복합수리

Composite repair

복합 수리는 손상된 라미네이트 구조, 섬유 강화 복합 재료 및 기타 복합 재료에 대해 수행된다.접합된 복합 수리는 손상 부위의 스트레스를 감소시키고 균열이 열리거나 커지는 것을 방지한다.복합 재료는 항공우주, 해양, 자동차, 해상 운송 및 스포츠 장비 시장에서 광범위한 분야에 사용된다.복합 구성 요소의 손상이 육안으로 항상 보이는 것은 아니며 적절한 NDT(비파괴 테스트) 방법에 의해 구조 구성 요소의 손상 정도를 가장 잘 판단한다.

관심 있는 복합 구조물

Figure 1: Composite structures (a) laminated and (b) sandwich
그림 1: 복합 구조물 (a) 라미네이트 처리 및 (b) 샌드위치

관심 있는 복합 구조물은 주로 그림 1과 같이 라미네이트 플라이 또는 샌드위치 구조로 구성된 구성품이다.라미네이트 구조물은 섬유 방향이 원하는 대부분의 기계적 특성을 제공하고 매트릭스가 환경 성능을 크게 결정하도록 조립된다.샌드위치 구조에서 고강도의 피부는 가벼운 벌집형 코어에 의해 분리되고 접합된다. 코어가 두꺼울수록 패널은 최소 무게 증가로 딱딱해진다.[1]

복합구조물의 대표적인 손상

Figure 2: Typical damage cases of laminates and sandwich structures
그림 2: 라미네이트 및 샌드위치 구조의 일반적인 손상 사례

섬유 강화 복합 재료의 가장 중요한 손상은 충격 사고의 결과물이다.저속 및 고속 충격은 주어진 복합 구성에서 현저하게 다른 손상 패턴을 야기할 수 있다.금속의 경우 충격 에너지는 탄성 및 플라스틱 변형을 통해 소멸되지만 구조물은 구조 건전성의 상당한 여유를 유지한다.그러나 섬유 강화 복합 재료의 경우 일반적으로 표면에서 볼 수 있는 것보다 손상이 더 크다.복합 구조물의 대표적인 손상 사례는 그림 2와 같다.

단일 라미네이트에서 근본적인 손상은 표면에서 거의 보이지 않는 증거보다 훨씬 더 크게 확대될 수 있다.다른 유형의 손상은 라미네이트 분할이다.여기서 손상은 부품의 전체 길이까지 확장되지 않는다.기계적 성능에 대한 영향은 구성 요소 두께에 따른 분할 길이에 따라 달라진다.

샌드위치 구조에서 충격은 다양한 크기의 찌그러짐을 초래하며 에너지 수준에 따라 펑크 손상이 드물지 않다.이 경우 두 피부 모두 손상될 수 있다.다른 일반적인 손상 유형으로는 열 손상과 볼트 구멍 손상이 있다.열 손상은 고온에서 노출되어 표면 플라이의 분리와 함께 국부 골절을 유발하여 발생한다.볼트 구멍 손상은 접합 목적으로 사용되는 볼트 또는 리벳으로 복합 구조물의 접촉 표면에서 베어링 응력에 의해 발생한다.이로 인해 구멍이 길어져 라미네이트가 갈라지거나 상부 플라이가 손상될 수 있다.어떤 경우에도 기계적 성능에 미치는 영향은 손상된 부분의 두께에 따라 달라진다.

초기 충격 손상과는 별개로, 추가적인 영향은 화학 물질, 윤활제, 연료, 유압 오일 등과 같은 다른 열화 요소와 습기에 대한 손상 부위의 노출에서 비롯된다.그러한 환경의 존재는 기계적 성능을 더욱 악화시킬 수 있다.

보수 흐름도

Figure 3: Typical composite repair flowchart
그림 3: 일반적인 복합 수리 흐름도

복합 수리를 수행할 때 따라야 할 몇 가지 단계가 있다.그림 3에는 일반적인 복합 수리 흐름도가 제시되어 있다.

절차의 첫 단계는 세심한 손상 평가가 되어야 한다.합성물의 일부 손상은 명백하고 쉽게 평가되지만, 많은 경우 실제 손상은 훨씬 더 크지만, 처음에 손상이 상당히 작게 나타날 수 있다.섬유에 대한 충격 손상은 보강된 합성 표면에 작은 덴트로 나타날 수 있지만 기초 손상은 훨씬 더 광범위할 수 있다.보수 또는 폐기의 결정은 복합재 본래의 구조성능을 대체하는 데 필요한 보수 정도를 고려하여 결정된다.기타 고려사항으로는 수리비, 손상 위치 및 접근성, 적절한 수리 자재의 가용성이 있다.

초기 평가에 따라 수행할 수리 유형이 결정된다.손쉬운 수리는 대개 작거나 구성 요소의 구조적 무결성에 영향을 주지 않는다.이러한 수리는 라미네이트 또는 샌드위치 패널에 대해 표시된 간단한 지침에 따라 수행된다.손상이 광범위하고 부품의 구조적 성능을 교체해야 할 경우 복잡한 수리가 필요하다.재료의 최선의 선택은 원래의 섬유, 직물, 매트릭스 수지를 사용하는 것이다.어떤 대안이든 수리된 복합 재료의 서비스 환경(예: 고온, 습윤 및 기계적 성능)을 신중하게 고려해야 한다.제안된 수리 계획은 구조물에 대한 모든 원래 설계 요건을 충족해야 한다.

일부 수리는 작업장의 전문 장비가 필요하며 구성 요소를 적절한 수리 작업장으로 되돌리려면 어떤 형태의 즉석 수리가 필요하다.보통 패치의 형태로 구성되는 임시 수리는 나중에 구성부품을 수리할 수 있을 때까지 안전을 보장하기 위해 구성부품에 고정할 수 있다.영구 수리의 경우 라미네이트 및 샌드위치 수리에 대한 모든 승인된 일반 지침을 따라야 한다.이러한 수리 작업은 작업장 통제 구역에서 수행되어 고품질을 보장해야 한다.통제된 환경에서 작동하고 세부 사항에 주의를 기울이면 성공이 보장된다.

서비스 복귀 전에 항상 품질 점검이 필요하다.수리 부품의 종합적인 검사를 위해 여러 NDT(비파괴시험)를 사용할 수 있다.수리 구역의 품질과 보다 구체적으로 원래 부분과 수리 구역 사이의 접점에 각별히 주의해야 한다.통상적인 검사 방법에는 초음파 또는 X선 검사 형태가 포함된다.

일반적인 복합 수리

일반적인 복합 수리는 일반적으로 비보조 눈 또는 다양한 다른 NDT 기술에 의한 손상 감지 후에 시작한다.피해 규모를 평가한 뒤 피해구역을 정비한다.이것은 손상 구역 1 주변의 복합 재료를 제거함으로써 이루어진다.그림 4와 같이 합성물의 성질에 따라 조금씩 다른 3가지 기법이 활용되는 것으로 알려져 있다.

그림 4: 일반적인 라미네이트 및 샌드위치 수리

복합 수리를 적용할 경우 성공적인 결과를 위해 적절한 표면 처리가 필수적이다.전술한 수리 작업은 시간이 많이 소요될 수 있으며, 수행하는데 높은 기술과 경험이 필요한 경우가 많다.그렇기 때문에 현재의 개발은 첨단 기계 밀링이나 나노초 펄스 레이저와 같은 대체 기술에 의해 이 과정을 자동화하는데 초점을 맞추는 경향이 있다.손상지대가 완전히 발굴된 후에는 표면을 청소하고 패치를 통해 최종 보수 작업을 추가로 준비한다.이는 표면 오염물질의 플라즈마 연소, 레이저 방사선을 통해 매트릭스 물질을 제거하여 섬유질을 노출시키거나 UV 레이저 광선에 의해 유도된 광화학 반응에 의한 접착제의 표면 습윤성을 개선함으로써 가능하다.

일반적인 수리에서는 접착제를 경화하기에 충분할 정도로 높은 온도와 진공 상태에서 패치를 도포한다.이러한 목적을 위해 현장 수리 시 휴대용 핫 본더 장치를 사용할 수 있다.보다 복잡하고 고품질의 수리를 위해서는 오토클레이브를 사용해야 한다.뜨거운 본더 유닛은 그림 5에 나타나 있다.

그림 5: 일반적인 핫 본더 휴대용 장치진공 상태를 적용하고 수리 부위를 가열하며 온도를 지속적으로 모니터링하고 조절할 수 있다.

어떤 경우에도 진공봉투를 적용하는 것은 고품질 수리를 위해 꼭 필요한 단계다.진공백 가공은 얇은 부분과 큰 샌드위치 구조를 가진 부품에 적합하다.진공 백 기법은 그림 6에 도식적으로 표시한 대로 복합 레이업 위에 유연한 백을 놓고 밀봉하고 백 아래에서 모든 공기를 배출하는 것을 포함한다.

그림 6: 왼쪽: 진공 백 레이업 세부 정보우측: 진공 백 씰링 및 진공 도포 시 수리 부위에 대기압 발생(프리프레지)

공기 제거는 1대기압(1bar)의 통합압력으로 백을 레이업 위로 내리게 한다.완성된 조립품은 진공이 적용된 상태에서 양생을 위해 원하는 온도까지 가열된다.이는 난방 매트를 사용하거나 공기 순환이 잘 되는 오븐 안에 조립품을 놓아 달성할 수 있다.두꺼운 섹션과 고품질 본딩의 경우 조절된 온도와 추가적인 과압을 가진 오토클레이브를 사용해야 한다.

성공적인 복합 패치 수리를 구현하는 데 있어 가장 중요한 기술적 과제는 (a) 수리 패치의 적절한 설계 및 향후에 따라야 할 절차, (b) 용도에 가장 적합한 재료 및 공구의 선택, (c) 신중한 표면 준비, (d) 복합 패치 수리와 ca의 구현이다.치료 사이클의 재적용, (e) 적절한 방법론에 의한 수리의 비파괴 평가 및 (f) 연속적으로 특정 시간 간격으로 수리의 구조적 무결성에 대한 모니터링.

참조

  1. ^ Baker, A. A.; Rose, L. R. F.; Jones, Rhys (2003-01-23). Advances in the Bonded Composite Repair of Metallic Aircraft Structure. Elsevier. ISBN 978-0-08-052295-1.
  • Völkermeyer, F.; F.; Stute, U.; Kracht, D.: 탄소 섬유 강화 플라스틱의 접합 수리를 위한 레이저 기반 접근법, Physics Procedia 12, 2011, S. 537-542 doi:10.1016/j phpro.066
  • F.; Romoli; Kling, R.; Kracht, D.: 탄소 섬유 강화 복합 재료에 대한 레이저 기반 수리, InHorthung, H., 복합 재료에 대한 기계 가공 기술: 원칙과 실천 (pp. 309–330), 영국 캠브리지: Woodhead 출판 유한회사, 2011 [1]
  • Dittmar, H.; Bluemel, S.; Jaeschke, P.; Stute; Kracht, D.: Lasers & Electro-Optics, 2012, 미국 애너하임, ns-Puls로 CFRP 레이저 가공의 장점과 과제
  • Völkermeyer, F.; Jaeschke, P.; Stute; Kracht, D.: 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대한 레이저 기반 습윤성 수정, 적용 물리학 A, 09/2012, doi:10.1007/s00339-012-7237-3

외부 링크