AH64D 헬리콥터 설계에 대한 DFMA 적용
Alfredo Herrera, 차원관리 기술 책임자, McDonnell Douglas Helicopter Systems Mesa, Arizona
요약
이 연구는 Longbow Apache Helicopter 개발을 위해 설계, 제조, 품질 및 지원 엔지니어가 사용하는 DFMA 방법론의 효과를 조사합니다. 데이터는 Longbow 시제품 Helicopter Crew Station의 여러 재설계된 영역에 대한 통합 제품 개발(IPD) 팀을 통해 수집되었습니다. 연구 결과는 상당한 비용과 무게 절감으로 알 수 있듯이 DFMA가 효과적인 접근 방식이 될 수 있음을 보여줍니다.
소개
DFMA는 설계자가 부품 수 감소, 조립 시간 단축 또는 하위 어셈블리 단순화가 필요할 때 사용하는 설계 개념입니다. 부품이 아무리 복잡하거나 환경이 기술적으로 아무리 진보되어 있더라도 모든 환경에서 사용할 수 있습니다. 제조 비용이 문제가 되는 제품의 비용 절감에 적합 합니다. DFMA는 제품 설계 시 제품 품질이 디자이너와 개발 팀의 다른 구성원 모두에게 유지되도록 동시 엔지니어링을 권장합니다.
수백 개의 국내외 기업에서 DFMA를 사용하여 제조 및 조립 시간을 동시에 단축합니다. Allied-Signal, Motorola, Hughes Aircraft, McDonnell Douglas Corporation과 같은 미국내 기업은 이미 제품 라인 전반에 DFMA 개념을 구현했습니다. DFMA 구현 프로세스는 새로운 설계 요구 사항이 설정되거나 Longbow Apache Helicopter의 경우와 같이 기존 설계에서 제품 최적화가 필요한 경우 두 가지 단계로 수행될 수 있습니다. 설계자는 초기 설계 단계에서 이전에 설정된 요구 사항을 수행하기 위해 최소 부품이 필요하고 설치가 쉬운 조립품 구상하여 단순한 개념 설계를 수행합니다. 두 번째 단계에서 설계자는 기존 조립품을 재설계하거나 새로운 조립품을 설계하여 제조 및 조립, 설치를 용이하게 하기 위한 설계 최적화를 구현합니다. 이는 또한 신뢰성 및 유지 관리 요구 사항을 충족하여 설계를 비용 절감 및 고객 만족으로 전환합니다. DFMA의 이점을 극대화하기 위해 설계자는 사용 가능한 제조 공정에 대한 우수한 실무 지식과 부품을 생산할 수 있는 프로세스 역량을 갖추어야 합니다. 설계 및 제조 요소는 최상의 제조 접근 방식을 결정하기 위해 긴밀히 협력해야 합니다. DFMA의 효율성을 높이는 최첨단 제조 공정을 검토하면 이러한 시너지 효과와 통계적 프로세스 역량(SPC)의 가용성을 이해하는 수단이 제공됩니다.
고속 가공(HSM)
HSM은 기체 구조 설계 분야에서 DFMA 공정에서 주로 사용되는 공정 이였습니다. 10,000RPM 이상의 속도로 가공하는 행위로 정의할 수 있습니다. 고속 가공 장비는 DFMA 환경에서 사용할 때 일반적으로 많은 기계적으로 체결된 판금 부품으로 설계된 복잡한 기하학적 부품을 신속하게 만들 수 있는 가공 기능을 제공하여 부품 수를 줄일 수 있는 제조 도구입니다.
HSM은 24,000~40,000RPM의 스핀들 속도를 창출하는 개선된 기계 절삭 스핀들 기술을 활용하여 DFMA를 지원합니다. 재료의 황삭 가공과 정삭 가공을 단일 기계 작업으로 결합 합니다. 열 축적과 열 성장을 줄여 안정적인 가공 작업과 정밀한 공차 기능을 제공합니다.
현재 McDonnell Douglas Aerospace에서 F/A-18 E/F 항전 선반과 Aileron Closure Rib, T-45 Nose Landing Gear Door, C-17 Cargo Floor Ramp 등 여러 진행 중인 항공기 프로그램에 사용하고 있을 정도로 성공적이었습니다.
이를 적용하면 복잡한 조립품이 간단한 부품 조립품으로 변환되어 부품 수가 줄어들고 조립 공정이 간소화됩니다. 부품 수를 줄이면 다른 영역에서도 절감 효과가 나타납니다. 예를 들어, 부품 비용, 제작 및 조립 시간이 줄어들고 금형 및 툴링 설계 및 제작 비용이 줄어듭니다. CAD 또는 CAM과 같은 컴퓨터 지원 설계 시스템 모델에서 고속 기계 자체로 설계가 직접 전송되므로 금형 및 툴링 제작 공정을 없앨 수 있어 큰 절감 효과가 있습니다. 이는 수치 제어(NC) 및 좌표 측정기(CMM) 프로그래밍을 위한 것입니다. 추가적으로, 그것은 품질을 향상시키고 설계 유연성을 제공하며 고정 장치의 부재로 인한 중량을 줄일 수 있습니다.
복합 재 설계 (Composite Design)
복합 재 설계는 여러 부품을 하나로 결합하여 부품 수를 최소화하는 데 도움이 되므로 조립 공정에 도움이 됩니다. HSM과 유사한 방식으로 제조에 유리한 조립 시간이 단축됩니다. 그러나 이 제조 공정은 부품의 두께를 형성하는 모든 겹(Ply)를 설정하는 데 걸리는 시간 때문에 노동 집약적입니다. 각 겹 (Ply)는 오토클레이브(autoclave)에서 경화되므로 나중에 형상을 만들기 위해 절단되고, 적층된 다음 접착제와 함께 결합되어야 합니다. 또한 금형은 복잡한 부품을 형성하고 모양을 잡는 데 사용되므로 값비싼 금형이 필요합니다. 금형 마모는 금형 사용 빈도로 인해 복합 제조 공정에서 발생하는 또 다른 문제입니다.
복합재는 습도로 인해 손상되거나 적층이 늘어지는 현상이 발생하기 쉽고, 사용 장소와 방법에 따라 추후 수리에 많은 비용이 소요 됩니다.
초 소성 성형(Superplastic Forming : SPF)
초 소성 성형(SPF)은 특정 유형의 알루미늄 합금, 예를 들어, 금속을 부품 구성으로 성형하기 위해 오븐 내부의 금형 위에 뜨거운 공기를 불어 넣어 알루미늄 2004를 형성하는 공정입니다. 장점은 금형 마모가 거의 없기 때문에 부품 거부율이 낮다는 것입니다. 보조 부품을 하나의 부품으로 통합하여 복잡한 부품을 단순화합니다. 금속이 소성 지점에서 성형되므로 복합 곡률 형상의 성형도 가능합니다. 그러나 SPF는 오븐 크기 제한으로 인해 작은 부품으로 제한 됩니다.
DFMA는 이미 McDonnell Douglas Corporation이 군사 및 상업 부문에서 사용한 절감 도구임이 입증되었습니다. 군사 부문에서 F/A-18 C/D Bay 4R 선반에서 상당한 절감이 이루어졌습니다. 부품 수에서 84%, 비용에서 73%, 무게에서 11%, 조립 시간에서 89%가 절감되었습니다. F/A-18 C/D를 F/A-18 E/F로 전환하는 과정에서 부품 수가 1,744개에서 1,048개로 감소했습니다. 상업 부문에서 MD-11 화물 라이너는 항공기당 $86,000의 비용 절감이 있었고 MD-11 #2 벌크헤드는 $4,000의 비용 절감이 있었습니다. 일반적으로 McDonnell Douglas가 수행한 부품 수 감소는 여러 항공기 부품 및 조립품에서 36%~96% 범위였습니다.
미 육군의 A 모델 아파치 헬리콥터의 항공전자 업그레이드 개발에서 McDonnell Douglas Helicopter Systems(MDHS)는 사용 가능한 모든 설계 및 제조 도구를 활용했습니다. DFMA는 이러한 도구 중 하나였습니다. DFMA는 AH-64D 헬리콥터(Longbow) 프로그램에서 세 가지 보조 도구인 고속 가공 장비(HSM), 복합 재 설계, 초 소성 성형(SPF)과 함께 사용되었습니다. HSM과 SPF는 기체 구조 설계와 환경 제어 시스템(ECS)의 복합재에 사용되었습니다.
문제에 대한 기술
Longbow Apache Helicopter의 엔지니어링 개발 중에 MDHS는 전통적인 설계 방법으로는 어려운 예산과 일정을 적절하게 지원할 수 없다는 것을 발견했습니다. 프로그램 목표를 지원하기 위해 새로운 설계 방법을 확보하고 구현해야 했습니다.
문헌 검토
전 세계 500개 이상의 기업에서 DFMA는 국내 및 세계 시장에서 경쟁하기 위한 노력에서 필수적인 설계 도구가 되었습니다. McDonnell Douglas가 St. Louis 공장에서 수행한 50개 이상의 사례 연구에 대한 출판된 문헌에서 수집한 데이터는 DFMA 방법론의 힘을 개략적으로 설명합니다. 그 결과 중 일부는 다음과 같습니다. 제조 주기 시간 단축, 부품 수 감소, 부품 비용 절감, 시장 출시 기간 단축, 품질 및 신뢰성 향상, 조립 시간 단축입니다.
로드아일랜드 대학의 산업공학과 교수인 Geoffrey Boothroid에 따르면, DFA 및 DFM으로 알려진 방법은 1970년대 후반 Massachusetts 대학에서 시작되었습니다. 고려해야 할 모든 문제 중에서 업계는 DFA에 가장 관심이 많았습니다.
제품을 개발할 때 설계 및 제조 주기의 모든 단계를 고려하지 않고는 최대 잠재력을 달성할 수 없습니다. DFMA는 제품이 시 제품 단계로 넘어가기 전에 주요 조립 요소를 해결하여 이러한 요구 사항을 충족합니다. 이러한 핵심 요소는 제품 외관, 유형, 제품에 필요한 부품 수, 필요한 조립 동작 및 공정입니다.
가설의 기술
다른 프로그램의 비용과 시간을 줄이기 위한 DFMA의 성공을 바탕으로, Longbow Apache 현대화 프로그램에 적용하는 것도 비슷한 절감 효과가 있을 것입니다. Longbow Apache 승무원 스테이션의 설계에 DFMA를 활용하면 부품 수, 제조 시간, 조립 시간을 줄일 수 있으며 이 모든 것이 비용 절감에 도움이 됩니다. 조립의 단순화와 고정 장치의 감소는 승무원 스테이션 영역의 무게도 줄일 것입니다.
방법론
1994년과 1995년 동안 MDHS는 6대의 롱보우 프로토타입 헬리콥터 중 하나를 재설계하고 최적화했습니다. 이 재설계를 수행하기 위해 통합 제품 개발(IPD : Integrated Product Development)팀이 구성되었습니다. IPD 팀은 엔지니어링, 제조, 조달, 공급업체, 제품 지원, 품질 등 여러 조직의 대표자가 함께 작업하여 제품 설계를 개발하기 위해 함께 일하는 동시 공학팀 입니다. 이 설계는 팀 개념 없이 다른 조직과 일반적으로 직면하는 예산과 긴 일정 없이 단기간에 생산에 도입됩니다.
시 제품 개발 단계에서 헬리콥터 6대가 완성되었고, 이 단계에서 얻은 경험은 Longbow Initiatives Project에 적용되었습니다. 이 프로젝트 동안, 이전 시 제품 항공기 구성을 개선 하기 위해 개발 및 구현된 설계 및 생산 엔지니어링 및 계획(PEP)은 이를 달성하기 위한 보조 수단으로 DFMA를 사용했습니다.
DFMA는 승무원 스테이션 내의 제한된 수의 부품과 Longbow Apache Helicopter의 Improved Extended Avionics Bay(IEFAB)에 적용되었습니다. 데이터는 IPD 팀에서 수집 및 기록되었으며 DFMA를 사용하지 않고 설계된 기본 시 제품 헬리콥터와 비교했습니다.
각 DFMA 사례 연구는 기존 조립품을 재설계하여 수행되었습니다. IPD 팀은 재료, 기능, 부품 위치를 포함한 요구 사항을 충족하고 분석했습니다. 일단, 예비 설계가 완료되면 팀은 부품 수, 무게, 조립 시간을 줄이기 위한 연구를 수행 하였습니다.
데이터는 DFMA 프로세스에 참여한 각 IPD 팀원으로부터 얻었습니다. 그들의 추정치, 표 및 일정이 분석되었습니다. 생산 가능성 분석, 설계 개념 설명 및 목록, 중량 데이터 분석, 설계 및 제조 계획에 따른 일정, 비용 추정치 및 최소 4개 조립품에 대한 자세한 DFMA 계획을 포함하여 Longbow Apache 프로그램의 DFMA 응용 프로그램과 관련하여 찾을 수 있는 모든 데이터가 DFMA의 영향을 평가하는 데 사용되었습니다. 데이터는 IPD Team에서 제공하는 대로 수집되고 요약되었습니다.
수집된 데이터는 Boothroyd Dewhurst Inc.(BDI)의 DFA 7.1a 소프트웨어에 로드되었습니다. 이 소프트웨어는 설계, 제조, 조립 공정 및 사용된 재료를 분석합니다. 그런 다음 DFMA 알고리즘을 사용하여 설계를 개선하는 방법에 대한 권장 사항을 요약하고 제공합니다.
결과
첫 번째로 검토된 조립품은 판금 앵글과 압출 스티프너의 조합으로 구성된 조종사의 계기판 입니다. 패널 자체는 기존 기체 구조에 리벳으로 부착됩니다. 무게가 3.00kg인 74개 부품으로 구성되어 있습니다. 이 계기판의 제작 시간은 305시간입니다. 이 패널은 모든 브래킷과 앵글을 성형하는 데 필요한 금형 외에도 최종 조립 고정 장치를 위한 공구가 필요합니다. IPD 팀 개념과 HSDM의 가용성과 함께 DFMA를 활용하여 조종사의 계기판을 단 9개 부품으로 재설계했습니다.
이후 분석 결과 제작 시간을 20시간으로 줄일 수 있다는 데이터가 나왔습니다. 총 제조 및 조립 시간은 697시간에서 181시간으로 단축되고, 무게는 2.74kg으로 감소하며, 총 비용은 74% 절감 되었습니다. 조종사의 계기판 DFMA 개념이 나타나 있으며, 위의 표는 조종사의 계기판에 대한 추정 비교를 요약한 것입니다.
또한 다른 세 영역에 대한 데이터를 얻었습니다. Co-Pilot Gunner(CPG) 계기판은 조립 복잡성, 조립에 필요한 부품 및 리벳 등으로 DFMA에 적합한 후보였습니다. 여기에는 Up-Front Display (UFD) 트레이와 Multifunction Display(MFD) 트레이가 포함되었습니다. CPG 계기판의 마지막 두 하위 조립품은 조립을 매우 어렵게 만들었고 조립 활동과 최종 장착을 위해 광범위한 노동력 을 필요로 했습니다.
원래 부품의 총 수는 87개였습니다. 현재는 12개 부품으로 줄었는데, 그중 7개는 기계 가공 부품이고 5개는 판금/복합 부품입니다. 원래 계기판은 전체 부품의 90% 이상을 차지하는 판금 부품과 기계적으로 체결된 몇 개의 기계 부품의 조합입니다. UFD 및 MFD 트레이의 하위 조립을 수행하려면 벤치 툴링이 필요하므로 작업이 매우 어렵습니다.
간소화된 DFMA 계기판으로 하위 조립이 최소화되어 상당한 시간과 비용 절감은 물론 무게도 절감할 수 있습니다. DFA 결과 요약은 계기판 상단 조립 도면 7-511171010-1에 대한 BDI 소프트웨어 분석을 활용하여 수행한 DFMA 평가의 일부를 보여줍니다. 이 표는 제조업체가 CPG 계기판을 생산하고 조립하는 데 필요한 데이터를 제공하며 작업을 완료 하는 데 필요한 부품 수, 시간, 공정 및 비용을 나타냅니다.
BDI 소프트웨어는 필요한 모든 작업을 완벽하게 분석하여 결과 요약하여 제공합니다. 특정 부품 또는 부품을 만들고 조립하는 데 얼마나 오래 걸리는지에 대한 일반적인 개요가 제공됩니다. 또한 현재 설계를 개선하기 위한 제안이 포함된 분석 프로필이 제공됩니다.
DFMA는 제조 팀 구성원이 얻을 수 있는 절감액을 추정하고 예측하는 데 사용됩니다. 데이터가 입력되고 시스템은 다양한 영역에서 분석을 수행합니다. 작업 수를 포함하여 조립을 수행하는 데 필요한 모든 활동의 전체 목록은 조립에 필요한 최소 품목과 품목 비용을 나타냅니다. 이는 수행할 작업에 대한 전체 개요를 제공합니다.
DFMA는 수행해야 할 작업 수, 필요한 고정 장치, 설치해야 할 커넥터, 제거 후보, 손이 닿지 않거나, 재고가 없는 품목의 획득, 보유하고 있지 않은 도구의 획득, 표준 작업, 라이브러리 작업 및 방향 변경을 이론화하는 설정된 표준 형식에 대한 조립 분석 프로필을 수행합니다. 이러한 모든 작업에 번호가 매겨지고 표시되면 자동으로 개선을 위한 제안을 제공합니다.
DFMA는 설계 및 조립에 대한 제안을 제공합니다. 모든 작업에 대한 지침을 제공하고 시간 절약 및 비율 감소를 표시합니다. 제안된 비용 절감을 얻기 위해 관련 작업을 수행하도록 구체적인 지침을 나타냅니다.
또한 조립 설계 분석 합계(Design for Assembly Analysis Totals)라는 항목에 총 조립 시간, 총 조립 비용, 총 조립 중량, 부품 및 하위 조립품 수, 이론적 최소 부품 수 또는 분석되지 않은 하위 조립품 수, 시간당 인건 비 등 분석에 사용된 모든 매개변수가 나열됩니다.
컴퓨터로 생성된 표에 포함된 모든 제안과 의견은 설계자와 제조 엔지니어가 작업에 대한 더 나은 시각을 얻을 수 있도록 자동으로 제공됩니다.
조립품 재설계 제안 Copilot의 계기판에 장착된 UFD Tray Assembly (-13), MFD Tray (-57), MFD Tray (-49), Bracket (-119), Closeout Assembly (-29 및 -31), UFD Tray Assembly (-3), Tee (-125)에 대한 상세한 분석을 제공합니다. 기능 부품에 일체형 체결 요소를 통합하거나 다른 고정 방법을 사용하여 리벳과 같은 하드웨어 축소를 제안합니다. 부품을 다른 부품과 결합하여 부품 축소를 권장합니다. 모따기, 립, 리드를 추가하여 하드웨어를 줄일 수도 있습니다. Bracket (-119), Closeout Assembly (-29 및 -31), UFD Tray Assembly (-3), MFD Tray (-57), MFD Tray (-49)에 대한 제한 없는 시야를 제공하기 위해 조립품 재설계가 제안 됩니다. 자세한 시간 절약 및 백분율 절감이 제공됩니다.
적용된 영역에서는 각각 약 74%, 8%, 74%의 상당한 비용, 무게 및 일정 절감 효과가 있었습니다.
결론
항공기 산업과 이 경우 MDHS가 유익하게 혜택을 볼 수 있는 교훈은 많습니다. 다른 회사의 경험에 따르면 DFMA를 완전히 구현하려면 다양한 태도와 관행을 육성해야 하는 것 같습니다. 많은 회사가 그들의 세계적 수준의 경쟁력이 DFMA 덕분 이라고 생각 합니다. John Deere and Company는 "DFMA를 가장 먼저 구현하는 회사가 세계적 수준의 경쟁자가 될 것이고, DFMA를 마지막으로 구현하는 회사는 세계적 경쟁력에 대해 걱정할 필요가 없을 것"이라고 말합니다. 따라서 DFMA를 적용하면 MDHS가 헬리콥터 제조 산업에서 세계적 수준의 경쟁자가 되는 데 도움이 될 수 있으며, St. Louis의 McDonnell Douglas에 에 의해 시작되었고 매우 성공적인 것으로 입증되었습니다.
DFMA의 활용은 광범위하지 않았습니다. 비용, 무게, 개발 일정이 프로그램 개발의 주요 동인 일 때 DFMA가 성공적으로 기여할 수 있음을 시사합니다.
DFMA의 활용도가 일부 구성요소에 국한되었음에도 불구하고 Longbow Apache Program에서 성공적으로 수행되었음을 시사합니다. 모든 설계 활동에서 사용할 수 있었다면, 이전에 표시된 매개변수(비용, 무게, 개발 일정)를 줄이는 데 더 큰 도움이 되었을 것입니다. 부품 수는 87% 감소했고, 제작 시간은 93% 감소했고, 조립 시간은 94% 감소했고, 무게는 10% 감소했고, 비용은 74% 감소했습니다.
교육 및 워크숍은 필수입니다. 모든 팀원이 DFMA의 내용과 궁극적인 목표를 이해한다면 DFMA의 활용은 더욱 성공적일 수 있습니다. DFMA에 대한 경영진의 헌신은 직원 교육에 대한 결정을 내림으로써 프로그램의 성공을 가져올 수 있습니다. 모든 전문가가 기본적인 교육을 받았으며 프로젝트 목표를 향한 전환이 더 쉬워질 것이라는 점은 이해되지만, 이러한 전문가에게 적절한 도구가 제공되지 않으면 프로그램의 성공이 위태로울 수 있습니다. 그렇기 때문에 교육 및 워크숍은 모든 프로그램의 성공을 위한 핵심 요소입니다.
DFMA가 효과적이기 위해서는 설계팀이 부품을 생산하는 데 사용될 생산 공정의 역량을 이해하고 이러한 한계 내에서 요구 사항을 설정해야 합니다.
추천사항
이 연구 과정에서 항공기 산업에서 DFMA를 활용하면 큰 이점을 제공할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 그래도 연구 범위로 인해 다루지 못한 분야가 있습니다. 분해를 위한 설계와 같은 영역에서 설계는 환경적 목적을 위한 조립의 향후 해체도 고려합니다.
DFMA는 구조 및 ECS 설계에만 적용되었지만 비행 제어, 엔진, 변속기, 유압 시스템 및 전기 및 항공 전자 부품을 수용하고 지원하는 데 사용되는 전기 기계 부품과 같은 영역에서도 사용할 수 있습니다. 이러한 분야는 연구되지 않았으며 향후 연구를 위한 주제가 될 수 있습니다.
DFMA를 구현하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 성공적으로 사용하고 다른 방식으로 일하던 사람들이 만든 모든 장벽을 극복하려면 올바른 태도가 필요합니다. 이 분야에 대한 추가 연구가 도움이 될 수 있습니다.
성공적인 DFMA 구현을 위해서는 더 많은 경영진의 참여와 관심이 필요할 뿐만 아니라 다른 팀원들이 조직 내 다른 팀원들과 마찬가지로 자신을 프로그램 개발의 참가자로 간주할 수 있도록 더 많은 권한을 제공해야 합니다. 일반 및 항공 산업에서 DFMA 구현의 결과와 성공을 고려할 때, 경영진의 참여와 헌신은 좋은 연구 주제가 될 수 있습니다.
공정에 관련된 사업의 재 설계 공학 도구를 자세히 살펴봐야 합니다. 차원 관리(DM : Dimensional Management)는 이 프로세스를 도울 수 있는 도구 중 하나입니다. DM은 제어 데이터의 적절한 식별, 허용 가능한 변동 예측, 주요 인터페이스 특성(KC) 정의, 부품 수 감소 및/또는 제품 정의 수명 주기 초기에 확립된 명확하게 정의된 제품 수용 기준과 같은 규율 있는 기술을 통해 조립품을 관리하는 데 사용되는 분석적이고 정량적인 접근 방식입니다. 고객의 목소리에 귀를 기울이면서 DM은 궁극적으로 조립에서 용이함을 산출하는 제품 특성 요구 사항을 수립하는 규율된 통합 제품 정의(IPD) 프로세스 내에서 활용되는 일련의 연상 개념 및 구조적 툴을 제공하여 운영 비용을 절감하고 부적합 부품 및 툴을 절감할 수 있습니다.
부연 설명
저자는 본 문서의 견해와 조사 결과가 필자의 것이며, 어떤 식으로든 McDonnell Douglas Helicopter Systems(MDHS)의 공식 의견을 반영하려는 것이 아님을 밝힙니다.