Research Highlight

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- 회전식 레이저 초음파 전파영상화를 이용한 원통형 및 콘형 CFRP 복합재 격자구조의 내부결함 가시화 -

 

   이번 리서치 하이라이트에서는 2021년 8월에 Measurement Science and Technology에 게재된 안지형 석사의 (이정률 교수님 연구실 졸업, 현재 기아 재직 중) “회전식 레이저 초음파 전파영상화를 이용한 원통형 및 콘형 CFRP 복합재 격자구조의 내부결함 가시화” 연구를 소개하도록 하겠습니다.

 

 

 

   최근 복합재 격자구조가 우주발사체 및 항공기의 부품으로 많이 쓰이고 있다. 복합재의 높은 강성 및 강도 덕분에 적은 재료로 금속보다 더 많은 하중을 효율적으로 지지할 수 있기 때문이다. 이 구조는 일정한 패턴이 새겨진 금형이 회전하면서 복합재 섬유가 감기는 방식인 필라멘트 와인딩 기법으로 제작된다. 하지만, 이 제작기법은 수행단계가 많고 복잡하여 제조과정 중 다양한 결함이 발생하기 쉽다. 결함들은 대부분 구조 내부에 존재해 육안으로 보이지 않고, 발사 및 궤도비행 중에서 구조의 파괴를 야기해 큰 손실을 만들 수도 있다. 따라서 비파괴 검사를 통해 사전에 결함들을 검출해야만 한다.

 

   일반적으로 초음파 및 방사선 검사와 같은 비파괴 검사를 통해 복합재 격자구조의 내부결함을 검출해왔다. 초음파 검사의 경우, 검사 시 커플런트로 물을 사용한다. 그러나 외피가 없는 격자구조에서는 빈 공간으로 물이 흘러버려 제대로 검사하기가 어렵다. 또한 방사선 검사의 경우, 굴곡진 대형구조물을 검사하기에 부적합하고 방사선의 위험성도 존재한다. 한편 FBG센서를 구조 내부에 삽입해 하중을 가한 뒤 변형률의 변화를 가시화하여 결함을 검출하려는 시도도 있었다. 하지만, 이 기법도 구조물 전영역에 센서를 삽입해 제작해야 하는 문제와 결함 검출 시 외부하중을 필요로 하는 한계가 있다. 따라서 최근에는 이러한 센서의 한계와 구조물 외형에 제한이 없는 레이저를 이용한 비접촉식 비파괴 검사 기법이 관심을 받고 있다.

 

   본 연구에서는 <그림1>에 나타난 원통형 및 콘형의 복합재 격자구조를 검사하기 위해 회전식 레이저 초음파 검사기법을 적용하고 내부결함을 가시화하는 것을 연구목표로 하였다. 외피가 없는 경우 빈공간에서 레이저 파손 문제가 있을 수 있다. 콘형의 경우 센싱 레이저를 표면에 수직하도록 시스템을 구축해야 하고, 형상 때문에 구조물 표면과 센싱 레이저 사이의 거리 변화에 따른 신호의 도착시간이 변하는 문제가 있다. 따라서 빔 스플리터 및 수동 회전스테이지를 검사시스템에 도입했고, 도착시간 보상 알고리즘을 적용해 이러한 문제들을 해결하고자 했다.

 

 

<그림 1> 원통형 및 콘형 복합재 격자구조

 

 

   레이저를 이용해 결함을 검출하기 위해서는 구조물 내부에 초음파를 발생시킬 가진 레이저와 이 신호를 측정하는 센싱 레이저가 필요하다. 두 레이저가 마주보면서 검사하는 투과모드에서 구조 내부에 층간분리 등의 결함이 있다면 초음파 신호가 반대편으로 전달되지 않을 것이다. 반면, 결함이 없는 경우에 비교적 큰 크기의 신호가 검출된다. 이러한 차이를 공간상에 나타내면 내부결함의 존재여부를 알 수 있다. <그림2>에는 두 구조물을 검사하기 위한 검사시스템 구성이 나타나 있다. 알루미늄 파이프와 거울을 구조물 내부에 위치시켜 가진 레이저가 표면에 수직하게 입사하도록 만들었다. 그리고 회전스테이지는 회전하면서 트리거 신호를 자체적으로 발생시켜 가진 레이저의 방출을 제어하고, 이어서 신호 계측이 수행된다. 이렇게 회전과 레이저의 방출 및 계측이 반복되면서 일정한 간격을 따라 곡률 진 구조물이 평판처럼 검사되도록 구현하였다.

 

 

 

<그림 2> 회전식 레이저 초음파 검사 시스템

 

 

   먼저, 외피가 없는 경우에 두 레이저가 마주보는 상태에서 가진 레이저가 센싱 레이저에 입사되면 센싱 레이저가 파손되는 문제가 발생한다. 이를 위해 두 레이저의 파장 영역의 차이를 이용하여 가진 레이저는 반사되고, 센싱 레이저는 입사되도록 빔 스플리터를 사용했다. 그리고 실제 센싱 레이저의 손상 없이 검사가 진행되고, 결함 검출이 가능한지 <그림3>의 단위격자로 사전 검증했다. 빈 공간에서는 신호가 포화되어 계측되기 때문에 해당 신호들을 레이저 초음파 검사결과에 나타나지 않도록 별도로 처리했다. 이후 레이저 초음파 검사결과와 X-ray CT 검사결과와 비교해 검사 신뢰성을 확인했다. <그림4>에는 두 검사결과가 나타나 있다. 레이저 초음파 검사결과에 파손 영역이 밝게 나타나고 있다. 정상영역에서는 신호가 계측된 반면에 결함영역에서는 잡음 수준의 신호만 남아있음을 확인했다. 또한 X-ray CT 검사에서도 동일한 지점에서 결함이 확인되었고, 검출 결함크기의 정확도도 96% 이상으로 나타났다. 결과적으로 빔 스플리터를 이용한 레이저 초음파 검사시스템으로 내부결함을 검출할 수 있음을 확인할 수 있었다.

 

 

 

<그림 3> 단위격자 및 빔 스플리터가 적용된 검사시스템

 

 

 

<그림 4> 단위격자 레이저 초음파 검사결과 및 X-ray CT 검사결과 비교

 

 

   이어서 원통형 복합재 격자구조에 대해서 동일 조건으로 검사를 진행하였고, <그림5>와 같이 내부결함이 밝은 영역으로 나타났다. 그리고 실제 해당지점에서 육안으로 층분리 결함이 있음을 확인했다.

 

<그림 5> 원통형 복합재 격자구조물 검사결과 및 육안 검사결과 비교

 

 

   다음으로, 콘형의 경우에 형상으로 인해 센싱 레이저와 구조물 표면 사이거리가 변하게 된다. 이 거리의 변화는 신호-잡음비의 감소, 센싱 레이저의 입사각 변화, 계측신호의 도착시간 변화를 야기한다. 이러한 영향으로 인해 결함 가시성이 나빠지게 된다. 첫번째로 수동 회전스테이지를 이용해 센싱 레이저가 표면에 수직하게 입사되도록 검사 시스템을 구성했다. 두번째로 표면과 센싱 레이저 사이거리 변화를 따라 <그림6>처럼 신호-잡음비를 확인하고, 적절한 검사폭을 선정했다. 마지막으로 신호의 도착시간 보상 알고리즘을 적용해 <그림7>처럼 신호의 도착시간을 일치하도록 후처리하여 결함 가시화를 하였다.

 

 

 

<그림 6> 신호-잡음비 확인 및 적정 검사폭 선정

 

<그림 7> 도착시간 보상 알고리즘 적용결과

 

 

   앞서 말한 것들을 모두 적용하여 검사를 진행하였고, <그림8>처럼 접촉분리 결함이 둥근 형태로 검출되었다. 이 결함을 육안으로 확인했고, 위치를 확인하기 위해 남긴 형광표식도 같이 검출되었다. 추가적으로 방사선 검사를 통해 결함이 해당 위치에 있음을 확인하여 검사 신뢰성을 확보하였다.

 

 

<그림 8> 콘형 레이저 초음파 검사결과, 육안검사결과 및 방사선 검사결과 비교

 

 

   본 연구에서는 두 가지의 수정된 회전식 레이저 초음파 검사시스템을 제안해 외피가 없는 원통형 격자구조와 외피가 있는 콘형 격자구조를 검사하여 성공적으로 내부결함을 검출하였다. 지금까지 전통적인 비파괴검사 기법인 방사선 검사와 초음파 검사로 곡률이 있는 대형 복합재 격자구조의 결함을 검출하기가 어려웠다. 여기서 제안된 검사 시스템과 기법들을 적용한다면 빈 공간이 포함된 원통형 구조이나 콘형 구조의 넓은 영역을 빠르게 검사할 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

 

원문                                      안지형

편집         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]