에어버스, 미래 지속가능한 비행 위한 바이오닉 디자인 혁신을 이어간다

2015년 Redshift가 이 기사를 처음 게재했을 때, 에어버스는 2050년까지 온실 가스 배출을 절반으로 줄이겠다는 목표로 A320의 요소를 재설계하면서 보다 지속가능한 항공기를 구성하는 노력을 시작했다. 에어버스는 승무원용 접이식 좌석을 지지하는 파티션을 재구상의 결실로 삼았다.

제너레이티브 디자인 기술 덕분에 초기 연구개발에서 금속 적층제조를 활용하여 기존 대비 45% 더 가벼운 파티션을 만들어냈다. 아쉽게도 금속 적층법의 경제성이 확보되지 않아 바이오닉 파티션(Bionic partition)은 생산으로 이어지지 못했다. 하지만 제너레이티브 디자인 기술은 더 많은 전통 제조 공정에 새로운 기능을 더하면서 계속해서 발전돼왔다.

이러한 발전은 에어버스에게 바이오닉 파티션에 대한 새로운 관점을 열어주었다. 에어버스의 최신 파티션은 다시 한 번 제너레이티브 디자인을 이용했다. 이는 먼저 3D 프린팅으로 플라스틱 틀을 만들고 이를 비행에 적합한 금속합금으로 주조했다. 이렇게 주조된 파티션은 이전 모델만큼 가벼워, 결과적으로 동일한 무게 감량과 함께 그에 따른 연료 효율성도 이끌어냈다.

이제 주조에 적합해진 제너레이티브 디자인은 에어버스에게 비용, 효율성 등 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 지속가능성을 이룰 수 있게 해준다. 최신 파티션 설계는 첫 바이오닉 파티션 모델과 동일한 무게와 강도이면서도 훨씬 적은 비용으로 제조가 가능하기 때문이다. 아래 기사로 에어버스의 혁신을 위한 여정을 살펴 볼 수 있다. – 에린 한슨(Erin Hanson), 레드시프트(Redshift) 편집 매니저

비행기를 타고 휴가 가는 상상을 해보라. 갑작스런 난기류를 피하기 위해 비행기 날개 모양이 변한다. 혹은 비행기가 비행 도중 충돌했는데 그 충격으로 생긴 구멍이 눈 앞에서 메워진다. 또한 비행기 본체가 투명해져서 모든 방향을 내다볼 수 있다.

이것이 에어버스가 2011년 소개한 컨셉 캐빈(Concept Cabin)의 비전이다. 말도 안 되는 이야기 같지만, 짐작했듯이 그 미래가 지금 시작되고 있다.

에어버스는 제너레이티브 디자인 소프트웨어와 3D 프린팅 기술을 이용하여 바이오닉 파티션(bionic partition)을 제조하기 위해 최근 뉴욕에 있는 건축사무소 더리빙(The Living)과 협업했다. 이 부품은 얇지만 승무원과 승객을 분리시키고, 비상용 들것이 접근할 수 있는 공간을 확보하며 이착륙 시 승무원들의 접이식 좌석을 고정하는 아주 중요한 역할을 한다.

이 바이오닉 디자인 파티션은 약 30 킬로그램(66파운드)의 무게로, 기존 파티션 대비 45퍼센트 가벼워 결과적으로 연료와 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 하지만 이 에어버스 파티션의 가장 놀라운 점은 그 디자인이 점균류(slime mold)라 불리는 단세포 유기체를 기반으로 하고 있다는 것이다.

에어버스의 바스티안 쉐퍼(Bastian Schaefer) 이노베이션 매니저(Innovation Manager)는 “점균류는 아주 흥미로운 유기체”라고 말했다. 그는 “이 유기체가 숲 속 어딘가의 땅에서 먹이를 찾아 기어 다니는 것을 상상해 보라. 유기체는 모든 방향으로 뻗어나가 몸체와 주변 식량원 사이에 중복 연결 네트워크를 만든다. 우리는 파티션 내의 구조적 연결을 찾기 위해 바로 이 작용을 이용한다”고 전했다. 그는 또 “알고리즘을 이용하여 파티션의 모든 인터페이스 지점들을 비행기 기본 구조에 연결할 뿐만 아니라, 승무원들의 좌석을 지탱하기 위해 파티션 내부까지 연결한다. 이것이 파티션 내부에 복수의 구조적 중층 네트워크를 만들 수 있도록 해준다”고 덧붙였다.

쉐퍼 매니저가 말한 알고리즘을 만들기 위해 더리빙은 제너레이티브 디자인 소프트웨어를 만들었다. 제작팀은 오리지널 설계를 생성하기 위해 툴에 제어 요소를 입력했고, 무게 감소와 성능 이 두 가지를 목표로 두었다. 무게 감소의 경우, 팀은 당초 30퍼센트 감소를 목표로 했지만 바이오닉 디자인을 통해45퍼센트를 감소시킬 수 있었다.

쉐퍼 매니저는 “제너레이티브 디자인은 기본적으로 목표를 정의하는 것이다”라고 말했다. 그는 “목표가 무게를 줄이는 것이라면, 소프트웨어는 알고리즘을 이용하여 그 목표를 이루도록 도와준다. 하지만 또한 구조적 성능과 같은 다른 목표들을 실행시킬 수도 있다. 바이오닉 파티션의 경우, 16그램 충돌 테스트에서 200밀리미터 너비 이상 휘어지지 않도록 하는 목표를 설정했다”고 밝혔다.

팀은 초기 설계 변수에서 파티션 관련 1만 개가 넘는 설계 조합을 얻었다. 에어버스는 빅데이터 분석을 기반으로, 반복 설계 수를 줄이고 제작에 들어갈 최고 성능의 최종 설계를 선정했다. 쉐퍼 매니저는 “우리는 무게와 휘어짐을 설계 변수로 둔 시각적 그래프를 활용했고, 모든 설계 솔루션들이 그래프 상의 점들로 나타나도록 했다”고 말했다. 그는 또 “그렇게 몇 개의 설계 솔루션들을 선정하여 보다 정밀한 분석을 통해 자세히 살펴 보는 작업이 쉽게 이루어 졌다”고 전했다.

에어버스는 제조할 설계를 선정한 후 제조 작업을 위해 보솜 컨셉트 레이저 M2(Bosom Concept Laser M2), EOS M290, 큰 부품들을 위한 EOS M400 등 세 가지의 적층제조 시스템을 이용했다. 쉐퍼 매니저는 “우리는 파티션 전체를 하위 구성 부품들로 나누어 프린터 내 이용 가능한 공간 안에 삽입했다”고 설명했다. 그는 이어 “어느 프린터가 작은 부품을 만들지, 어느 프린터가 큰 부품을 만들지 결정해야 했다. 결정 후에는 프린팅 과정을 동시에 시작했다. 하나의 전체 파티션을 만들기 위해 적어도 일곱 번은 프린팅을 해야 했다”고 말했다.

쉐퍼 매니저는 “우리에게는 116개의 부품들이 있었고, 이 모든 부품들에는 가공해야 할 연결 장치들이 있었다. 파티션이 이 구성 부품들로 작동될 것인가 하는 것이 항상 문제였다”고 설명했다. 계속해서 그는 “하지만 마침내 모든 것이 딱 맞아떨어졌다. 우리가 파티션을 들어올렸을 때, 파티션은 놀랍도록 가볍고 단단했다. 이 결과로 제너레이티브 디자인 기술이 성공할 것이라는 확신을 주었다”고 밝혔다.

쉐퍼 매니저는 이와 같은 무게 감소가 과거에는 가능하지 않았다고 언급했다. 그는 “우리가 이것을 지금 성취할 수 있었던 것은 간단하게 말해 제너레이티브 디자인과 3D 프린팅 기술을 결합했기 때문이다”라고 전했다.

현재의 산업 적층제조 기계들은 대부분 항공기의 작은 부품들만 프린팅할 수 있다. 더 큰 프린터들은 항공기의 더 큰 부품들을 제작할 수 있다는 것을 의미한다. 결국 에어버스는 파티션보다 두 배는 더 큰 조종석을3D 프린팅하는데 집중할 것이다. 이것은 내부에서 완전히 밀폐될 수 있어야 하고, 방탄 보안을 갖추어야 한다. 점균류를 바이오닉 디자인의 원리로 이용하는 것을 넘어, 에어버스는 새로운 머리받침 등과 같은 것을 만들어내기 위해 식물에 기초한 다른 알고리즘들을 개발할지도 모른다. 아주 튼튼한 수직 안정판이나 제트 엔진 구성부품들을 설계하기 위해 인간 형질을 바탕으로 한 알고리즘이 현실이 될 수도 있다. 에어버스는 제너레이티브 디자인을 이용하여 언젠가 항공기 전체를 3D 프린팅 할 수 있길 기대하고 있다.

쉐퍼 매니저는 “미래의 항공 여행에 있어서 에어버스가 가지고 있는 큰 비전 중 하나는 바로 지속가능성이다”고 강조했다. 그는 “우리는 우리 제품 자체 뿐만 아니라 운항, 그리고 제품 제조 방법까지 그 라이프 사이클에 대한 연구에 전념하고 있다. 이것이 우리가 항공기 설계에 있어 생체모방기술(biomimicry)로 향하는 새로운 길을 갈 수 있도록 해준다”고 말했다. 그는 이어 “바이오닉 파티션은 생체 모방 기술 영역에 기반을 둔 제품이다. 하지만 결국 우리의 제품은 수명이 다했을 때 재활용할 수 있어야 하기 때문에 우리는 제품의 라이프 사이클 과정 전체에 관심을 가진다. 미래에 언젠가는, 아마도 2020년이나 22세기에는 비행기도 먹을 수 있게 될 것이다”고 말했다.