Research Highlight

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“Real-time Non-Contact Damage Visualization and Characterization of Composite Aircraft Structures”

 

   본 연구는 전영역 펄스-에코 레이저 초음파전파영상화 시스템 (2016년 12월 20일 한국공군 납품 및 2016년 KAIST 대표 R&D 연구성과 10선 선정)의 민간항공기에 대한 손상가시화능력과 TRL 향상을 위한 연구과제이다. KAIST 항공우주공학과의 이정률 교수 연구팀이 2016년 1월 9일 Boeing과의 공동과제수행을 위해 필요한 사전협정서인 비접촉 비파괴검사 및 구조건전성관리 기술 정보보호협약 (PIA)을 체결하면서 Boeing-KAIST technical contact lab으로 선정되었으며, 1단계로 2년간 2.7억원을 지원받는다. 현재는 2차년도 연구목표를 수행하고 있으며 본 연구과제를 통해 전영역 펄스-에코 레이저 초음파전파영상화 시스템의 기술 수준이 눈에 띄게 향상되고 있다.

본 연구의 대상인 전영역 펄스-에코 레이저 초음파전파영상화 시스템은 가진 레이저와 센싱 레이저를 기반으로 현재 항공기뿐만 아니라 여러 산업에서 사용되고 있는 복합재 구조에서의 다양한 결함들을 현장 및 제조공정 상에서 비파괴평가 장비로 검출 및 가시화한다. 특히, 기존의 비파괴평가 장비와 같이 검사 대상에 물을 뿌리거나 부차적인 과정없이, 조사로 인하여 발생하는 레이저 유도 초음파가 고체의 두께 방향으로 근거리 및 원거리에서 초당 2500점까지 계측하여 3차원적으로 초음파 전파를 가시화한다. 국내외 특허를 보유한 초음파의 전파를 가시화하는 기술을 통해, 검사결과를 2차원 이미지가 아닌 시간에 따른 3차원 동영상으로 처리하여 전파 특성을 검사자가 동시에 이해할 수 있어 결함이나 손상을 간과하지 않게 하는 신기술에 해당하며, 기초연구단계에서 시작품단계까지 지속적으로 세계최고 수준을 유지하고 있고 기술 수준 향상을 위한 연구에 매진하고 있다.

 

그림 1. 전영역 펄스-에코 레이저 초음파전파영상화 시스템

 

   1차년도 (2016년도)에는 기초연구 기반 시스템 성능 향상 및 최적화 연구를 진행하고 있으며, 그림 2와 같이 시스템의 레이저 빔 조합 연구 및 펄스-에코 기법 (가진 레이저의 레이저 빔 펄스가 구조표면에서 두께방향으로 전파되고 그 초음파가 반사되어 돌아오는 기법) 기반 펄스-에코 초음파 생성 및 수신 메커니즘을 연구하였다. 그림 2(c)-(d)는 레이저 빔 조합 기술 기반 수신된 time-domain 펄스-에코 초음파 신호 및 주파수 스펙트럼을 나타내며, 그림 2(d)를 통해 특정 주파수 성분이 지배적이며 이는 그림 2(c)의 반사파 부분이 구조 두께방향으로 전파되고 반사되는 초음파임을 나타낸다.

 

그림 2. (a) 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템 구성도, (b) 펄스-에코 기법 기반 레이저 빔 조합 기술, (c) 2 mm 알루미늄 판에서의 펄스-에코 초음파 신호, (d) 펄스-에코 초음파 신호의 주파수 스펙트럼

 

   또한 레이저 빔 조합 기술 기반의 초음파 신호 생성 기초 메커니즘을 토대로 스캐닝 기술 및 데이터 수집 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 그림 3과 같이 구조를 2차원 스캔함에 따라 수신되는 펄스-에코 초음파 신호를 실시간으로 데이터 수집 및 3D 데이터 맵으로 정렬하고 전영역 펄스-에코 초음파영상화 (Full-field pulse-echo ultrasonic wave propagation imaging, FF PE UWPI) 기술을 통해 손상 가시화가 된다. 또한 본 과정을 기술적으로 향상시켜 손상 가시화가 스캔과 동시에 실시간으로 손상 가시화가 가능하며, C언어 및 QT 기반의 인터페이스 개발을 통해 유저 친화적 인터페이스로 발전시켰다. 그림 3(b)-(c)는 알루미늄 허니콤 샌드위치 시편 검사 결과로써 구조 내 접착 분리 결함을 잘 나타내고 있다.

 

그림 3. (a) 전영역 펄스-에코 초음파전파영상화 시스템 기반 2차원 스캔 및 동시 데이터 수집을 통한 유저 인터페이스 기반 실시간 손상 가시화, (b)-(c) 알루미늄 허니콤 샌드위치 구조 검사 결과

 

   그림 4는 구조를 가시화하는 방법을 나타내었으며 1차원 신호를 가시화하는 A-scan, 구조의 스캔 단면을 가시화하는 B-scan, 구조의 스캔 면을 가시화하는 C-scan으로 구조를 가시화할 수 있다. 특히 B-scan은 구조의 단면을 가시화할 수 있고 그림에서와 같이 4 mm aluminum plate의 2 mm의 wall-thinning이 발생한 부분을 B-scan 가시화를 통해 쉽게 확인할 수 있다. 이는 구조의 내부에서 부식 등의 원인에 의한 감육현상에 우수한 결과를 나타낸다.

 

그림 4. 두께 방향 결함 위치 가시화 결과: 4 mm 알루미늄 판 (50% wall-thinning)

 

   또한, 1차년도의 연구목표 중 개발된 시스템의 두꺼운 평판에서의 개념 입증을 수행하였으며 검사 깊이 8 mm (>6.35 mm), 결함 폭 6 mm (<6.35 mm), 검사 속도 2500 Hz (>500 Hz)의 정량적인 목표 하에서 연구를 진행하여 그림 5와 같이 8 mm의 aluminum plate에 KAIST 글자가 새겨진 시편을 통해 본 연구목표를 완수하여 상대적으로 두꺼운 구조에서도 검사가 가능함을 입증하였다.

 

그림 5. 8 mm flat aluminum plate 검사를 통한 proof-of-concept

 

   2차년도(2017년도)에서는 현재 민항기 실 구조에서 substructure 및 bonding, fasteners가 포함된 복합재 패널구조에 대한 결함 가시화 성능 확인 및 기술 고도화 연구를 진행하고 있으며, 항공기 구조의 결함 부위의 수리를 목적으로 사용되는 복합재 수리 패치에 발생하는 결함 평가 연구도 병행하고 있다. 그림 6은 8 mm 복합재 패널을 검사한 결과이며, 시편 내 포함한 충격 손상과 함께 시편 후면에 부착된 PZT도 가시화 한 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 7의 복합재 패치 검사와 같이 인공적으로 삽입된 결함뿐만 아니라 접착레진에 의한 결함이 구별될 만큼 우수한 공간해상도와 감도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

 

그림 6. 8 mm 복합재 패널 검사 및 결과 (Impact damage 포함)

 

그림 7. 복합재 수리 패치 검사 결과

 

   2차년도 연구 목표로 설정된 정량적인 타겟 6.35 mm 이하의 내부결함 검출, 3.5 MHz 이상의 주파수 분해능, 19.05 mm의 검사 깊이의 달성을 통해 기술 고도화 연구에 집중할 예정이며 연구 운용 중인 민항기에서 현장 비접촉 비파괴평가 시스템으로써 다양한 부품 및 특정 구조, 즉, 항공기의 전반적인 구조의 결함 평가를 수행할 수 있는 개념 연구를 진행할 예정이다.

 

그림 8. Field inspection of UHF antenna radome using FF PE UPI system

 

 

 

 

편집         현종민[jmhyun08@kaist.ac.kr]