복합 재료 수요

응용 분야가 증가함에 따라 연구자들은 복합 부품을 생산하는보다 빠른 방법을 모색합니다

Tony Velocci
16 December 2018

복합재료(composite)가 세상에 처음 소개된 지 60년이 지났습니다. 엄청난 무게 대비 강도와 높은 열저항성, 부식이 잘 안되는 특성 덕분에 고성능 재질로 여겨지고 있습니다. 항공우주 및 자동차 OEM 산업 모두 대량 생산 문제에 초점을 맞추고 있는 반면, 연구원들은 고성능 복합재료들을 생산하고 인증 받기 위해 고군분투하고 있습니다.

이미 수십 년 동안 항공우주 산업은 높은 강도와 낮은 무게를 가진 복합 재료의 가치를 인정해 왔으며, 복합재료는 실제 항공기의 연료 효율을 높이는 데 도움이 되었습니다. 하지만 복합재료의 공급량이 우주항공 산업만에서도 수요를 따라가지 못하고 있는 가운데, 전기차의 무게를 낮추기 위해 자동차 산업에서도 복합재료의 수요가 높아짐에 따라 생산 속도의 문제가 더 심각해지고 있는 상황입니다.

이에 따라, 두 산업 모두 목표 달성에 있어 큰 걸림돌에 직면했습니다. 다른 재료들에 비해 복합 재료는 제조에 상대적으로 오랜 시간이 소요되며, 규제 기관에서 인증 받는 데는 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다.

예를 들어, 대량생산 구조의 자동차 제조 환경에서는 부품당 2-3분 정도만 걸려도 업계의 높은 생산속도를 맞추기에 너무 긴 소요시간으로 여겨집니다. 하지만, 탄소 섬유 날개와 동체를 갖춘 보잉 787 항공기의 인증에는 물리적 프로토타입에 대한 테스트에만 수만 시간이 필요하기 때문에 상당한 개발 시간과 비용이 추가된 바 있습니다.

이 모든 상황은 복합재료 연구자들에게 해결책을 찾으라는 압박으로 이어집니다.

인디애나 제조 연구소(CMSC)의 복합 제조 시뮬레이션 센터의 Byron Pipes 전무이사는 "복합재료의 수요를 만족시키려면, 기술 개발 시간을 더 단축해야 합니다.”라고 말합니다.

Pipes는 이러한 목표를 달성하기 위해서 새로운 고급 복합재료들의 설계 및 분석, 제조 및 규제 승인 등 일련의 과정에서 발생하는 복잡성을 줄여야 한다고 강조합니다.

왜 복합재료의 시뮬레이션이 그렇게 중요할까요? 검증된 시뮬레이션 정확성을 통해 제조업체와 규제 기관은 물리적 테스트 없이 고성능 복합 재료로 만든 제품을 신뢰할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과(왼쪽)는 실제 제작된 부품에서 측정한 CT 스캔(오른쪽)과 거의 동일한 탄성 성능을 측정해냈습니다.

산업을 망라한 정보 공유

복합재료 제조를 가속화하고 비용을 절감하기 위한 해결책은 서로의 발전에 기반을 둔 산업들 사이에서 찾아질 수 있다고 Pipes는 말했습니다.

예를 들어, 복합재료 구조물의 사용은 과학자들이 복합재료로 만들어진 비행기 부품을 만들기 위한 프로세스 및 절차, 엔지니어링 원칙 등을 연구하기 시작하면서 항공우주 분야에서 먼저 시작되었습니다. 수십 년 후, 동체와 날개를 포함한 비행에 중요한 기본 구조에 이 재료들을 사용하기 시작했습니다.

한편, 가벼운 무게와 독특한 스타일이 중요한 레저 용품과 자동차 제조업체들은 알루미늄으로는 달성할 수 없는 분야에서 금속을 대체하기 위해 복합재료들을 천천히 채택했습니다. 이 업계에서는 소음과 진동을 줄이고, 동시에 제품 디자인을 차별화하기 위해 항공우주 산업의 기술을 도입하여 복합재료를 사용하게 되었습니다.

”우리는 복합재료 구조물의 정확한 고속 충돌 예측에 가까워지고 있으며, 빠른 로봇 공학과 빠른 처리 재생을 통해 광섬유 구성요소를 지속적으로 생산하기 위해 분당 1개라는 놀라운 속도에 가까워지고 있습니다."

DALE BROSIUS
미국 고급 복합재료 제조 혁신 연구소(IACMI)의 최고 상용화 책임자

영국 브리스톨에 위치한 국립 복합재료 센터의 Peter Chivers 센터장은 2012년 이후 자동차 업계는 각 복합재료 기반 자동차와 트럭의 생산 주기를 약 8시간에서 단 몇 분으로 단축했으며 생산 비용을 거의 25% 가까이 절감했다고 말했습니다. 그러나 자동차 산업에서 수익성을 위한 규모의 경제를 달성하기 위해서는 2012년 수준에서 25% 이상 더 깎아야 한다고 그는 덧붙였습니다.

한편, 산업간 학습교류가 본격화되고 있습니다. 상당한 양의 복합재료 부품을 포함한 12,000대 이상의 승객 및 화물 항공기의 주문이 밀려 있는 보잉과 에어버스는 고급 복합재료 구조물들의 제작 및 인증의 속도를 높이기 위해 자동차 산업의 공정을 도입했습니다.

Pipes는 "항공우주산업은 자동차 및 레저용품 업계에서 개발된 방법들을 동일한 속도와 신뢰도로 활용할 수 있을까요?"라고 물으며, "저는 그 답이 '그렇다'라고 생각"한다고 답했습니다.

Chivers도 이에 동감합니다. "향후 5년 안에 여러분은 복합 재료의 사용률이 여러 산업, 특히 자동차 산업에서 크게 증가하는 것을 보게 될 것입니다."

자동차 B-필러에 대한 이 컴퓨터 분석은 부품의 생산 가능성을, 파란색은 우수한 제조 가능성, 노란색은 의심스러운 부분, 빨간색은 재설계 영역을 나타냅니다. 노란색 모양은 부품의 주형에 맞도록 평평한 합성 재료를 절단하는 패턴입니다. (이미지 © Dassault Systèmes)

시뮬레이션의 힘

Pipes는 업계가 혁신하는 것만큼 규제 당국도 새로운 복합재료 인증을 위해 이미 정확성이 입증된 강력한 컴퓨터 시뮬레이션 및 분석 방식을 수용하는 등 자신의 역할에 충실해야 한다고 강조합니다.

Pipes가 석좌교수로 재직중인 미국 퍼듀 공과대학의 연구원들은 복합 재료에 대한 가상 공장 허브인 Work Flow Apps를 개발하고 있습니다. 이 앱을 통해 엔지니어들은 특정 애플리케이션의 특정 복합 재료가 제품 설계자가 의도한 대로 정확하게 작동하는지 시뮬레이션할 수 있습니다.

Work Flow Apps는 베타 테스트를 위해 거의 준비되었습니다. 안전한 클라우드 기반 플랫폼을 통해 서비스가 제공되므로, OEM, 공급업체 및 파트너로 구성된 관계자 모두가 웹 브라우저를 통해 간단히 접속할 수 있습니다. Pipes는 이것이 모든 관련 공급 업체간 상호교류를 용이하게 만들고, 복합재료 설계를 위한 협업 및 인증 획득을 위한 필수 환경이기 때문에 반드시 필요하다고 말합니다.

퍼듀 대학과CMSC는 여러 복합재료 시뮬레이션 소프트웨어 공급업체와 협력하여 고율(high-rate) 시뮬레이션 방법을 개발하고 있습니다. 이 개발의 목표는 엔지니어들이 충돌 시뮬레이션을 포함하여 12개의 개별 제조 프로세스들을 시뮬레이션 해보고, 특정 복합재료가 실제 환경에서 어떻게 작동할지 정확하게 예측할 수 있도록 하는 것입니다.

입증된 시뮬레이션 정확도는 제조업체와 규제 기관이 물리적 테스트 없이도 고성능 복합 재료로 만들어진 제품에 대한 안전성과 신뢰성을 보장하는데 기여할 수 있다고 Pipes는 말했습니다.

Airbus와 Bombardier의 제휴로 생산된 A220 상용 제트기의 오른쪽 날개가 아일랜드 벨파스트 공장에서 최종 조립을 거치고 있습니다. 이 항공기는 본체의 30% 이상이 진보된 복합 소재로 제작됩니다(이미지 © C Series Aircraft Limited Partners).

자동차 산업의 엄청난 가능성

미국 고급 복합재료 제조 혁신 연구소(IACMI)의 최고 상용화 책임자 Dale Brosius는 소비자 수요가 휘발유 자동차에서 전기 자동차로 이동함에 따라 자동차 산업에서 새로운 기술에 대한 학습 열풍이 불고 있다고 말합니다.

"우리는 재료 개발, 제조 공정, 모델링 및 시뮬레이션 도구를 동시에 이해해야 합니다."라고 Brosius는 말했습니다. 그는 또한 연구원들도 이제는 변화해야 할 때라고 믿고 있습니다.

"여러분은 앞으로 5년 안에 다양한 산업에서, 특히 자동차 산업에서, 복합재료 사용이 매우 증가하는 것을 보게 될 것입니다.”

PETER CHIVERS
영국 국립 복합재료 센터, 센터장

"한 주기를 얼마나 더 짧게 할 수 있느냐가 문제가 아니라 어떻게 하면 효과적으로 비용을 절감할 수 있느냐가 문제입니다."라고 그는 말했습니다. ”우리는 복합재료 구조물의 정확한 고속 충돌 예측에 가까워지고 있으며, 빠른 로봇 공학과 빠른 처리 재생을 통해 광섬유 구성요소를 지속적으로 생산하기 위해 분당 1개라는 놀라운 속도에 가까워지고 있습니다."

또한, 연구진은 고온의 탄소로 채워진 열가소성 플라스틱을 사용하여 고압 몰딩 프로세스로 시제품을 만드는 등 보다 강한 3D 프린팅 구조물을 만드는 방법 등을 배우고 있다고 그는 말했습니다.

미래로 향하는 문

전문가들은 2020년대 초까지는 고성능 복합 재료가 현재의 상태에서 훨씬 더 발전하여, 기술적으로도 경제적으로도 실현 가능해질 것이라는 점에 강력하게 동의하고 있습니다.

“엄청난 기회입니다.” Chivers는 "더 많은 사람들이 복합재료를 사용하는 것이 더 혁신적인 제품을 갈망하는 전세계 수요를 충족시키는 해결책이라고 믿기 때문입니다.”라고 설명했습니다.

이러한 제품들은 자동차 및 항공기 제조기업 뿐만 아니라 레저 용품과 지속 가능한 에너지 생산에서도 나올 수 있습니다. 고급 복합재료는 자동차 및 항공우주 분야에서 경량급 용도로 그 가치를 입증했지만, 또한 복잡한 모양과 자전거, 골프채, 라크로스 스틱 등 금속으로는 불가능한 고급 스타일을 가진 제품에도 적용됩니다. 고급 복합 재료는 또한 자동차, 비행기 및 풍력 터빈에 중요한 특성인 소음과 진동을 줄여줍니다.

자동차 및 항공우주 기업의 높은 생산 수요를 충족하기 위해, 고급 복합 재료 제조 혁신 연구소의 엔지니어들은 복합 부품 제조를 가속화하기 위한 새로운 방법을 연구하고 있습니다(이미지 © Composites Manufacturing and Simulation Center, Purdue University).

이러한 애플리케이션을 모두 구현하기 위해서는 시뮬레이션이 복합재료 및 기타 기술 발전에도 매우 중요한 역할을 할 것이라고 Pipes는 말합니다.

"시뮬레이션은 시뮬레이션 기술을 사용하는 엔지니어들의 커뮤니티에서 축적된 집합적 지식들을 기반으로 혁신의 언어가 될 것입니다. 이것이 바로 미래의 모습입니다." 

자동차 및 항공우주 기업의 높은 생산 수요를 충족하기 위해, 고급 복합 재료 제조 혁신 연구소의 엔지니어들은 복합 부품 제조를 가속화하기 위한 새로운 방법을 연구하고 있습니다(이미지 © Composites Manufacturing and Simulation Center, Purdue University).

복합재료에 대한 고급 시뮬레이션 기술에 대해 더 알고 싶으시다면, 다음 웹사이트를 방문하여 주십시오: go.3ds.com/lyk

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