제1부 비행체 기술 기반
1.28 제조 기술과 대량 생산: 복합재 공정·적층 제조·저비용 설계
1.28.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
1.27은 어떤 재료를 어떤 하중에 사용하는지를 다뤘다. 이 장은 그 재료를 어떻게 만들고, 몇 개를 만들 때 얼마가 드는가를 다룬다. 설계가 아무리 좋아도 같은 품질로 반복해 만들지 못하면 제품이 아니다. 드론 산업에서 제조는 단가·납기·품질 편차·인증을 한꺼번에 정하는 변수다.
배우는 것:
- 복합재 공정 — 핸드 레이업·진공 인퓨전·프리프레그와 오토클레이브·오토클레이브 외 경화·RTM이 섬유 체적비와 기공, 곧 강성과 무게를 어떻게 바꾸는가.
- 적층 제조 — FDM·SLS·MJF·금속 분말 베드 용융의 장점과 한계, 항공 부품에 사용할 때 걸리는 공정 승인·재현성·검출 문제.
- 공정 선택의 손익분기 — 금형이 비싼 공정이 물량이 얼마일 때부터 싸지는가.
- 설계의 제조성 — 부품 수를 줄이고 조립 시간을 줄이는 지표(DFA 효율).
- 생산량과 학습 곡선 — Wright의 법칙을 계산하고, 학습이 되는 비용과 안 되는 비용을 구분하는 법.
- 품질 관리와 추적성 — 단계 수율의 곱, 공정 능력 지수, 첫 제품 검사, 로트 추적.
- 공급망 병목과 생산 승인 — 모터·배터리·카메라 모듈, 그리고 대량 생산에 붙는 인증.
선수 지식: 재료의 비강성·비강도와 복합재 특성 1.27.5·1.27.6, 에너지 가계부 1.26. 재료 시장과 공급망의 경제학은 21.4, 생산 승인 실무는 20.21, 군 소모성 기체의 경제학은 10.22이 맡는다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.28.3~1.28.5의 공정 선택을 본다. 사업 담당자는 1.28.7(학습 곡선)과 1.28.10을 읽는다. 가격 목표가 어디서 오고 왜 한계가 있는지가 나온다. 인증 담당자는 1.28.4와 1.28.8(공정 승인·추적성)을 본다. 정책 담당자는 1.28.9의 공급망 병목을 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 기술 장이다. 비용(달러 단위)은 모두 설명용 가정이며 견적이 아니다. 공정의 섬유 체적비·기공률 범위는 복합재 제조 문헌에서 흔히 인용되는
(경험 범위)다. 규격 번호는 확인한 것만 적었고, 기업 동향은 보도 기준이며(확인 필요)다. 계산은 파이썬(math)으로 했다.
1.28.2 개념·직관 — 제조는 설계가 만족해야 할 제약이다
부품 하나의 비용은 네 가지로 나뉜다. 재료비, 노동비, 금형·설비 상각, 검사·불량 비용이다. 이 가운데 물량이 늘면 변하는 것과 변하지 않는 것이 따로 있다. 금형 상각은 물량에 반비례해 줄고, 노동은 숙련으로 줄며(학습), 재료는 거의 줄지 않는다. 그래서 같은 설계도 100개를 만들 때의 최선 공정과 10,000개를 만들 때의 최선 공정이 다르다.
세 축은 같은 질문에 다른 답을 낸다.
- 군용 드론의 소모성 기체는 부품 수와 공정 수를 최소화해 개당 비용을 낮추고, 대량 생산 능력이 곧 전력이다(10.22). 재사용 기체는 수명과 정비성이 먼저다.
- 민간 UAS는 중소량이 많아 금형 없는 공정(프린트·가공·핸드 레이업)이 흔하고, 소비자용은 사출 성형으로 넘어가 대량 생산의 학습 효과를 본다.
- AAM은 소량이라도 공정 하나하나가 인증 대상이다. 같은 부품을 같은 공정으로 반복해 만든다는 입증(생산 승인)이 비용에서 무시할 수 없는 몫이다(20.21).
제조는 설계의 맨 뒤가 아니라 초기 제약이다. 재료와 형상이 정해진 뒤 "이건 어떻게 만드나"를 묻지 않고, 형상을 정할 때 공정이 낼 수 있는 곡률·두께·공차를 이미 알아야 한다.
1.28.3 복합재 공정
복합재 부품의 질은 섬유 체적비($V_f$)와 기공률(수지 안의 빈 공간 비율)로 정해진다. 섬유가 많이 들어갈수록 강성과 강도가 높고, 기공이 적을수록 층간 강도와 피로 수명이 좋다. 공정은 섬유를 얼마나 꽉 누르고 수지를 얼마나 덜어 내느냐에서 결정된다.
| 공정 | 섬유 체적비 | 기공률 | 금형·설비 | 노동·숙련 | 재현성 | 맞는 부품 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 핸드 레이업(진공 백 포함) | 0.30~0.40 | 2~5 % | 낮음(한 면 금형) | 높음 | 낮음 | 시제품, 큰 외피, 소량 |
| 진공 인퓨전(VARTM) | 0.45~0.55 | 1~3 % | 낮음~중간 | 중간 | 중간 | 중대형 외피, 중소량 |
| 프리프레그 + 오토클레이브 | 0.55~0.65 | 1 % 미만 | 높음(오토클레이브) | 높음 | 높음 | 주 구조, 인증 부품 |
| 프리프레그 + 오토클레이브 외 경화(OoA) | 0.55~0.60 | 1~2 % | 중간(오븐·진공) | 중간 | 중간~높음 | 큰 구조, 오토클레이브 없이 |
| RTM·압축 성형 | 0.50~0.60 | 1~2 % | 높음(강·알루미늄 금형) | 낮음 | 높음 | 중량산, 복잡 형상 |
표의 범위는 문헌에서 흔히 인용되는 (경험 범위)이며 재료와 장비에 따라 다르다. 프리프레그는 수지가 미리 스며든 섬유 시트로 냉동 보관하고, 오토클레이브는 열과 수 bar의 압력(0.3~0.7 MPa 안팎 (경험 범위))으로 눌러 경화한다. OoA는 오븐과 진공 백만으로 기공을 줄이도록 설계한 프리프레그다.
섬유 체적비가 강성에 얼마나 큰지 계산한다. 탄소섬유($E_f=230$ GPa, 밀도 1,800 kg/m³)와 에폭시($E_m=3.5$ GPa, 1,200 kg/m³), 섬유 방향의 혼합 법칙 $E_1=V_fE_f+(1-V_f)E_m$을 사용한다. 200 g/m² 직물 4플라이이면 섬유는 0.8 kg/m²이고, 두께가 줄수록 $V_f$가 오른다.
| 항목 | 핸드 레이업 수준 $V_f=0.40$ | 진공·오토클레이브 수준 $V_f=0.55$ |
|---|---|---|
| 두께 [mm] | 1.11 | 0.81 |
| 면밀도 [kg/m²] | 1.60 | 1.24 |
| $E_1$ [GPa] | 94 | 128 |
| 비강성 $E_1/\rho$ [MN·m/kg] | 65 | 84 |
같은 섬유를 사용해도 공정에 따라 강성이 27 % 낮고 무게가 29 % 무거워진다. 수지가 남아 있기 때문이다. 1.27의 UD 탄소 값($E_1=130$ GPa)은 $V_f\approx0.55$ 수준을 전제한 것이다. 설계 허용값은 그 값을 낸 공정에서만 유효하다. 공정을 바꾸면 허용값을 다시 쌓아야 한다(1.27.4).
금형 재료도 형상 정확도를 정한다. 프리프레그는 120~180 °C 안팎에서 경화한 뒤 상온으로 식는다. 금형과 부품의 열팽창계수가 다르면 식을 때 길이 변화가 달라져 부품이 휘거나 금형에서 안 빠진다. 탄소 복합재 부품의 섬유 방향 열팽창은 0에 가깝다. 길이 2 m인 부품이 130 K 식을 때 금형이 줄어드는 양은 다음과 같다(열팽창계수는 대표값 경험 범위).
| 금형 재료 | 열팽창계수 [10⁻⁶/K] | 길이 2 m, 130 K 냉각 시 수축 [mm] |
|---|---|---|
| 알루미늄 | 약 24 | 6.1 |
| 강 | 약 12 | 3.1 |
| 탄소 복합재 금형 | 약 2 | 0.5 |
| 인바(Invar) | 약 1.5 | 0.4 |
알루미늄 금형은 싸고 가공이 쉽지만 큰 정밀 부품에서 6 mm의 어긋남을 설계로 보상해야 한다. 그래서 정밀 구조는 인바나 탄소 복합재 금형을 사용하고, 대신 금형 비용이 오른다. 같은 부품도 금형 선택이 공정 비용 구조를 바꾼다.
1.28.4 적층 제조
적층 제조는 금형 없이 형상을 쌓는다. 용어는 ISO/ASTM 52900이 정한다. 금형이 없으니 비반복 비용이 거의 0이고, 복잡한 내부 구조(격자·내부 유로)와 통합 부품이 가능하다. 대가는 개당 비용이 물량에 안 내려간다는 점과 재현성·결함·허용값이다.
| 방식 | 재료 | 장점 | 한계 |
|---|---|---|---|
| FDM(용융 적층) | PLA·ABS·PETG·강화 필라멘트 | 싸고 쉬움, 시제품·지그 | 층간(Z) 강도 낮음, 표면 거침 |
| SLS(분말 소결) | PA12 등 분말 | 지지대 없음, 거의 등방, 소량 생산 | 표면 다공성, 분말 관리 |
| MJF(다중 제트 용융) | PA12 등 | 속도·반복성이 SLS보다 좋다고 알려져 있음 (제조사 주장) | 장비·분말 종속 |
| 금속 분말 베드 용융(L-PBF) | Ti-6Al-4V·Al·니켈 합금 | 복잡한 금속 형상, 통합 부품 | 기공·융합 부족, 잔류 응력, 후처리, 검사 |
FDM 부품의 층간 강도는 면내 강도의 30~70 % 안팎으로 알려져 있어 (경험 범위, 출력 조건 의존) 하중 방향이 층 방향과 어긋나면 약하다. 그래서 주 구조에는 방향을 맞추거나 사용하지 않는다. 비강도 표(1.27.5)에서 PA12는 비강성이 알루미늄의 15분의 1이었다. 프린트 폴리머는 외피·덕트·마운트·지그·시제품에 맞고, 금속 프린트는 작고 복잡한 부품(브래킷·유체 부품)에 맞다.
항공 부품에 사용할 때의 쟁점은 네 가지다.
- 공정 승인. 같은 파일을 다른 기계로 뽑으면 다른 부품이 나올 수 있다. 장비·분말·변수·후처리를 묶어 공정을 승인하고 바꾸면 다시 승인해야 한다. 산업 부지 인증의 틀로 ISO/ASTM 52920(2023)이 있고, 재료 규격으로 ASTM F2924·F3001(Ti-6Al-4V의 분말 베드 용융)이 있다. EASA에는 적층 제조 인증 메모 CM-S-008이 있으며
(발행 판과 개정 상태 확인 필요). - 재현성. 기계 상태·분말 재사용·온도 이력이 결과에 섞인다. 같은 로트 시험편(쿠폰)을 함께 만들어 확인한다.
- 결함과 검출. 내부 기공과 융합 부족은 겉에서 안 보인다. X선 단층(CT)으로 검사하지만 큰 부품과 복잡 형상에서는 한계가 있다.
- 허용값. 방향·위치에 따라 특성이 달라 통계 허용값을 쌓아야 한다(1.27.4). 후처리(열처리·고온 등압 성형)가 결정적이다.
소형 UAS의 비구조 부품은 이 승인 없이도 널리 사용된다. 문제는 AAM의 안전 필수 부품에 갈 때 생긴다. 인증 기관에 공정과 허용값을 입증해야 하기 때문이다(20.6·20.4).
1.28.5 사출 성형과 공정 선택의 손익분기
사출 성형은 가열한 수지를 강 금형에 밀어 넣는다. 한 번에 몇 초가 걸리고 개당 비용이 매우 낮지만, 금형이 비싸다(수천에서 수십만 달러 (가정)). 형상에 제약이 있다(빼기 경사, 균일한 두께, 언더컷 제한). 금형 재료가 수명을 정한다. 알루미늄 금형은 수천~수만 회, 강 금형은 수십만~백만 회 안팎으로 알려져 있다 (경험 범위). 소비자 드론의 외피·프로펠러·팔이 대부분 사출이다. 군 소모성 드론에서도 같은 이유로 사용한다.
손익분기는 금형 비용을 개당 비용의 차이로 나눈 물량이다.
$$c(N)=\frac{T}{N}+u,\qquad N^{*}=\frac{T_2-T_1}{u_1-u_2}$$
$T$는 금형·준비 비용, $u$는 개당 비용, $N^{*}$는 두 공정의 비용이 같아지는 물량이다. 소형 브래킷 한 종을 가정 비용으로 비교했다.
| 공정 | 금형·준비 [달러] | 개당 [달러] | 특징(가정) |
|---|---|---|---|
| 3D 프린트(SLS) | 0 | 18 | 금형 없음, 물성은 폴리머 |
| CNC 가공(알루미늄) | 800 | 30 | 금속 물성, 정밀 공차 |
| 우레탄 주조(실리콘 몰드) | 1,500 | 11 | 소량(수십~수백 개)에 맞음 |
| 사출 성형(강 금형) | 25,000 | 1.2 | 대량 |
프린트는 물량 214개부터 주조가, 1,488개부터 사출이 싸다. 주조에서 사출까지는 약 2,400개다. CNC 가공은 비용이 아니라 금속 물성과 공차 때문에 선택한다.
가정을 바꿔도 구조는 같다. 금형이 10배 비싸면 손익분기도 약 10배 커진다. 물량이 불확실하면 금형 없는 공정으로 시작해 물량이 확인될 때 금형으로 넘어가는 단계적 전략이 위험을 줄인다. 이 경우 처음부터 사출을 염두에 둔 형상 설계(빼기 경사·두께 균일)를 해 두면 전환 비용이 준다.
1.28.6 설계의 제조성 — DFM과 DFA
DFM(제조를 위한 설계)은 공정이 만들기 쉬운 형상을 고르는 일이고, DFA(조립을 위한 설계)는 조립하기 쉬운 구조를 고르는 일이다. 규칙은 단순하다.
- 부품 수를 줄인다. 부품 하나가 줄면 금형·재고·조립·검사·불량 가능성이 함께 줄어든다.
- 상용 부품을 사용한다. 모터·커넥터·체결구·베어링을 규격품으로 사용하면 개발비와 공급 위험이 준다. 대가는 최적화 여지가 줄어든다는 점이다.
- 모듈화한다. 배터리·탑재체·팔을 교환식 모듈로 만들면 정비성과 생산 병렬화가 좋아진다. 인터페이스 비용이 든다(8.3).
- 공차를 풀 수 있는 곳은 푼다. 공차 한 단계는 가공 비용을 크게 올린다. 반드시 맞아야 하는 치수(핵심 특성)만 관리한다.
조립 효율은 Boothroyd–Dewhurst의 DFA 지수로 가늠한다.
$$E_{\mathrm{DFA}}=\frac{3\,N_{\min}}{t_a}$$
$N_{\min}$은 이론상 필요한 최소 부품 수, $t_a$는 실제 조립 시간[초]이다. 3초는 부품당 이상적인 조립 시간이다. 모터 마운트 조립이 14개 부품(최소 6개로 가능), 조립 110초이면 $E=16$ %다. 체결구를 줄이고 스냅 결합을 사용하는 재설계로 8개 부품, 55초가 되면 $E=33$ %로 두 배가 된다. 수치는 가상의 예다. 이 지수는 조립 시간을 줄이는 방향을 알려 주며, 모든 제품에 같은 목표값을 요구하지 않는다.
1.28.7 생산량과 학습 곡선
생산량이 늘면 같은 일을 하는 데 드는 노력이 줄어든다. 작업자가 익숙해지고 치구가 개선되고 공정이 안정된다. 항공기 제조에서 이를 처음 정리한 것이 T. P. Wright(1936)이다. 누적 생산량이 두 배가 될 때마다 비용이 일정 비율 $r$(학습률)로 줄어든다.
$$c_n=c_1\,n^{b},\qquad b=\log_{2} r$$
$c_n$은 $n$번째 단위의 비용, $c_1$은 첫 번째 단위의 비용이다. 학습률 85 %이면 $b=-0.234$다. 같은 식에는 두 가지 해석이 있다. Wright가 처음 사용한 것은 누적 평균 비용($Y_n=Y_1 n^b$)이고, 많이 사용되는 Crawford 방식은 개별 단위 비용($c_n=c_1n^b$)이다. 같은 80 %라도 두 방식은 숫자가 다르다.
| 학습률 | 단가가 절반이 되는 누적 대수 | 4분의 1이 되는 대수 | 10번째 | 100번째 | 1,000번째 | 처음 1,000대 평균 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 80 % | 8.6 | 74 | 0.477 | 0.227 | 0.108 | 0.159 |
| 85 % | 19 | 370 | 0.583 | 0.340 | 0.198 | 0.258 |
| 90 % | 96 | 9,100 | 0.705 | 0.497 | 0.350 | 0.412 |
표는 Crawford 방식, 첫 대의 단가를 1로 둔 값이다. 같은 85 %를 Wright의 누적 평균식으로 읽으면 1,000번째 단가가 0.152이고(Crawford는 0.198), 처음 1,000대의 평균이 0.198이다. 학습률이 5%p 다르면 1,000번째 단가가 거의 두 배 차이난다(80 %는 0.108, 85 %는 0.198이고, 90 %는 0.350이다). 항공기 산업의 관행적 값은 80 % 안팎으로 알려져 있다 (경험 범위). 그러나 무인기와 eVTOL에 어떤 값이 맞는지는 공개된 근거가 약하다 (확인 필요).
학습은 전체 단가가 아니라 학습이 되는 부분에만 적용된다. 재료비는 학습되지 않는다. 단가의 40 %가 재료이고 60 %가 노동·조정이면 85 % 학습이어도 전체 단가는 다음처럼 움직인다.
| 누적 대수 | 학습 되는 부분만(85 %) | 재료 40 % 포함 전체 | 첫 대 10,000달러 가정 시 전체 단가 [달러] |
|---|---|---|---|
| 1 | 1.00 | 1.00 | 10,000 |
| 10 | 0.58 | 0.75 | 7,500 |
| 100 | 0.34 | 0.60 | 6,040 |
| 1,000 | 0.20 | 0.52 | 5,190 |
| 5,000 | 0.14 | 0.48 | 4,810 |
재료가 단가의 40 %이면 단가는 아무리 만들어도 40 % 아래로 못 내려간다. 학습 곡선의 점근선은 학습이 안 되는 비용이다. 대량 생산의 가격 목표가 낮은 이유는 학습이 아니라 재료와 부품의 대량 구매 단가 인하, 설계 단순화, 자동화에 기대는 경우가 많다. 또 학습은 누적 대수의 함수지 생산 속도(월 몇 대)의 함수가 아니다. 속도를 높이면 설비 투자가 필요하고 학습과 별개로 단가가 변한다. 초기 몇 대는 인증과 시험에 사용되어 학습에 안 잡히기도 한다.
1.28.8 품질 관리와 추적성
공정이 여러 단계이면 단계 수율의 곱이 전체 수율이다.
$$Y=\prod_{i} y_i$$
아래 그림의 여덟 단계(수율 0.97~0.99)의 곱은 85.9 %다. 모든 단계가 0.995이면 96.1 %, 0.95이면 66.3 %다. 여덟 단계가 모두 1%p씩 낮아지면(98 → 97 %) 전체 수율이 85.1 %에서 78.3 %로 약 7%p 떨어진다. 불량이 뒤 단계에서 발견될수록 그때까지 더한 비용이 같이 버려지므로, 검사는 수율을 올리는 것이 아니라 불량이 비싼 단계로 넘어가는 것을 막는 일이다.
공정 능력은 공차 대비 산포로 본다. 공차가 ±0.20 mm이고 공정의 표준편차가 0.05 mm이면 공정 능력 지수 $C_p=T/(3\sigma)=1.33$이다. 평균이 중심에서 어긋나면 $C_{pk}=(T-\lvert\mu-\text{중심}\rvert)/(3\sigma)$로 낮아진다.
| 평균 이동 [mm] | $C_p$ | $C_{pk}$ | 규격 밖 비율 [ppm] |
|---|---|---|---|
| 0 | 1.33 | 1.33 | 63 |
| 0.05 | 1.33 | 1.00 | 1,350 |
| 0.10 | 1.33 | 0.67 | 22,750 |
산포가 같아도 평균이 0.1 mm 이동하면 규격 밖이 360배로 는다. 그래서 중심을 잡는 것과 산포를 줄이는 것을 모두 관리한다. 항공 산업의 틀로 첫 제품 검사 AS9102(FAI), 핵심 특성의 변동 관리 AS9103, 품질 경영 AS9100(개정판 확인 필요)이 있고, 상세는 20.21이 다룬다. 추적성은 완성품에서 자재 로트·공정 변수·검사 결과·작업자까지 거슬러 올라가는 기록이다. 문제가 한 로트에서 시작되면 같은 로트를 사용한 모든 기체를 찾아내야 한다. 위조 부품 방지(20.22)와 계속감항(20.23)이 이 기록에 기댄다.
검사 방법은 찾으려는 결함에 따라 다르다. 아래는 복합재와 프린트 부품에서 흔한 대응이다.
| 방법 | 찾는 것 | 한계 |
|---|---|---|
| 육안·치수 검사 | 표면 결함, 형상, 두께 | 내부 결함 불가 |
| 탭 검사(두드림) | 큰 박리·접착 불량 | 정성적, 숙련 의존 |
| 초음파(C-스캔) | 층간 박리, 기공, 접착 상태 | 장비·교정 필요, 복잡 곡면 어려움 |
| 열화상 | 얕은 박리, 습기 | 깊은 결함 둔감 |
| X선·CT | 금속·프린트 내부 기공, 이물 | 크기·비용, 얇은 평면 박리 둔감 |
검사는 생산 시점과 운용 중 둘 다 있다. 생산 검사의 판정 기준(어디까지 허용하는 기공인가)이 허용값과 한 쌍이고(1.27.4), 운용 중 검사는 2.12가 이어 받는다.
1.28.9 공급망 병목
드론은 부품 몇 가지가 전체 생산을 막는다. 모터(영구자석 재료), 배터리 셀, 카메라와 센서 모듈, 비행 제어기의 반도체, 항공용 탄소섬유와 프리프레그가 후보다. 병목의 성격은 셋이다.
- 단일 공급처 의존. 한 업체·한 나라에 몰리면 가격과 납기가 변동한다. 규격품이면 대체가 쉽고 맞춤 부품이면 어렵다.
- 자격 인정의 시간. 항공·군용 부품은 공급처를 바꾸면 다시 자격을 인정받아야 한다. 몇 달에서 몇 년이 걸린다.
- 수출통제와 제재. 이중용도 품목은 공급이 법으로 막힐 수 있다. 중국이 2025년 4월 일부 희토류와 자석 관련 수출통제를 넓혔다는 보도가 있다
(확인 필요).
부품별로 병목의 이유와 대응은 다음처럼 다르다(정성적 정리, 시장 점유율 수치는 21.4이 다룬다).
| 부품 | 병목의 이유 | 대체 난이도 | 설계·조달 대응 |
|---|---|---|---|
| 모터 | 영구자석 재료, 권선·균형 숙련 | 중간(규격 모터) ~ 높음(맞춤) | 규격 크기 채택, 이중 조달 |
| 배터리 셀 | 셀 제조의 집중, 안전 인증(1.21) | 높음 | 셀 규격 표준화, 팩만 자체 설계 |
| 카메라·센서 모듈 | 이미지 센서·렌즈의 소수 공급 | 중간 | 인터페이스 표준화(8.3) |
| 비행 제어기 반도체 | 칩 수급, 장기 공급 보증 | 중간 | 호환 보드 확보, 소프트웨어 이식성 |
| 항공용 탄소 프리프레그 | 자격 인정된 소수 공급처 | 높음(자격 재취득) | 재고, 대체 재료 자격 병행 |
대책은 이중 조달, 재고, 설계의 대체 가능성이다(21.4·19.19). 군용에서는 전장 부품 추적과 연결된다(19.18).
1.28.10 대량 생산과 생산 승인 — 군용 소모성과 AAM
군용 소모성 드론은 대량 생산이 목적이다. 개당 비용이 낮아야 비용 교환비(방어 쪽 비용 대 공격 쪽 비용)가 선다(10.22). 이때는 인증 대신 군 규격과 납품 검사가 있고, 설계는 사출 성형·상용 부품·단순 조립이 중심이다. 대량이라는 조건이 부품 규격을 단순하게 만든다.
AAM은 반대다. 한 대마다 적합성(승인된 설계대로 만들었는가)과 감항성(안전하게 날 수 있는가)을 입증해야 한다. 미국에서는 14 CFR Part 21의 Subpart G(생산 증명)이 제작 체계를 승인하고, 유럽에서는 Part 21 Subpart G의 생산 조직 승인(POA)이 있다. 한국의 제작증명은 20.21과 18.14에서 다룬다. 이 승인이 없으면 시제기 몇 대는 만들어도 인증받은 기체를 연속해 생산할 수 없다. 기업 동향은 시점이 중요하다. Joby는 오하이오주 데이턴에 첫 양산 시설을 두고 연 최대 500대 생산을 목표로 한다고 밝혔고 2025년 10월 프로펠러 블레이드 생산을 시작했다고 보도되었다. Archer는 조지아주 코빙턴의 시설에서 월 2대 생산을 예상한다는 2025년 1월 보도가 있다(모두 보도, 확인 필요). 인증 일정이 앞서야 대량 생산 설비의 가치가 선다. 생산 능력이 먼저 앞서 가면 현금이 소진된다는 것이 산업의 위험이다(21.7).
한국의 제조 사례는 확인된 범위에서만 작성한다. 대한항공 항공우주사업본부의 부산테크센터가 보잉 787의 레이키드 윙팁을 비롯한 복합재 구조 부품을 제작해 왔다는 2014~2017년 보도가 있다 (보도, 현재 상태 확인 필요). 이런 유인기 부품 제작 경험이 무인기·AAM으로 이어지는지는 개별 기업 장(제23부)에서 다룬다.
1.28.11 설계 트레이드오프 — 어떤 공정 체계로 갈까
① 금형 없는 소량 체계(프린트·가공·핸드 레이업). 시작이 빠르고 설계 변경이 쉽다. 대가는 개당 비용이 안 내려가고 재현성이 낮다는 점이다. 연구용·시제품·소량 특수 임무 기체의 방식이다.
② 중간 체계(진공 인퓨전·주조·CNC와 복합재 혼합). 수백~수천 개에서 균형이 맞는다. 대가는 공정마다 숙련과 지그가 필요하다는 점이다. 산업용 드론과 중소 eVTOL 개발사의 방식이다.
③ 금형 중심 대량 체계(사출·압축 성형·자동화). 개당 비용이 가장 낮다. 대가는 설계 동결이 일찍 와야 한다는 점과 큰 초기 투자다. 소비자 드론과 군 소모성 기체의 방식이다.
| 체계 | 맞는 물량 | 장점 | 대가 | 맞는 대상 |
|---|---|---|---|---|
| ① 금형 없는 소량 | 수~수십 | 빠른 반복 | 개당 비용 높음, 재현성 낮음 | 연구, 시제품 |
| ② 중간 | 수백~수천 | 균형 | 숙련·지그 | 산업용, 소규모 AAM |
| ③ 금형 대량 | 만 단위 | 개당 비용 최소 | 설계 동결, 초기 투자 | 소비자, 소모성 |
견해: 대량 생산의 가격 목표를 잡을 때는 학습률보다 학습이 안 되는 비용의 비중을 먼저 따지는 편이 낫다고 본다. 근거는 1.28.7의 표다. 재료가 단가의 40 %이면 어떤 학습률로도 단가가 40 % 아래로 내려가지 않는다. 학습률의 5%p 차이(1,000대에서 거의 두 배)보다 재료비 구성이 장기 단가를 더 크게 정한다. 반대로 AAM에서는 생산량보다 공정 승인과 추적성의 비용이 지배한다. 이 판단은 이 장의 가정 비용 구조에 기대며, 실제 단가 구성은 기업 공개 자료로 확인해야 한다.
1.28.12 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 생산 규모 | 소모성은 대량, 재사용은 중소량 | 소비자 대량, 산업용 중소량 | 초기 소량, 인증 후 점진 증가 |
| 주된 공정 | 사출·압축 성형·상용 부품 | 사출(소비자), 프린트·가공·복합재(산업용) | 오토클레이브·복합재 정밀 구조, 금속 가공 |
| 품질 요구 | 납품 검사, 군 규격 | 소비자 품질, 제조사 관리 | 공정 승인, 전수 적합성, 추적성 |
| 단가 압력 | 비용 교환비 | 시장 가격 | 좌석당 운항 비용(21.6) |
| 병목 | 모터·배터리·센서, 수출통제 | 카메라·칩·셀 | 인증된 공급처, 숙련 인력 |
| 관련 장 | 10.22·12.3 | 21.2·21.4 | 20.21·21.6 |
1.28.13 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 장 |
|---|---|---|---|
| 14 CFR Part 21 Subpart G | 미국 FAA | 생산 증명(제작 체계 승인) | 20.21 |
| EASA Part 21 Subpart G | EASA | 생산 조직 승인(POA) | 20.21 |
| AS9100 | SAE·IAQG | 항공우주 품질 경영 체계 (개정판 확인 필요) | 20.21 |
| AS9102 | SAE·IAQG | 첫 제품 검사(FAI) 요건 | 20.21 |
| AS9103 | SAE·IAQG | 핵심 특성의 변동 관리 | 20.21 |
| ISO/ASTM 52900 | ISO·ASTM | 적층 제조 용어와 기본 원리 | 1.28.4 |
| ISO/ASTM 52920:2023 | ISO·ASTM | 산업용 적층 제조 현장의 인정 요건 | 20.21 |
| ASTM F2924·F3001 | ASTM | Ti-6Al-4V의 분말 베드 용융 재료 규격 (번호·판 확인 필요) | 20.6 |
| EASA CM-S-008 | EASA | 적층 제조 인증 메모 (판·상태 확인 필요) | 20.5 |
| FAA AC 20-107B·CMH-17 | FAA·협의체 | 복합재 구조의 입증, 공정 관리와 허용값 | 20.6 |
| AS5553·AS6081 | SAE | 위조 전자 부품 방지·회피 | 20.22 |
1.28.14 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 기술 사실 | 일으키는 요구 | 상세 |
|---|---|---|
| 허용값은 그 값을 낸 공정에서만 유효하다 | 공정 승인과 변경 관리, 공정 변경 시 재입증 | 20.6, 8.22 |
| 적층 제조 부품은 재현성과 내부 결함이 문제다 | 공정 인정, 로트 시험편, 비파괴 검사 | 20.6, 20.4 |
| 대량 생산은 같은 부품의 반복 | 생산 증명·제작증명, 품질 체계 | 20.21, 18.14 |
| 추적성은 불량 로트를 찾는 수단이다 | 부품 이력 관리, 계속감항 대응 | 20.23, 20.22 |
| 부품이 특정 공급처에 몰린다 | 수출통제·제재 준수와 공급망 위험 관리 | 19.16, 19.19 |
| 소모성 군 드론의 대량 생산 | 군 품질 보증과 방산 원가 | 10.22, 21.16 |
1.28.15 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "같은 재료면 같은 부품이다" | 공정이 섬유 체적비와 기공을 바꿔 강성이 27 %, 무게가 29 % 달라진다 | 1.28.3 |
| "3D 프린트는 금형이 없으니 언제나 싸다" | 개당 비용이 안 내려가 214~1,488개 부근에서 주조·사출이 이긴다 | 1.28.5 |
| "프린트 부품은 모형이니 안전과 무관하다" | 비구조에는 사용되지만 안전 필수 부품은 공정 승인과 허용값이 필요하다 | 1.28.4 |
| "만들수록 계속 싸진다" | 학습은 학습이 되는 비용에만 적용된다. 재료가 40 %면 단가는 40 % 아래로 못 내려간다 | 1.28.7 |
| "학습률 85 %는 정해진 값이다" | 정의(누적 평균식 대 단위 비용식)와 항목에 따라 숫자가 다르다. 드론에 맞는 값은 근거가 약하다 | 1.28.7 |
| "단계 수율이 높으니 전체도 높다" | 여덟 단계 98 %는 전체 85 %다 | 1.28.8 |
| "평균이 맞으면 품질도 맞다" | 평균이 0.1 mm만 이동해도 규격 밖이 360배다 | 1.28.8 |
이 장의 한계다.
- 비용은 모두 가정이다. 실제 견적과 단가 구성은 공개 자료로 확인해야 하며, 이 장은 구조(손익분기·학습의 구조)를 보이는 것이다.
- 공정별 섬유 체적비·기공률은 경험 범위이고 재료·장비에 따라 다르다.
- 학습 곡선은 누적 대수에만 의존한다고 단순화했다. 설계 변경, 인력 교체, 생산 중단이 학습을 깎는다.
- 기업 생산 능력은 보도 기준이며 계획과 실적이 다를 수 있다.
- 한국 제조 사례는 확인된 보도만 인용했다.
1.28.16 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 섬유 체적비가 0.40에서 0.55로 오르면 $E_1$과 비강성이 어떻게 바뀌는가? 혼합 법칙으로 계산하라.
- 금형 25,000달러, 개당 1.2달러인 사출과 금형 없이 개당 18달러인 프린트의 손익분기 물량을 구하라.
- Wright의 누적 평균식과 Crawford의 단위 비용식은 무엇이 다른가? 같은 85 %에서 1,000번째 단가는 어떻게 다른가?
- 재료가 단가의 40 %일 때 학습률 85 %로 1,000대를 만들면 단가는 첫 대의 몇 %인가?
- 단계 수율이 98 %인 8단계 공정의 누적 수율은? 이를 96 %로 올리려면 단계 수율이 얼마여야 하는가?
- 공차 ±0.20 mm, 표준편차 0.05 mm에서 $C_p$와 평균이 0.1 mm 어긋났을 때의 $C_{pk}$를 구하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 드론·eVTOL의 학습률 — 공개된 생산 이력으로 무인기와 eVTOL의 학습률을 추정할 수 있는가? 항공기 80 % 관행이 맞는가?
- 적층 제조 부품의 인증 경로 — 안전 필수 금속·폴리머 부품의 공정 인정과 허용값을 소규모 업체가 감당할 수 있는 방식은 무엇인가?
- 재료·부품 의존의 정량화 — 모터·배터리·카메라 모듈의 공급 집중도를 공개 데이터로 측정할 수 있는가? 대체 조달에 걸리는 시간은?
- 저비용 대량 생산과 품질의 관계 — 소모성 드론의 비행 신뢰도 목표와 부품 수준 불량률을 어떻게 연결하는가(8.21)?
1차 출처(이 장)
- Wright, T. P., "Factors Affecting the Cost of Airplanes," Journal of the Aeronautical Sciences, 3(4), 122–128, 1936.
- Campbell, F. C., Manufacturing Processes for Advanced Composites, Elsevier, 2004.
- Mazumdar, S. K., Composites Manufacturing: Materials, Product, and Process Engineering, CRC Press, 2002.
- Gibson, I.; Rosen, D.; Stucker, B., Additive Manufacturing Technologies, 2nd ed., Springer, 2015.
- Boothroyd, G.; Dewhurst, P.; Knight, W., Product Design for Manufacture and Assembly, 3rd ed., CRC Press, 2010.
- Montgomery, D. C., Introduction to Statistical Quality Control, Wiley.
- 14 CFR Part 21(eCFR), ISO/ASTM 52900·52920, AS9100·AS9102·AS9103(SAE·IAQG), FAA AC 20-107B.
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 1.29에서 만들어진 기체가 흔들리는 문제를 본다. 로터와 엔진이 만드는 진동, 진동이 센서와 오토파일럿을 거쳐 고장으로 번지는 경로, 구조가 공기력과 만나 불안정해지는 공탄성, 그리고 조종사 평가로 보는 비행성을 다룬다.