신기술로 엔진 부품의 안전성이 향상된다

센서와 소프트웨어 기반 지능형 시스템이 용해 공정 전반에 걸쳐 잉곳의 핵심 품질 지표를 파악합니다.

항공우주 제조 및 설계 | 폴 E. 킹, 앤드류 J. 엘리엇

상업용 항공 여행은 그 어느 때보다 안전해졌습니다. 하지만 기계적 고장은 여전히 발생할 수 있으며, 실제로도 발생하고 있습니다. 2021년 2월 20일 콜로라도주 덴버를 출발한 유나이티드항공 328편은 이륙 4분 만에 치명적인 엔진 고장을 겪었습니다. 다행히도 항공기는 공항으로 회항하여 무사히 착륙했습니다. 미국 연방항공청(FAA)이 안전 규정을 지속적으로 개선하고 있지만, 치명적인 엔진 고장을 예방하기 위해서는 더 많은 조치가 필요합니다.

제조 과정의 초기 단계인 1차 금속 가공 단계에서 개선이 이루어질 수 있습니다. 재료는 부품이 겪는 극심한 응력과 극한 온도를 견딜 수 있도록 제작되어야 합니다. 예를 들어, 터빈 블레이드를 고정하고 분당 10,000회 이상(>10,000rpm) 회전하며 최대 1,700°C의 온도에서 작동하는 터빈 디스크가 바로 그런 경우입니다. UA 328편 사고에서 입증된 바와 같이, 팬 블레이드 역시 취약합니다. 미국 국가교통안전위원회(NTSB)는 사고 원인이 팬 블레이드 이탈이라고 결론지었습니다. 두 개의 팬 블레이드가 금속 피로로 인해 파단되었는데, 이는 1차 금속 가공 과정에서 발생할 수 있는 거시적 및 미시적 불연속성의 결과인 경우가 많습니다.

오늘날의 제조 공정으로는 미래의 항공기 엔진 부품을 생산할 수 없습니다. 이러한 기준을 충족시키기 위해서는 부품 제조 분야에서 혁명이 필요하며, 이를 통해 흠잡을 데 없는 공정과 정밀 장비가 소재가 최대 성능을 발휘할 수 있다는 확신을 심어주어야 합니다.

Ampere Scientific과 Consarc Corp.은 센서와 소프트웨어 지능을 활용해 부품 제조 분야에 혁신을 일으키기 위해 힘을 합쳤다. 두 회사의 현재 목표는 진공 아크 재용융(VAR) 공정 중 핵심 엔진 부품의 결함을 유발할 수 있는 상황을 감지하는 것이다. 이들은 이 기술을 활용해 결함을 유발하는 상황을 예측하고, 결함이 발생하지 않도록 방지할 계획이다.

VAR 용해로는 항공기의 핵심 항공기 엔진 부품으로 가공되는 특수 합금을 재용해 및 정제합니다. 현재의 VAR 용해로는 성장 중인 잉곳을 직접 평가하거나 실시간으로 시각화하는 대신, 전기 신호를 통해 공정 제어 및 잉곳 품질 평가를 수행합니다.

앰페어 사이언티픽(Ampere Scientific)은 용융 공정을 가시화하는 자사의 VARmetric 아크 위치 감지 기술을 통해 이러한 상황을 바꾸어 나가겠다는 의지를 보이고 있습니다. VARmetric은 첨단 전자기장 감지 기술과 콘사크(Consarc)의 VAR 용광로 측정 기술을 결합하여, 기존에는 용융 과정에서 감지할 수 없었던 용광로의 작동 특성을 포착, 기록 및 표시합니다. 이 기술은 콘사크의 제어 시스템을 활용하여 용광로의 전류, 전압, 진공도, 로드셀, 램 위치/속도 및 전자기 교반 상태를 모니터링합니다. 그런 다음 VARmetric은 VAR 전역의 다양한 위치에서 측정된 자기장 데이터를 통합하여 VAR 내부 아크의 위치를 시각화합니다.

 

그 결과 다음과 같은 실시간 데이터가 표시됩니다:

• 용광로 운전 특성(전류, 전압, 진공도, 용융 속도, 램 속도 등)의 그래프
• VAR 환형 카메라에서 촬영한 영상 위에 중첩된 방사형 호 위치
• 시간에 따른 아크 분포
• 시간에 따른 전극의 형상 및 위치
• 측면 아크 발생, 아크 간격 확대, 기타 이상 현상 또는 전극 이동에 대한 경보

이 데이터는 잉곳이 생산되는 과정에서 운영자가 확인할 수 있으며, 모든 적격 합금 잉곳에 대한 유통 이력 기록의 일부로 활용될 수 있습니다. 이 정보를 통해 디지털 트윈의 일환으로 운영 중 발생할 수 있는 응고 결함의 확률을 계산할 수 있습니다. 이를 통해 금속 생산업체, 엔진 OEM(주문자 상표 부착 생산) 업체 및 규제 기관은 사용 중인 자재가 일관되게 생산되었으며, 극한 환경에서 예상되는 가혹한 조건을 견딜 수 있다는 점에 대해 더 큰 확신을 가질 수 있습니다. VARmetric은 용해 공정 전반에 걸쳐 데이터를 수집하여, 완제품에 대한 미시적 또는 거시적 품질 테스트가 수행되기 훨씬 전에 잉곳 품질을 평가할 수 있는 상세한 지도를 생성합니다. VARmetric은 기술이 성숙해지고 데이터 저장량이 증가함에 따라 조기 경보 시스템의 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통해 운영자는 용해 과정에서 선제적으로 대응하여 생산 중 공정 한계를 초과하는 것을 방지함으로써 매번 모든 용해 공정에서 일관되게 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

이러한 지침을 따르면 응고 결함이 줄어들고 잉곳 품질에 대한 신뢰도가 높아질 것입니다. 고품질 잉곳은 고품질 부품을 생산하게 되며, 이는 차세대 항공기가 더 가볍고, 더 빠르며, 더 튼튼하고, 더 안전하게 비행하는 데 기여할 것입니다.

 

출처: Aerospace Manufacturing & Design