항공기 제조사들이 신뢰하는 기어

복합 구성품을 제조하기 위해서는 특수한 기계와 프로세스가 필요하다. 새로운 제조방식을 위해 갠트리 구조에서 유연하게 선회할 수 있는 로봇헤드를 장착한 기계를 개발하였다. 이는 새로운 기어가 있었기에 가능했고, 결과적으로 제조시간이 줄었으며 정밀성이 높아졌다.

바스티안 밍케(Bastian Minke): Wittenstein SE의 갤럭시 시스템 Volker Sprenger 스타트업 매니저, 세일즈 엔지니어

항공우주산업을 위한 복합구성품 제조에는 자동제조 단계에서 복잡성, 정밀성, 반복 정확성 등 까다로운 요건이 제시된다. 미국 시애틀 인근에 위치하고 있는 Electroimpact는 전세계적으로 선도적인 항공우주 산업기계 및 자동화 솔루션 공급자로 정평이 나있다. Electroimpact는 비틀림이 방지되고 유격이 없는 Wittenstein SE의 기어 갤럭시를 사용하며, 이 갤럭시는 지금까지 볼 수 없었던 크기의 전세계적으로 유일한 성능 데이터를 지닌 차세대 고성능 기계의 인에이블러이다.

갤럭시 구동 시스템에는 완전히 새로운 범주의 기어가 역동적인 개별 톱니와 새로 개발한 고성능 모터와 융합되어 매우 콤팩트한 중공 샤프트 드라이브 유닛을 만들어낸다.

갤럭시는 기본적으로 특허 받은 새로운 기어 키네마틱스를 기반으로 하였다. 이 혁신적 기술의 핵심은 다각형 형태의 내부 레이스와 세그먼트화된 베어링 외부레이스를 장착한 구름베어링이다. 두 레이스 모두 완전히 새로운 기술이며, 각각 비슷한 외경을 지닌 동심 중공 샤프트기어의 최신 기술을 적용하여, 갤럭시 키네마틱스는 최대 170% 증가된 최대 토크와 최대 3배 높은 과부하 안전성, 비교군 기어에 따라 3배 ~ 6배 높은 비틀림 강성, 최대 70%가 큰 중공 샤프트직경을 이루었다. 이는 새로운 범주의 기어인 이 갤럭시가 복합구성품 제조 전문기업인 Electroimpact의 설계가들에게 완전히 새로운 지평을 열어 준 성능 가운데 하나이다.

항공기 산업에서 라미네이팅 작업을 위한 자동화 시스템

Electroimpact는 항공우주분야에서 공구, 자동화 시스템 설계, 제조분야에서 유명한 전세계적인 기업이다. 이 업체의 폭넓은 프로젝트 스펙트럼은 여객기 날개를 위한 전자동 조립 시스템, 날개와 동체 조립을 위한 리벳팅기계, 고도로 발달된 Fiber Placement Machine(열가소성 프리프레그 자동적층 및 탄소복합제 제조 시스템), 조립 로봇시스템, 우주선의 핸들링시스템을 포함한다. 주요 고객은 에어버스, 보잉, 봄바르디어, 엠브라에르, 나사, 제너럴 일렉트릭, 스피릿 에어로시스템, 보우트, 노스럽 그러먼, 이스라엘 에어크래프트 인더스트리, 일본의 카와사키 중공업, 미츠비시 중공업, 후지 중공업, 중국 시안의 에어크래프트, 등 이루 헤아릴 수조차 없다.

Electroimpact는 항공우주산업의 선도적인 공급자로서 자동화된 시스템을 공급하고 있다. 다른 솔루션 외에 엔지니어 기술에 초점을 두고 있어, 최근 AFP 기술(열가소성 프리프레그 자동적층 및 탄소복합제 제조기술)을 개발하였다. 이 기술은 복잡한 램프 면에서 피드속도 최대 2,000ipm로 고객이 지정한 최종 조립공차를 지켜서 커팅과 재료도포가 가능하고, 최대 4,000ipm 속도에 대한 구성품 레이업에서 승인을 받았다. 모든 라미네이팅 절차를 완전히 양방향으로 실시할 수 있으며, 커팅 정밀성에 영향을 끼치지 않고 운전자가 피드속도를 조정할 수 있다.

웨브를 부착한 로봇 헤드는 180°로 회전하여 새로 자리를 잡고 반대 방향으로 그 다음 웨브를 부착한다.

유명한 항공기 제조사들이 Electroimpact의 고성능 기계들을 깊은 신뢰를 가지고 있다. 보잉의 공장은 Electroimpact에서 수 킬로미터 거리에 있다. Electroimpact는 미래의 보잉 777X의 복합 경량부품을 개발, 양산하기 위해 AFP (Automated Fiber Placement machine) 시스템 4대를 고안하였으며, 이 시스템은 최신 기술이다. 길이가 최대 33.5m인 앞뒤의 날개보를 제작하기 위해 지금까지 일반적이었던 세 가지 작업 단계를 하나로 통합하였다. 이는 약 0.5t의 로봇헤드를 통해 가능하였다. 이 로봇헤드는 6m 너비의 이동식 갠트리 구조에 통합되어 최고의 정밀성과 수백 개 층의 에폭시 수지에 적신 스트립과 탄소섬유 재질의 웨브를 각각의 기본 구조물 위에 제공한다. 하나의 웨브를 제공한 후에 로봇헤드는 180°로 회전하고, 새로 위치를 잡은 후 반대 방향으로 그 다음 웨브를 부착한다. 또한 날개보를 위한 AFP 시스템은 로봇헤드를 ± 90° 선회할 수 있고 U자 형태의 보를 한 번의 작업 절차로 제작한다. 날개에는 약 1.5t이고, 12.8m 너비의 이동식 갠트리 구조물에 통합된 로봇헤드를 사용한다.

이 새로운 제조기술의 장점은 다양하다. 신속한 재료도포로 공정 사이클이 짧아져 새로운 세대의 AFP 시스템을 훨씬 생산적으로 만들었다. 선회 가능한 로봇헤드 덕분에 날개보의 구조와 같이 까다로운 형상을 효율적이고 시간을 덜 들여 형성할 수 있었다. 일체형 날개보도 복잡한 형상으로 구현된다. 이 일체형 날개보는 가장 큰 형태상 자유를 제공하고 특히 경량구조로 인해 효율적인 항공기 설계가 가능하다. 마지막으로 주목할 만한 점은 품질 개선이다. 탄소섬유 재료가 양쪽 기계에서 16개 ~ 20개의 평행한 코일로부터 수 센티미터 너비의 스트립으로 권출되고 지금까지 달성할 수 없었던 정밀도로 빈틈없이 나란히 부착된다. 이러한 높은 정확도로 인해 후작업이 최소화되고, 완성된 날개와 날개보는 가벼운 무게와 슬림하고 공기 역학적으로 최적화된 형태로 제작된다.

항공기 부품 제작 프로세스의 높은 생산성을 위한 전제 조건은 이동식 갠트리 구조와 유연하게 선회 가능한 로봇헤드의 뛰어난 운동학적 정밀성과 반복 정확도이다. Electroimpact 엔지니어들은 Wittenstein의 갤럭시 기어를 통해 AFP 시스템을 위한 해법을 찾았다. 이 기어는 전반적으로 기술적인 까다로운 요건을 충족하고 잠재력을 제공한다. 갤럭시 기어의 결정적인 장점은 뛰어난 비틀림 내성과 완벽한 제로 백래쉬로, 도포 공정 중 방향 변경 시에 고도로 정밀한 위치 결정을 가능하다. 또한 선회 축을 사용할 수 있도록 콤팩트 함이 모션 가이드의 더 큰 유연성을 보장한다.

새로운 기어 원리에 의해 비로소 제조 기술이 가능해진다

다각형을 중심으로 그룹화된 역동적인 기어들이 갤럭시 G 기어의 키네마틱스를 특징 짓는다.

위의 두 가지 정밀성은 갤럭시 기어의 특수한 설계 원리에 의해 가능하다. 이 기어는 세그먼트화된 개별 톱니를 기반으로 한다. 개별 기어들은 니들 베어링이 있는 구동 다각형 위에 정렬되며, 링 기어의 내기어와 맞물린다. 이러한 정렬과 특수한 치면 형상으로부터 일반적인 기어 키네마틱스의 경우보다 최대 6.5배가 큰 지지 치면에서 이루어지는 기어치 맞물림이 생긴다. 굽힘 길이 최소화, 기어치 맞물림에서 최적화된 너비 상의 부하 분포, 속이 찬 형태의 세그먼트화된 베어링 외부 레이스가 속이 찬 톱이 서포트와 연동하여 시중의 가장 우수한 기어에 비해 최대 580% 더 큰 비틀림 강성을 보장한다. 개별 스러스트 톱니 키네마틱스인 갤럭시 기어의 특수한 구조 덕분에 Wittenstein의 전문가들은 내부 긴장을 통해 기어를 유격 없이 제작할 수 있다. 동시에 고도로 역동적인 접촉 부분의 윤활막 형성으로 포지셔닝 기어 영역에서 최고의 효율성이 가능하다. 이를 통해 전체 수명 동안 드라이브 시스템의 지배적인 제로 백래쉬가 달성되고, 갠트리와 로봇헤드의 이동 방향 전환 시 최고의 정밀성을 보장한다. AFP 시스템 관점에서 한 번의 단계로 복잡한 항공기 부품을 제작을 가능하게 하는 갤럭시 기어의 이러한 특성이 지금까지 유례 없었던 생산성으로 귀결된다.