항공 우주 산업에 자동화가 중요한 이유

한편으로 항공기 수요는 매우 높으며[1] 앞으로 수년 동안 계속 증가할 것입니다. 유일한 가시적인 솔루션은 제조 공정을 지속 가능하게 자동화하는 것입니다.

다른 한편으로는 항공 우주 산업의 자동화 전선은 점진적으로 개선되고 있으며 이 문제에 대한 솔루션은 가까이 있지도 않습니다. 기술이 이 문제를 따라잡는 데 느리기 때문에 자동화 목표는 얼마나 멀리 있고 자동화가 항공 우주 산업이 직면한 문제에 대한 유일한 솔루션인지 의문이 생깁니다.

이 문서에서는 조립품 제조에서의 항공 우주 자동화의 정의, 자동화가 직면한 과제, 그리고 항공 우주 산업에서 자동화의 미래를 설명합니다.

자동화를 이용하여 안전, 생산성, 그리고 작업자 노력의 가치를 증가할 수 있습니다. 내장된 지침, 피드백 및 개선된 취급 방법을 갖춘 공구로 작업 환경을 개선하는 동시에 비용 절감의 측면에서 경쟁 우위를 얻을 수 있습니다.

경우에 따라 생산 목표를 유지하면서 위험을 줄이기 위해 위험한 단계를 완전 자동화할 수 있습니다. 이러한 경우에 자동화는 작업자의 간섭을 완전히 없애거나 최소한으로 줄이면서 일련의 작업을 수행할 것을 지시하는 프로그램이 연결된 제어 시스템 또는 장비를 제공합니다.

현재 항공 우주 산업에서는 작업자 생산성을 지원하고 천공 및 충전과 같은 반복적인 작업을 수행할 필요를 줄이기 위해 자동화를 이용하고 있습니다. 하지만 새 항공기에 대한 수요가 제조의 공급을 계속 능가함에 따라 자동화를 크게 늘려야 합니다.

항공기에 대한 수요는 증가하고 있으며 앞으로 수년 동안 계속 증가할 것입니다. 지금도 항공 우주 산업의 제조 기술은 증가하는 수요는 말할 것도 없고 현재 수요를 감당할 만큼 빠르거나 비용 효율적이지 않습니다. 자동화가 발전하였고 조립 공정에서 비교적 작은 부분만 수작업으로 수행하고 있지만 제조 공정에서 많은 손실을 차지합니다.

이러한 손실을 개별적으로 보면 작지만 작업을 수천에서 수백만 번 수행하는 반복적인 공정에서 이를 모두 합치면 꽤 많은 양이 됩니다. 자동화에서 정확도는 우선 사항 중 하나입니다[2].

직원에게 개선된 공구를 제공하면 직원 안전이 개선되고 생산성이 증가합니다. 스트레스 수준 감소는 매우 가치 있는 일이며, 공구를 통해 피드백과 지침을 개선하여 오류를 줄일 수 있으면 가능합니다. 

따라서 직원은 품질에 대한 관심을 검토하는 데 드는 시간을 늘릴 수 있습니다. 이렇게 하면 품질이 나쁜 공구 때문에 예기치 않은 오류가 발생할 경우에 생길 수 있는 손실을 줄일 수 있습니다.

생산 오류가 발생하면 재료 손실 가능성을 포함하여 여러 가지 비용이 발생합니다. 

올바른 공구를 갖추면 제조 공정의 일관성이 향상되는 동시에 생산 시간을 단축하고 폐기를 최소화하며 공정 유연성을 높일 수 있습니다.

이러한 이점은 시간이 지남에 따라 축적되고 사용자의 팀에서 이러한 이점을 이용하여 변화하는 시장 요구에 빠르게 대응할 수 있습니다.

최종 이점 중의 하나는 공구 개선으로 인체공학적 특성을 개선할 수 있다는 것입니다. 이렇게 하면 안전을 개선(보험료 감소도 가능)할 뿐만 아니라 유지율도 증가합니다. 그리고 전체적으로 참여율이 높아지면 에너지도 증가하여 결국 이직률이 낮아집니다. 

항공 우주 산업에서 자동화는 어느 정도 달성되었지만 공급과 수요 사이의 격차에 영향을 줄 만큼은 아닙니다.

실제로는 항공 우주 산업이 혁신과 기술의 측면에서 전선에 있다고 여겨지는 경우가 많지만 완전 자동화에 관해서는 자동차 산업이 항공 우주 산업보다 훨씬 앞서있습니다. 이보다 훨씬 놀라운 것은 두 산업의 제조 공정이 매우 비슷하다는 것입니다.

지난 몇 년 동안 항공 우주 생산에서 천공 및 충전의 상당수가 비록 맞춤식 갠트리형 장비를 사용하기는 하지만 자동화되었습니다[3]. 이러한 장비는 자동차 산업의 비교적 가는 산업용 로봇이라기보다는 크레인처럼 보이는 대형 기계입니다. 즉, 의미 있는 자동화 수준으로 가는 매우 긴 여행에서 아직도 초기 단계에 있습니다.

자동화는 고정, 프로그래밍 가능 및 유연의 세 단계로 발전합니다[4].

• 고정 또는 경성 자동화에서는 일련의 코드로 기계 또는 장비를 제어하여 간단한 작업을 수행하며 회전 및 선형 축만 사용할 수 있습니다. 이 자동화는 유연하지 않기 때문에 일반적으로 한 유형의 제품만 생산하도록 설계됩니다. 이 유형의 자동화에는 대량 생산을 통해서만 회수할 수 있는 큰 초기 투자가 필요하기 때문에 자동차 산업에 이상적입니다. 

• 프로그래밍 가능 자동화에서는 기계에서 코드 또는 프로그램을 변경하여 많은 작업을 수행할 수 있습니다. 하지만 시스템의 프로그램을 다시 작성하거나 기계적인 부품을 교체하는 데는 시간이 많이 걸립니다. 고정 자동화보다 생산량이 훨씬 작으며 수십에서 수천 개의 배치로만 생산할 수 있습니다. 

유연한 자동화 또는 연성 자동화는 고정 자동화와 비교하여 설치에 선행 비용이 훨씬 더 많이 필요하지만 지금까지 가장 효율적인 생산 방식입니다. 이 시스템은 버튼을 누르기만 하면 변경이 가능합니다. 코딩 수준이 높아서 다른 제품 유형으로 변경할 때 복잡한 재프로그래밍을 할 필요가 없으며, 다양한 응용 분야에 적응할 수 있도록 기계를 설계합니다.

일부 산업에서는 구매자가 전혀 없는 것보다 수요가 많지만 납품을 하지 못하는 문제가 더 낫다고 생각합니다. 하지만 이 역시 문제입니다. 또한 앞으로 수년 동안 항공기 수요가 증가하고 전 세계의 항공기들이 노화됨에 따라 문제는 악화되기만 할 것입니다. 

현재 과학자들이 어려움을 겪고 있는 몇 가지 문제는 다음과 같습니다.

1. 천공을 유연한 자동화에 통합하는 것은 현재 드릴에 내재한 반력과 진동 때문에 어려운 것으로 증명되었습니다. 현재 나온 유연한 자동화의 구성 요소는 기존 천공에서 발생하는 힘을 견딜 만큼 강하지 않습니다[5].

2. 궤도 천공은 더 작은 힘으로 천공할 수 있고 유연한 자동화에 통합할 수 있을 만큼 작은 더욱 발전된 방법입니다. 하지만 반복해서 사용하면 천공 공정에 내재한 관성 때문에 정확도가 떨어집니다.

3. 로봇 공학에 사용하는 재료는 여전히 매우 고가입니다. 로봇 부품은 대부분 매우 가볍고 내구성이 뛰어난 티타늄[6] 및 탄소 섬유 복합 재료로 만듭니다. 두 재료 역시 추출 공정이 매우 복잡하고 수율이 낮기 때문에 매우 고가입니다.

혁신자들은 많은 노력을 기울이고 있으며 다음과 같이 현재 항공 우주 산업이 직면한 난문제에 대한 작은 희망의 빛을 보여주었습니다.

• 적응 제어는 궤도 천공의 표류하는 정적 위치 문제를 해결하는 한 방법입니다. 제어 모델의 매개변수는 작동 중에 계속 업데이트되며 열팽창의 경우처럼 고정 매개변수와 적응 매개변수를 결합합니다. 백래시 보상의 경우처럼 적응 매개변수를 추가하여 이 기법을 더욱 개선할 수 있습니다.

• 조립 중에 항공기 날개를 정렬하는 경우처럼 다양한 응용 분야에 사용되는 레이저 트래커를 실시간 위치 피드백을 위해 적응시킬 수 있습니다. 0.05mm의 정확도로 구멍을 천공하는 데 도움이 되지만 항공 우주 산업에서 실제로 응용하는 데 여전히 지나치게 고가입니다.                                                                     

• 또한 피드백에 대한 응답 시간을 줄일 엔드 이펙터에 대한 액추에이터를 개발하기 위한 연구를 할 수도 있습니다. 레이저 트래커와 함께 사용하면 로봇 정확도를 크게 개선할 수도 있습니다.

로봇 부품 및 구성 요소 제조 공정을 개선해도 자동화된 조립에 대한 선행 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 Airbus는 자동화된 기체 조립 라인을 갖추고 있으며, 조립 라인은 20대의 로봇, 레이저 위치 측정 및 새 디지털 시스템으로 구성됩니다. 하지만 6,000대의 A320 제트 여객기 수주 잔량이 있기 때문에 투자 비용을 정당화할 수 있습니다. 

한편, 항공기 제조업체는 현재 시판 중인 최첨단 항공 우주 산업용 공구를 사용하여 생산을 증대할 수 있습니다. 이러한 공구는 작업자의 건강을 보호하는 한편 작업자 생산성을 개선하며 완전 자동화된 조립 라인을 갖추는 것 다음으로 좋은 것입니다.

• 전기 핸드헬드 드릴 EBB26 - 이 정밀 드릴을 사용하면 구멍 정확도에 관한 우려를 상당 부분 잠재울 수 있습니다. 오류 수정을 위한 피드백 메커니즘이 내장되어 있어 작업자의 실수를 방지합니다. 또한 프로그래밍 가능 트리거를 갖추고 런아웃을 줄여서 의도와 계획에 맞게 천공을 할 수 있습니다.

• 고급 드릴링 유닛 PFD 1100 - 이 드릴에는 고출력 터빈 모터가 있기 때문에 구성 요소 제조에서 최종 조립에 이르는 항공기 생산의 모든 단계에 공구를 사용할 수 있습니다. 모듈식 설계를 사용하여 직각 형태나 수직 천공에 맞게 쉽게 구성할 수 있으며 광범위한 속도 및 피드 설정으로 모든 천공 요구에 맞게 적응시킬 수 있습니다.

증가하는 항공기 수요를 충족하는 과정에서 자동화의 장점을 부인할 수 없습니다. 유연한 자동화가 갈 길이 먼 가운데 생산성을 증가할 다른 방법을 모색해야 합니다. 아트라스콥코의 고급 항공 우주 산업용 공구 제품군은 자동화가 완전히 이루어지지 않은 가운데 상황을 개선하도록 설계되었습니다. 

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참고 자료

1.Supply Chain Operations, Market outlook 2017-2037: A glimpse of the future, SATAIR, January 09, 2019

2. Muelaner, Jody, High Accuracy Automation for Aerospace Manufacturing, egnineering.com, June 17, 2019

3. Weber, Austin, Airbus harnesses automation to boost fuselage production, December 10, 2019

4. Groover, Mikell, Automation, Encyclopedia Britannica electronic ed., May 08, 2019

5. Muelaner, Jody, High Accuracy Automation for Aerospace Manufacturing, egnineering.com, June 17, 2019

6. Betts, Douglas, Industrial Robots, How Products Are Made