항공우주 제조의 소재 및 가공 동향
항공우주 제조업체는 성능과 안전성을 유지하면서 연료 소비를 줄여 지속 가능성을 추구하고 있으며, 이에 따라 소재 과학과 기계 가공의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 첨단 소재 전문가인 마틴 잭슨 교수가 최신 트렌드에 대해 이야기합니다.
지속 가능성과 신소재가 항공기 제조에 큰 영향을 미치고 있습니다.
이러한 변화에 대한 내부적 관점을 가진 사람 중 한 명은 셰필드 대학교의 첨단 재료 가공 교수이자 티타늄 합금 분야의 세계적인 전문가인 마틴 잭슨입니다. 그는 25년 이상 항공우주 업계에서 일해 왔지만, 업계가 탄소 배출 제로 제조 목표를 향해 나아감에 따라 다음과 같이 말합니다: "재료 과학자가 되기에 이보다 더 좋은 시기는 없습니다."
잭슨 교수가 항공우주 제조의 최신 트렌드에 대해 설명합니다:
지속 가능한 항공기, 신소재
항공 업계는 2050년까지 탄소 배출 순 제로를 목표로 하고 있지만, 상용 전기 동력 또는 수소 연료 비행기는 아직 멀었습니다. 항공우주 OEM은 연료 소비를 줄이면서 항공기를 생산할 수 있는 방법을 찾아야 하는데, 이는 더 가볍고 튼튼한 소재를 의미하며, 이는 곧 도전 과제입니다.
잭슨은 "티타늄, 니켈 기반 초합금, 고강도 강과 같은 최고급 합금을 사용하여 항공 엔진의 연소 온도를 높이고 효율을 높이는 방법을 모색하고 있습니다."라고 설명합니다.
"비행기를 만들려면 항공 엔진에 필요한 모든 것을 갖추고 있어야 하지만, 제조 및 가공 능력도 갖춰야 합니다. 이런 재료들은 비용이 많이 들고 가공하기 어렵습니다. 절삭 가공은 항공 엔진을 제작할 때 가장 중요하고 비용이 많이 드는 공정일 것입니다."
항공우주 산업은 이제 가공성이 더 뛰어난 합금을 만들고 있습니다. 강하지는 않지만 기계 가공성이 더 뛰어나고 더 적은 수의 공구가 필요하며 결과적으로 준 최종 형상에 대한 금속 제거율이 향상됩니다.
잭슨은 "바로 이 부분에서 세코가 매우 뛰어납니다."라고 말합니다. "이러한 문제를 극복하고 부품을 준 최종 형상에 가깝게 가공하기 위해 훌륭한 공구와 훌륭한 코팅을 개발하고 있습니다."
적층 제조 (3D 프린팅)
이제 고압 터빈 디스크는 적층 제조(3D 프린팅)를 통해 분말에서 생산되고 있습니다. 이는 화학의 오랜 문제에 대한 영리하고 새로운 접근 방식입니다.
"가스터빈 엔진 디스크 부품의 니켈 기반 초합금은 화학적 성질이 중앙에서 가장자리까지 매우 다양하기 때문에 녹이기가 매우 어렵습니다."라고 잭슨은 설명합니다. "단조를 통해 이를 균질화하려는 시도는 어렵습니다."
"분말을 사용하면 제조업체는 보다 균일한 화학 물질을 얻은 다음 열간 등방압 가압법(HIP)를 통해 분말의 중심을 잡을 수 있습니다."
그러나 티타늄은 녹이고 단조하는 데 비용이 많이 들지만, 잭슨 교수는 조만간 분말 형태로 만들어지지는 않을 것이라고 말합니다.
"분말 버전의 티타늄은 나중에 문제를 일으킬 수 있는 이물질에 대한 우려 때문에 좋지 않습니다."
더욱 지속 가능한 제조
항공우주 산업은 지속 가능한 항공기를 만들기 위해 노력하면서 지속 가능한 제조를 잊지 말아야 합니다.
"또한 더 적은 공구, 더 적은 에너지로 더 빠른 가공, 더 적은 절삭유 사용으로 제조 공정과 공급망을 더욱 지속 가능하게 만들어야 합니다."
항공 엔진 제조에서 빌렛을 단조할 때 항공기에 사용되는 재료의 10%만 사용해도 최대 90%까지 절삭할 수 있습니다. 업계에서는 전통적으로 금속 폐기물을 고물상에 넘겨왔지만, 이제 폐기물을 더 효과적으로 재활용해야 한다는 압박을 받고 있습니다. 안전 및 성능 표준으로 인해 항공 엔진용으로 재구성할 수 없지만, 자동차를 비롯한 다른 산업에서 사용하기에 충분히 견고합니다.
"현재 특히 영국에서는 더 나은 재활용을 위한 진정한 움직임이 일어나고 있습니다. 업계는 이러한 여정의 일부가 되어 공급망의 재활용을 도와야 합니다."라고 잭슨은 말합니다.
가공 및 구조적 무결성
마틴 잭슨 팀의 주요 연구 분야 중 하나는 항공기 부품의 구조적 무결성에 대한 기계 가공의 영향입니다. 문제는 OEM의 비용 마진을 충족하는 빠르고 효과적인 가공과 이러한 안전에 중요한 기능의 부품 수명을 보장하는 것을 조화시키는 것입니다.
잭슨은 "단순히 공구만 제공하고 떠나는 것이 아니라 전체 여정의 일부가 되는 균형이 필요하며, 세코는 이를 매우 잘 수행합니다."라고 말합니다.
“저는 세코에서 Rachid M'Saoubi 및 그의 팀과 많은 일을 하고 있으며 재료에 대한 '디지털 지문' 및 '디지털 여권'을 제공하는 기술을 사용하는 아이디어를 검토하고 있습니다. 세코는 미세 구조 및 표면 손상과 사용 중인 해당 부품의 수명 측면에서 공구 구성 요소에 미치는 영향을 이해하고자 합니다.
"단순한 상품으로서의 공구가 아닌 종합적 해결책을 제공하는 것입니다. 부품을 어떻게 가공해야 하나요? 공구 수명에 미치는 영향뿐만 아니라 다양한 금속 제거율, 이송 및 절삭 속도를 살펴보고 있습니다.
“공구 인서트는 10분이 아닌 15분 동안 지속될 수 있지만, 그것이 부품에 무엇을 남기고 어떻게 더 효과적으로 접근할 수 있을까요? 엔진에 적용될 때 해당 부품의 구조적 무결성을 이해하고자 합니다."
세코툴스는 최종 사용자 및 소재 공급업체와 긴밀히 협력하여 비용 효율적인 방식으로 금속을 효율적으로 제거하면서도 손상을 일으키지 않는 공구를 제공하기 위해 노력하고 있습니다.
"항공우주 OEM은 밀링 공구에만 연간 1억 파운드(1억 1,200만 유로)를 지출합니다. 공구를 사용하는 시간을 단 몇 분이라도 줄이면 1년 동안 엄청난 효과를 볼 수 있습니다.”
지식 컨소시엄
마틴 잭슨은 지난 5년 동안 업계에서 훨씬 더 많은 협업이 이루어졌다고 말합니다.
"초기 기술 준비 단계에서 공구 제조업체, 소재 제공업체, 최종 사용자가 함께 협력해야 한다는 사실을 깨달았습니다.
"훌륭한 컨소시엄이 구축되었고, 자기 주장만 관철하는 사람이 없었으며, 그 덕분에 연구 속도가 빨라졌습니다. 예를 들어 셰필드 대학교의 우리 팀은 세코, 롤스로이스, 영국의 항공 엔진용 티타늄 생산업체인 티멧과 함께 다양한 프로젝트를 수행했습니다.
"이해관계자마다 요구 사항이 다르기 때문에 툴링이 부품에 손상을 남기지 않도록 세코와 협력하는 리프팅 엔지니어와 최대한 많은 고압 디스크를 출고해야 하는 제조 엔지니어 사이에는 항상 건강한 긴장감이 존재합니다. 하지만 이를 관리할 수 있다면 연구 개발을 가속화할 수 있습니다."
세코 툴스와 협업하기
가스터빈 항공 엔진은 앞으로도 몇 년 동안 계속 사용될 것이며, 마틴 잭슨은 세코툴스가 업계를 보다 지속 가능하고 비용 효율적인 방향으로 이끄는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.
"툴링이 구조적 무결성에 미치는 영향을 이해하는 측면에서 세코는 '린(lean) 의 핵심'이라고 생각합니다. 또한 적층 가공과 같은 다음 공정이 어디로 향할지에 대한 인식도 있다고 생각합니다. "다른 공구 제조사들보다 한 발 앞서 있는 이유는 앞으로 어떤 일이 일어날지 잘 알고 있기 때문입니다. 세코툴스와 함께 진행하고 있는 프로젝트 중 일부는 이러한 새로운 프로세스를 검토하여 툴링에 필요한 것이 무엇인지 파악하고 있습니다.
"또한 차세대 항공 엔진 파워트레인을 위한 새로운 프로세스를 논의하고 검토할 때 세코툴스가 항상 함께합니다."
