항공우주 구조 부품의 탄소 발자국 감소
향후 10년 동안 항공우주 제조업체가 직면한 과제는 가능한 모든 방법으로 항공기의 전체 수명 주기에서 온실 가스 배출을 줄이는 것입니다. 영국 AMRC(Advanced Manufacturing Research Center)의 스튜어트 도슨(Stuart Dawson)은 "육상 기반 운송의 탈탄소화가 상당히 빠르게 진행될 것이기 때문에 항공우주 산업은 실제로 주목을 받을 것"이라고 예측했다.향후 10년 동안 항공우주 제조업체가 직면한 과제는 가능한 모든 방법으로 항공기의 전체 수명 주기에서 온실 가스 배출을 줄이는 것입니다.
영국 AMRC(Advanced Manufacturing Research Center)의 스튜어트 도슨(Stuart Dawson)은 "육상 기반 운송의 탈탄소화가 상당히 빠르게 진행될 것이기 때문에 항공우주 산업은 실제로 주목을 받을 것"이라고 예측했다.
영국 항공우주 제조업체의 무역 기구인 ADS는 항공 교통량이 증가하고 자동차와 트럭의 배기 가스가 급격히 감소함에 따라 항공 우주 산업이 2050년까지 공해를 가장 많이 유발하는 운송 부문이 될 것으로 예상했습니다.
항공 구조 부품 제조와 관련하여 수명 주기 배출을 줄이면 솔리드 블록에서 부품을 밀링하는 작업이 중단될 수 있으며 결국 소위 "순환 공장"으로의 전환을 의미합니다.

항공우주 제조업체와 공급 업체는 역사적으로 공장 내 에너지 사용에 초점을 맞춰 배출량을 줄이려고 노력해 왔습니다. 그러나 작년에 High Value Manufacturing Catapult가 수행한 상세한 수명 주기 분석에 따르면 공장 자체가 한 기여는 거의 중요하지 않은 것으로 나타났습니다.
영국의 가장 큰 항공우주 제조업체에서 수집한 데이터를 바탕으로 연구원들은 완성된 비행기에 포함된 에너지의 90% 이상이 공장 문에 도착하기도 전에 재료에 포함되어 있음을 발견했습니다.
수소뿐만 아니라 미래 추진 및 지속 가능한 제조를 책임지고 있는 Dawson은 "이는 업계의 엄청난 사각지대였습니다."라고 주장합니다.
"항공우주 제조업체는 공장 내 에너지 효율성에 매우 중점을 둡니다. 그러나 분석에 따르면 그것은 우리의 노력을 집중할 곳이 아닙니다."
티타늄, 알루미늄, 탄소 섬유는 대부분의 구조 항공 우주 부품에 사용되는 주요 재료이며, 특히 러시아, 카자흐스탄, 중국과 같은 국가에서 생산되는 티타늄은 매우 에너지 집약적입니다.
항공기가 수명 동안 연소하는 제트 연료는 제조 과정에서 발생하는 것보다 약 100배 더 많은 배출량을 발생시키기 때문에 재료의 가벼운 무게는 항공기를 만들 때 발생하는 배출량을 상쇄하고도 남습니다.
그러나 그들의 생산은 그럼에도 불구하고 상당한 배출량을 방출합니다. 이를 줄이기 위해 Dawson은 제조업체가 구매한 티타늄, 알루미늄 및 탄소 섬유의 비율인 "구매 대 비행 비율(buy-to-fly ratio)"을 개선하는 데 중점을 둘 필요가 있다고 믿습니다.
현재의 절삭 제조 기술을 사용하면 일반적인 구조 구성 요소를 만드는 데 사용되는 알루미늄의 90%와 티타늄의 75%를 간단히 밀링 가공합니다.
이를 피하려면 구조 주조 및 벌크 적층 제조와 같은 소위 근사정형(NNS; near-net-shape) 제조 기술로 전환해야 합니다.

엔진 파일런과 같은 구조적 부품은 오늘날 금속이 가단성이 될 때까지 가열되고 필요한 모양의 근사치로 압착된 다음 밀링될 때 단조를 통해 생산됩니다.
새로운 가속 냉각 주조 기술로 인해 항공 구조용으로 사용할 수 있을 만큼 충분히 강한 티타늄 주조물을 생산할 수 있게 된 것은 몇 년이 채 되지 않았습니다.
여기에는 냉각된 아르곤 가스를 주물 위로 흐르게 하여 가공물을 빠르게 냉각시켜 파괴 인성을 낮출 수 있는 큰 결정 입자의 형성을 방지하는 것이 포함됩니다.
"결정립 성장을 방지하는 가속 냉각 기술을 통해 구조용 주물은 기계적 특성에서 단조품과 경쟁할 수 있습니다."
Dawson은 연속 용접 프로세스처럼 작동하는 WAAM(와이어 아크 적층 가공)이 가능할 것이라고 믿고 있지만 규제 기관은 3D 프린팅의 대형 버전인 "벌크 적층 제조"로 생산된 부품이 비행하기에 안전한지 아직 인증하지 않았습니다. 곧 그들에게 필요한 기계적 특성과 사용 중 성능이 충족될 수 있음을 입증할 수 있을 것입니다.
"확실히 결론이 날 것이며, 최종 형상에 근접해야 하기 때문에 많은 대기업들이 이에 많은 시간과 에너지를 투자하고 있습니다."
제조 기술의 변화는 필요한 밀링의 양을 줄여주지만 남은 양은 더 복잡해지게 만들 것입니다.

근사성형 주조 또는 벌크 적층 제조 공정에서 나오는 표면과 모양은 단순 육면 또는 원통 형상에서부터 만드는 것보다 예측하기 어렵기 때문에 밀링 전에 각 조각을 개별적으로 평가해야 할 수 있습니다. 이것은 엔지니어나 자동화된 터치 프로브를 사용하는 기계에 의해 수행될 수 있습니다.
가공물은 또한 강성이 낮고 진동에 취약하여 고정 문제를 일으킬 수 있습니다. 마지막으로 표면 질감이 고르지 않을 수 있으므로 정삭 작업에서 수정해야 합니다.
이는 산업계가 숙련 노동력 부족 현상을 극복하기 위한 조치를 더욱 시급하게 만듭니다.
"과거에는 작업자에게 공작 수준의 기술만 있어도 됐지만 이제는 점점 더 테크니션 수준의 인력이 필요해지고 있습니다."라고 Dawson은 주장합니다. "이에 대응하는 한 가지 방법은 자동화 수준을 높이고 그것을 통해 기술 부족을 극복하려고 시도하는 것입니다."
그러나 그는 국가가 숙련된 기술자와 엔지니어의 공급을 늘리기 위해 개입해야 하며, 그렇지 않으면 대형 항공우주 기업이 스스로 나서야 한다고 믿습니다.
근사정형 제조 외에, 항공 부품에 내재되는 에너지를 줄이는 또 다른 방법은 재생 소재를 사용하는 것입니다. 재생 알루미늄과 티타늄에 내재된 에너지는 순수 채굴에 비해 각각 1/10과 1/3에 불과합니다.
중장기적으로 이것은 항공기 소유주가 아닌 항공기 제조업체가 수명이 다한 항공기의 해체 및 재활용에 대한 책임을 지게 될 가능성을 의미할 수 있습니다.
Dawson은 조립과 분해, 제조 해제 및 재활용을 결합한 "순환 공장"을 구상합니다.
이것은 애리조나 사막에 있는 ‘항공기 무덤’의 종말을 의미할 수 있습니다. 이 곳은 여전히 미 공군과 여러 미국 항공사에서 수명이 다한 비행기를 보관하는 데 사용하고 있습니다.
그는 "사막에서 썩어가는 수천 대의 비행기가 지닌 고부가가치 물질에 내재된 모든 에너지를 상상해보라"고 말합니다. "이러한 재료를 회수 및 재활용하지 않는 것은 과거에는 경제적으로 용인될 수 있었지만 미래에는 용인되지 않을 것입니다.”
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