격 경쟁력을 높여 어셈블리에서 출시까지의 기간을 대폭 단축시킨다는 장점도 있다.
  이밖에 우주항공산업에서 지멘스 PLM 소프트웨어를 적용한 경우는 많다. 그 중 미국 로켓 개발 전문기업 SpaceX에서 진행된 국제우주정거장과 최초의 상업 우주선의 도킹 성공사례를 들 수 있다. 또 9개의 국가에서 동시 설계하는 최첨단 항공기 설계, 개발 정보를 효율적으로 동기화하여 국제적인 협력을 실현시키기도 했다.
제 2의 나로호, KSLV-Ⅱ 발사를 위한 제어계측 솔루션
 나로호, 그 후
한국형 발사체 나로호와 KSLV-Ⅱ 나로호(KSLV-Ⅰ)는 한국항공우주연구원(이하 항우연)에서 만든 한국 최초의 우주 발사체다. 나로호 발사 성공으로 국내 발사체 기술수준이 한층 더 성장했다. 실제로 한국 연구재단의 ‘한국형발사체 상세기획연구, 국내 기술수준 향상도 분석’에 의하면 나로호 개발로 국내 발사체 기술 수준이 선진국 대비 46.3%에서 83.4%로 향상되었다고 한다.
  이러한 성공 경험을 바탕으로 현재 제 2의 나로호인 한국형 발사체 KSLV-Ⅱ 개발이 이루어지고 있다. 말 그대로 순수 국내기술을 바탕으로 만들어지는 발사체다. 발사 일정은 원래 2021년 이었으나 계획을 앞당겨 2019년 발사를 목표로 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 발사체 시운전 테스트를 위해 시험동 건설 계획을 세우는 중이다.
항공우주산업의 자동화?
항공우주산업에서 자동화가 적용된 범위는 5~10%에 불과하다. 특히 항공우주산업은 그 기술적 산업적 파급력만큼 안전성이 중요하기 때문에 자동화하기 어려운 부분이 많다.
  그럼에도 불구하고 항공우주산업의 자동화를 언급하는 이유는 제조업의 제어계측 솔루션이 위성 발사체인 KSLV-Ⅱ에 도입된 것은 처음이기 때문이다. 안전성이 엄격하여 자동화 비중이 낮음에도 불구하고 자동화 솔루션이 도입되었다는 것은 그만큼 기술에 대한 신뢰성이 입증되었다는 반증이기 때문에 솔루션으로서 소개하는 것이다.
KSLV-Ⅱ에 적용되는 자동화 솔루션
KSLV-Ⅱ에 적용된 제어솔루션은 로크웰 오토메이션의 제어시스템 및 제어시스템과 계측기기간의 통신을 포함한다. 현재 KSLV-Ⅱ의 시험발사를 위한 개발에 참여하여 전체 시험동의 제어부분을 위해 분산제어시스템 (DCS : Distributed Control System) 즉 제어 하드웨어 및 소프트웨어를 납품하고 엔지니어링, 시운전까지 모두 완료할 예정이다.
  솔루션이 적용되는 범위는 발사 전까지의 제어 및 제어-계측 간 통신에 관련된 부분이다.
  최종 발사가 이루어지기 전까지는 7차에 이르는 시험 설비가 필요한데, 지금까지 1차인 CCTF(연소기 연소시험 설비), 2차인 TPTF (터보 펌프실 매질시험 설비) 시험설비 단계, 3차인 UETF(Upper Engine Test Facility, 3단엔진시험설비) 단계에 적용이 확정되었다. 여기에 로크웰 오토메이션의 제어 컨트롤러 제품을 비롯하여 관련 소프 트웨어 등 제어부분을 위한 제어 솔루션이 적용되었다.
 이 솔루션은 구체적으로 ControlLogix 이중화(CPU 이중화), ControlNet (네트워크) 이중화, Power Supply 이중화로 안전 성을 위한 요건을 갖췄으며, 네트워크 이중 화를 위한 DLR 기능을 갖춘 산업용 네트워크 스위치인 Stratix 8300, 8000가 적용되 었다. 또 FactoryTalk Server & Client 2중 화, Historian, AssetCentre, FactoryTalk Processbook reporting 기능을 포함하 고, 시간 동기화 모듈(1756-TPtime)까지 제공한다.
 이 솔루션들은 발사체에 들어가는 각각의 설비 제어 외에도 전반적인 작업효율을 높이는 데 기여하게 된다.
 
  이번 기사에 소개되지 못한 KSLV-Ⅱ에 대한 자세한 내용은 다음 호에서 후속보도 될 예정이다.
 
  도움 주신 분
 로크웰 오토메이션 김유리 과장
 02-2188-4434 yrkim@ra.rockwell.com
 김태형 차장 02-2188-4518 tkim@ra.rockwell.com
 한국항공우주연구원 소윤석 연구원
 삼성테크윈 조선중 대리

 
TAG :  제조솔루션특집  항공우주
 
 
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