물질에 대한 비전

퍼듀대, 복합소재 분야의 난제 해결 위해 새로운 연구센터 개소

Tony Velocci
15 June 2021

수년간 미국 퍼듀대학교(Purdue University)의 복합물 제조 시뮬레이션 센터 (Composites Manufacturing Simulation Center)에는 첨단 복합소재의 개발과 제조에 좌절을 겪고 있는 기업의 연구원들이 모여 들었습니다. 그리고 이 센터의 새로운 자매 연구소인 첨단 복합물3DEXPERIENCE 교육 센터(3DEXPERIENCE Education Center of Excellence in Advanced Composites)가 연구자들을 한층 더 매료시키고 있습니다.

항바이러스 백신에서 탄소 감축에 이르기까지 기술의 한계를 넘어서고자 분투하는 연구원들은 전 세계 어디에나 있으며, 많은 연구소들이 복잡한 문제를 해결하는 데 주력하고 있습니다. 다른 한편, 퍼듀대학교에서는 새로운 학술-산업 파트너십을 맺고 다른 여러 문제들을 해결하는 핵심 방안을 제공할 수 있는 과제에 집중하고 있습니다. 바로 고성능 복합물의 생산을 가속화하면서 그 비용을 절감하는 과제입니다.

  1. 바이런 파이프(Byron Pipes), 미국 인디애나 제조 연구소(The Indiana Manufacturing Institute) 이사이자 당 연구소의 복합물 제조 시뮬레이션 센터(Composites Manufacturing Simulation Center) 전무이사 겸 새로운 3DEXPERIENCE 교육 센터(3DEXPERIENCE Education Center) 이사

고강도 대비 저중량의 탁월한 비율을 갖춘 복합물은 기후 변화 문제의 해결을 지원하는 수많은 친환경 기술을 구현하는 데 가장 중요합니다. 예컨대, 탄소가 전혀 발생하지 않는 전기 비행기와 전기차는 배터리나 태양 에너지, 수소로 구동해 적정 거리를 이동할 정도로 가벼우면서도, 안전성과 내구성을 갖출만큼 강도가 있어야 합니다. 이러한 요건은 풍력 터빈과 같은 재생 에너지 애플리케이션에도 동일하게 적용됩니다. 약간의 바람에도 움직일 만큼 가벼우면서도, 큰 돌풍에 견딜 수 있을 만큼 강해야 합니다.

하지만 복잡한 섬유층과 수지층이 있는 복합물은 제조하는 데 비용이 많이 들고, 규제가 엄격한 산업 분야일 경우 인증에만 몇 년이 걸리는 등 기술적 문제들이 산재해 있습니다.

퍼듀대학교 공식 헌정 기관인 이 첨단 복합물 3DEXPERIENCE 교육 센터는 연구원들이 이러한 문제를 해결하도록 지원하기 위해 설립됐습니다.

미국 인디애나 제조 연구소(The Indiana Manufacturing Institute) 이사이자 당 연구소의 복합물 제조 시뮬레이션 센터(Composites Manufacturing Simulation Center) 전무이사 겸 새로운 3DEXPERIENCE 교육 센터(3DEXPERIENCE Education Center) 이사인 R. 바이런 파이프(R. Byron Pipes)는 "전 세계 어디에도 이와 같은 연구 및 교육 시설은 찾아보기 어렵습니다”라며, “여기에 모인 전문가와 학자들의 팀은 세계 최고입니다"라고 강조했습니다.

보는 것이 믿는

이 센터는 퍼듀대학교와 다쏘시스템이 쌓아 온 오랜 파트너십의 최신 결정체이며, 보잉(Boeing), 록히드 마틴(Lockheed Martin), 폭스바겐(Volkswagen) 등 업계 후원사로부터 지원을 받고 있습니다. "퍼듀는 다쏘시스템과 8년간 협력해 왔으며, 새로운 센터의 설립으로 이러한 협력 관계를 한층 더 높은 수준으로 끌어 올리게 됐습니다”라고 파이프는 전합니다.

이 센터는 미국 최대의 대학 연계 기술 인큐베이션 단지인 인디애나주 웨스트 라파예트의 퍼듀 리서치 파크에 위치하고 있습니다. 설립위원들은 디지털 및 가상 기술을 시연하여 센터의 헌정식을 축하했습니다. 이 기술들을 통해 과학자와 엔지니어들은 첨단 복합물을 위한 지속가능한 혁신과 최첨단 제조 기법을 상상해 낼 수 있게 됩니다.

파이프는 설명합니다. "들리는 것처럼 쉬운 일은 아닙니다. 엄청난 단계에 접어들게 될 것입니다. 과거 경험에 기반한 지식에 따라 첨단 복합물로 제작한 제품의 성능을 제조 공정과 더불어 시뮬레이션할 것입니다.”

"새로운 제조 기법과 통합 디지털 기술을 활용하면 첨단 복합물을 만드는 데 드는 시간을 50%까지 단축할 수 있을 것입니다.”

R. 바이런 파이프 이사, 첨단 복합물 3DEXPERIENCE 교육 센터

복합물과 그 움직임을 더 잘 이해하고, 3D 가상 모델링 및 시뮬레이션을 문제에 적용해 새로운 발견의 속도를 높이는 것 등이 센터의 목표에 속합니다. 연구를 원활하게 진행하기 위해 모델링과 시뮬레이션은 3DEXPERIENCE 플랫폼에서 진행됩니다. 이 플랫폼은 3D 모델링과 시뮬레이션에 사용된 모든 프로세스와 데이터를 관리하며, 연구자들의 협업을 촉진하고, 작업의 전체 기록을 보관하며, 남아 있는 업무를 모두 추적합니다.

"우리는 복합물 제조와 제품 성능의 디지털 스레드, 즉, 수명주기 전체에 걸친 제품이나 프로세스의 디지털 기록이 포함된 이 플랫폼을 사용하고 지지하게 될 것입니다. 대부분의 실험실은 제조 시뮬레이션을 사용하지 않았습니다. 오직 제품 성능만 테스트했을 뿐입니다.”

교육적 발전

실제로 이 센터는 현재 은퇴한 보잉의 전 CTO(Chief Technology Officer) 존 트레이시(John Tracy)가 2003년 발표한 비전을 그대로 보여준다고 파이프는 설명합니다. 2003년은 보잉이 세계 최초의 완전 복합소재 여객기인 787 드림라이너(Dreamliner)를 제작한다고 결정했던 시점입니다. 트레이시와 그 동료들은 완전 복합소재 비행기의 기술적 문제들을 인식하고 있었고, 이를 해결하려면 디지털 설계와 개발 기술뿐만 아니라 완전히 새로운 엔지니어링 역량이 필요하다는 점을 이해했습니다.

센터의 또 다른 목표는 현재와 미래의 과학자와 엔지니어들이 현업에서 모델링과 시뮬레이션을 최대한 활용할 수 있게 교육하는 것입니다.

"언제나 인재 개발은 우리가 사회에 공헌하는 주요한 일 중 하나였습니다. 실험실에서 얻은 정보를 교실로 직접 가져오는 것, 이는 지식을 전달하는 가장 빠른 방법이기에 학생들은 바로 활용할 수 있습니다.”

헥셀(Hexcel)이 가장 주력하는 일은 탄소 섬유 프리프레그 제조(상단 이미지)와 처리에 대해 디지털 기록을 만드는 것입니다. 또한, 퍼듀대학교 첨단 복합물 3DEXPERIENCE 교육 센터와 협력해 헥셀의 새로운 열가소성 복합물을 위한 사전검증 데이터를 개발하고 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 이 물질을 신제품에 통합하고 제조하는 방법을 시뮬레이션할 수 있게 됩니다. (Image © Hexcel)

트레이시의 비전을 파이프가 질문으로 바꿔 설명합니다. 디지털 트윈이 물리적 세계에 존재하거나 만들어질 제품 또는 시스템, 프로세스를 과학적으로 정확하게 가상으로 복제한다면, 복합소재 제품을 만드는 데 필요한 복잡한 엔지니어링 프로세스도 복제할 수 있을까요? 만약 그렇다면 엔지니어가 디지털 트윈(데이터가 동적 3D 모델로 디스플레이되므로 가상 트윈이라고도 함)을 사용해 제품 개발을 가속화할 뿐만 아니라 개발 비용을 줄이는 것도 가능할까요?

파이프가 다시 답합니다. "바로 여기서 센터가 등장합니다. 퍼듀에서 센터는 이러한 일을 할 사람들을 훈련시키고 그 일에 필요한 지식을 개발합니다. 이 지식은 첨단 복합물 시스템 제조에서 해결하지 못한 문제를 풀고자 디지털 기술을 적용할 때 얻게 됩니다. 디지털 트윈을 검증하는 작업은 정말 어렵습니다. 그러나 새로운 제조 기법과 통합 디지털 기술을 활용하면 이러한 과제를 해결하고 첨단 복합물을 만드는 데 드는 시간을 50%까지 단축할 수 있을 것입니다.”

파이프는 제조업체들이 첨단 복합물로 인한 기술적 문제를 해결하고, 이를 해결하는 데 필요한 지원을 받는 공간을 센터가 제공하는 것이라고 말합니다. 모든 프로젝트의 디지털 스레드를 완벽하게 유지하는 이 플랫폼의 역량을 활용해 사람들이 ‘이유’와 ‘방법’에 대해 기본적으로 이해하도록 도울 수 있다고 강조합니다.

목표를 향해(EYES ON PRIZE)

센터의 첫 번째 연구 과제는 탄소섬유 보강재 및 수지 시스템 분야를 이끄는 생산업체인 헥셀(Hexcel)이 제안했습니다. 기존의 상업 및 방위항공우주 플랫폼과 함께 도심항공교통(Urban Air Mobility) 및 무인항공시스템(Unmanned Aerial Systems) 시장으로 진출을 확장할 수 있도록 새로운 열가소성 복합물을 개발해야 했습니다. 헥셀의 목표는 새로운 복합물에 대한 디지털 데이터 세트를 만들고, 헥셀의 재료를 이용해 구조 설계에 필요한 모든 정보를 개발 및 문서화한 다음, 이 구조를 가상으로 분석하는 것이었습니다.

헥셀의 비즈니스 개발 이사인 밥 얀시(Bob Yancey)는 강조합니다. "신소재 시스템에 대한 데이터를 사전 검증하는 역량은 새로운 시장에 진출하거나 기존 시장을 확장하는 데 중요합니다. 설계자가 새로운 소재와 재료 형태, 제조 공정을 가상으로 시험할 수 있게 해 새로운 시스템의 혁신을 가속화할 수 있습니다.”

"설계자가 새로운 소재와 재료 형태, 제조 공정을 가상으로 시험할 수 있게 해 새로운 시스템의 혁신을 가속화할 수 있습니다 "

밥 얀시(Bob Yancey) 비즈니스 개발 이사, 헥셀

열가소성 플라스틱은 현재 복합물 시장에서 극히 일부에 불과해 엄청난 시장 잠재력이 예상됩니다. "헥셀은 새로운 열가소성 복합소재를 원하는 모든 고객들에게 디지털 데이터 세트를 제공하고자 합니다. 이를 통해 고객들은 자신있게 가상으로 구조를 설계하고 제조 공정을 개발할 수 있을 것입니다”라고 얀시는 설명했습니다.

헥셀과 같은 프로젝트는 파이프가 앞으로 필요해진다고 강조했던 사항들을 이미 포함하고 있습니다.

"성공을 향한 저의 비전은 모든 공급망 구성원이 이 사업에 적극적으로 참여하도록 하고, 디지털 기술을 사용하는 방법과 디지털 스레드의 중요성을 교육하는 것입니다. 그 기회는 바로 플랫폼이 결정할 것입니다."

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