Fibro, 우주 항공 부품 정밀 제작

MT Aerospace는 Hage 용접 시스템과 검사 시스템을 통해 로켓 Ariane 6의 연료 탱크를 생산한다. 이 시스템에서 Fibro의 고중량 로터리 테이블은 직경 4,500mm에서 0.02mm의 정교한 구동을 책임지고, 고강도 재료의 균일한 완전 용입 용접을 보장한다.

슈테판 가쉭(Stefan Gaschik): Fibro GmbH Rotocutting 판매 매니저

핵심 내용

  • Fibromax 고중량 포지셔닝 테이블은 복잡한 부품의 기계적 가공에 제시되는 까다로운 요건을 해결하기 위해 표준으로 설계한다.
  • Fibromax 테이블은 +/-2 아크초의 인덱스 정확도를 보장하며, 액시얼 및 래디얼 정확도는 수백 분의 1mm 수준이다.
  • 정비가 필요 없는 대형 구름 베어링은 반경뿐만 아니라 축 방향 힘도 안정적으로 수용한다.

MT Aerospace의 Jig and Tools 책임자인 빌리발트 후버는 반자동 Hagematic AR6을 설치하고 안정적으로 작동하는 것을 확인한 후 다음과 같이 평가하였다. “이것이 기술적으로 할 수 있는 최대치입니다.” Hagematic AR6은 마찰 교반 용접 시 80kN의 압입 힘으로 재료를 통과하여 핀이 이동하고, 균질한 완전 용입 용접을 실행한다. MT Aerospace는 수년 전부터 독일 아우스부르크 공장에서 우주 발사체 아리안 5의 중앙과 상단 탱크 등 구조물을 제작하고 있다. 경량 구조의 구조물과 탱크 제조 전문 업체인 MT Aerospace는 하드웨어 납기 비율이 10% 이상으로, 프랑스를 중심으로 독일과 영국 등 11개국이 공동 개발하는 아리안 프로그램에 참여하는 업체 중에서 가장 큰 공급업체이다. 항공 우주 센터 기아나 발사대로 가는 차세대 우주 발사체 아리안 6는 적재 중량이 5 ~ 11t이나 나가지만, 성능과 경제성 측면에서 훨씬 확장될 예정이다. 더 적은 무게로 더 우수한 성능을 제공하는 것이 목적이며, 이는 모든 프로젝트 파트너들의 노하우와 경험 그리고 규율을 잘 통제되어 균형을 이루어야 가능한 일이다. “아리안 6 개발은 앞으로도 수십 년간 진행될 예정입니다. 따라서 견고함과 재현 가능성이 당사 시스템의 최우선 과제입니다.”(Dr. 마르쿠스 칸에르트, MT Aerospace 개발 엔지니어)

Hage 용접 시스템은 콤팩트한 Fibro 고정밀 고중량 로터리 테이블을 확장 축으로 사용한다.

1주일에 두 개의 탱크 돔을 자동으로 제작한다

Hagematic AR6은 일주일에 탱크 돔 2개를 자동화된 방식으로 제조할 수 있도록 설계하였다. 모든 개별 세그먼트는 시스템 내에서 로봇에 의해 배치되고 클램핑되어 가장자리를 5축 HSC 밀링 스핀들로 밀링 가공하고 용접하여 마지막에 초음파 검사를 진행한다. 재료는 특수 알루미늄-리튬 합금(AA2195)을 사용하는데, 이 재료는 지금까지 사용했던 알루미늄-구리 합금에 비해 강도는 높고 밀도는 더 낮다. 완성된 돔의 벽 두께는 부분적으로 수 밀리미터에 불과하다. “궤도에서 1kg당 운반 하중에 수만 유로(원화로 수천만 원)의 비용이 들어가기 때문에, 상단에서 절감할 수 있다면 위성 형태의 적재 중량을 더욱 많이 운반할 수 있습니다.”(마르쿠스 칸에르트)

직경이 1,000mm인 중앙 관통부는 장치 내부로 들어갈 수 있는 통로이며, 추가 어셈블리를 위한 공간이기도 하다.

항공 우주 전문가들은 하이엔드 재료인 특수 알루미늄-리튬 합금은 용접이 불가능하여 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)을 핵심 기술로 이용한다. 이 구조물은 직경 6m의 반구 형태이며, 로터리 테이블이 수 톤 무게의 구조물을 클램핑 장치와 8개의 구성품으로 배치된다. “FSW 프로세스의 무거운 하중 아래에서 천천히 일정하게 움직이는 것이 관건입니다.”(잉고 프랑크, Fibro 설계 팀장) “동기화 모드로 균일하게 가공하기 위해 최대 150.000Nm의 백래시 없이 제거 가능한 토크를 사용합니다. 최대 130t, 최대 직경 7,000mm의 전체 구조에서 포지셔닝 정확도 0.02mm가 필요합니다.” 마찰 교반 용접 시에 Hagematic AR6의 Z 축 두 개가 활성화되며, 한 축은 숄더를 누르고, 두 번째 축은 핀 위치를 결정한다.

모든 프로세스 데이터는 수집하고 기록하여 자동으로 평가된다. “종방향 오프셋이 너무 크면, 균열이 생겨 재앙을 초래할 수 있습니다.”(마르쿠스 칸에르트) 자동차와 철도 어플리케이션에서 여러 차례 입증된 V 갠트리는 돔 가공에 매우 유용하며, 특히 로터리 테이블도 해당 작업에 맞추어졌다. 최대 베어링 직경이 7,000mm인 로터리 테이블 대신 Hgematic AR6의 베어링 직경은 2,684mm인 수정된 세 개의 고중량 로터리 테이블 Fibromax SLR.3200을 적용하였으며, D=1,000mm의 커다란 중앙 관통구를 통해 로터리 테이블과 장치 내부로 접근할 수 있으며, 대안으로 그 부분에 추가의 어셈블리를 탑재할 수 있다.

Fibro는 고중량 로터리 테이블에서 구동 정확성, 제어 능력 및 통제 능력 측면뿐만 아니라 내구성에도 특별히 초점을 두었다.

FSW 프로세스가 진행되고 있다

Fibro는 광범위한 FEM 분석으로 기하학적 정밀도를 달성하기 위해 로터리 테이블 하우징을 최적화하였다. “목적은 탁월한 평면 평행도와 동심도를 갖춘 견고한 회전 테이블입니다.”(게오르그 함머슈미트, 마틴 뫼르틀, 오스트리아 설비 업체 Rath & Co Ges.m.b.H. 프로젝트 매니저) Fibro의 오스트리아 파트너인 Rath는 처음부터 이번 프로젝트와 조율하고 함께 진행하였다.

Fibromax 고중량 로터리 테이블은 정비 작업이 거의 없어, 항공 우주 어플리케이션에서 자신의 강점을 발휘한다. 유정압식으로 배치되는 로터리 테이블은 가공을 위해 일단 내려야 하는데, 이는 프로세스 상 거의 불가능하지만, FSW 프로세스는 구름 베어링이 장착된 Fibromax에서 연속적으로 진행할 수 있다. 또한 구름 베어링이 적용된 로터리 테이블은 온도 변화에 영향이 적고, 냉각 어셈블리와 유정압 어셈블리가 없다. 따라서 추가의 에너지도 필요 없으며, 베어링 기능이 무제한으로 유지되기 때문에 비상 정지나 갑작스러운 정전 시에도 충돌에 매우 강하다. 또한 높은 토크를 생성하고 필요한 정밀도를 달성하기 위해 로터리 테이블 드라이브를 특별히 MT Aerospace의 어플리케이션에 맞게 설계하였다. 백래쉬가 없는 대형 특수 기어 및 강력한 모터는 로터리 테이블이 전진뿐만 아니라 후진 시에도 최대 부하에서 최소한의 백래시로 이동할 수 있다.   

Hagematic 솔루션은 축이 21개이다

“우리는 이 시스템에서 각 용접심의 정확한 디지털 지문을 얻습니다. 이것이 완벽한 인더스트리 4.0입니다.” 페터 프라이스너, Hage Sondermaschinenbau 기술 이사.

Hage의 기술 이사인 페터 프라이가스너에 따르면, 이 로터리 테이블은 이번 프로젝트의 성공을 위한 핵심적인 요소라고 한다. “MT Aerospace가 지금처럼 테이블을 직접 제작하는 것이 좋겠지만 가동 용량 문제로 한계가 있었습니다.” 프로젝트 팀은 Fibro의 예비 승인에 고무되었다. “Fibro는 기대에 부응하고 목표를 달성하는 공급자입니다.”(페터 프라이가스너) 아우크스부르크의 Hagematic과 같은 고도로 자동화된 시스템은 Fibro의 기술이 적합하였다.

“아우구스트 부르크의 Hagematic 솔루션에는 클램핑 장치 축을 제외하고 총 21개의 축이 장착되어, 많은 기술이 적용되어 있습니다”(페터 프라이가스너) 이는 시스템 컨셉트, 설계 및 전자 장비 계획에서 제조, 조립 및 사전 프로그래밍까지 한 회사에서 모든 단계가 이루어지는 경우에만 가능하다.

실시간 프로세스 컨트롤

Hage는 기계 구조와 병행하여 필요한 소프트웨어를 개발하였다. 결과는 타의 추종을 불허하는 실시간 프로세스 컨트롤과 제어이다. “우리는 용접 공정 중에 용접심의 정확한 높이의 프로파일을 받습니다. 오류가 발생하면 0.1mm 내에 중단할 수 있습니다.”(프라이가스너) 3D 데이터는 해상도가 높아서 테스트 응용 프로그램에서 지문도 인식할 수 있다. 100kHz를 초과하는 경우 모든 기계의 힘은 물론 모든 위치와 토크 속도 및 온도가 기록되고 제어된다. “시스템이 실시간으로 모든 값을 확인하고 평가하여 이에 맞추어 프로세스를 조정합니다. 이것이 진정한 형태의 인더스트리 4.0입니다.”