[논문]비접촉 초음파 탐상 기법을 이용한 항공기 브레이크 디스크의 신뢰성 평가

곽남수; 김재열; 고가진; 박대광

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.3.036

비접촉 초음파 탐상 기법을 이용한 항공기 브레이크 디스크의 신뢰성 평가
Reliability Evaluation of Aircraft Brake Disk using the Non-contact Air-coupled Ultrasonic Transducer Method 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.3, 2016년, pp.36 - 43

곽남수 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과) , 김재열 (조선대학교 기계시스템공학과) , 고가진 (조선대학교 대학원 기계시스템공학과) , 박대광 (조선대학교 대학원 첨단부품소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon fiber-reinforced silicon carbide (Cf-SiC) and SiC / SiC composites have high thermal conductivity, and excellent corrosion and wear resistance, a low coefficient for thermal expansion and are lightweight. This is why they are commonly used in parts of the aerospace industry to develop an aircraft thrust deflector, jet vane, combustion chamber, elevens, body flap, and a shingle. So, understanding how this state-of-the-art Cf-SiC affects both internal and external crack detection and determining issues during the manufacturing process of composite materials, should be evaluated according to valuation techniques in the external environment. In this paper, we apply a non-contact air ultrasonic technique of non-destructive testing techniques to perform a study on internal defect detection identification and assessment of carbon-fiber reinforced silicon carbide composites to perform basic research and applied research.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 (주)DACC에서 개발한 항공기용 Cf-C 브레이크 디스크를 양상제품을 대상으로 비접촉 공중 초음파 탐상 기법을 적용한 비파괴 검사 기초 실험 및 응용연구를 수행하고자 한다.
본 논문에서는 탄소섬유 강화 탄화규소 복합재의 내부결함 검출 평가를 위하여 비접촉 공중 초음파 탐상기법(non-contact air-coupled ultrasonic testing method)을 적용한 정량적 비파괴 평가기법에 관한 연구를 수행하고자 한다.
본 연구는 비접촉식 초음파 탐상 시스템을 이용 하여 C-Scan 모드를 통한 항공기 브레이크 디스크의 내부결함 검출성능에 대한 연구를 수행하여 비접촉 공중 초음파 탐상기법의 유용성에 대해 고찰한 결과 다음과 같은 결론이 도출 되었다.

제안 방법

Pulse Counter 설정 화면에서는 구형Burst 투과 신호를 A-Scope로 검출하기 위해서 Gain Frequency, Voltage, Wave Number, LPF, HPF 등을 조정하고, 측정 범위 설정 화면에서 측정 원점, 대각점, pitch, 속도 등을 설정하고 위와 같은 조건이 충족되었을 때 화상 스캠을 수행하였다.
따라서 본 시스템은 기존에는 적용이 곤란했던 항공기 자동차용 탄소섬유 복합재료의 박리 검사 등을 물 등의 접촉매질을 필요로 하지 않고 비접촉으로 검사하는 것이 가능하다 자동 스캔 화상 장치는 Fig. 1와 같다. Fig.
마스팅 되어진 시험편의 탐상실험은 인가되는 초음파 주파수 대역을 340kHz, 400kHz 설정하여 측정된 C-Scan 화상결과를 비교분석하였다. C-Scan 화상 결과 추출은 에코높이 측정을 통하여 컬러맵으로 표시된다.
비접촉 공중 초음파 탐상기법을 이용한 항공기용 Cf-C 브레이크 디스크의 C-Scan 모드 탐상을 위하여 정상시험편과 결함시험편을 제작하였다.

이론/모형

탐상면에 결함이 있는 경우 결함 에코 높이에 대응하여 표시점의 휘도를 높인다 컬라표시의 경우에는 색을 변화 시키고 결함 에코를 검출하기 위한 검사범위(탐상면으로 부터의 거리)를 게이트에 의해 이동시키거나 에코 높이 대신 결함 에코까지의 시간변화를 색별로 표시하면 탐상 면으로부터 일정 깊이마다 표시한 결함의 평면도(C-Scan)가 얻어진다. 본 시스템은 초음파탐상에서 A-scan 데이터를 이용하여 임의의 gate를 설정하고 peak level을 이미지화하는 C-scan방식의 원리를 사용하였다.

성능/효과

1. C-Scan 모드(평면화상) 비접촉 공중 초음파 탐상 실험을 통하여 Cf-C 브레이크 디스크의 단면탐상 실험을 수행한 결과, Cf-C 브레이크 디스크의 인공 평면부 결함 ϕ10mm 2개, ϕ8mm 1개, ϕ7mm 2개, ϕ5mm 3개, ϕ3mm 1개, ϕ2mm 1개를 검출 할 수 있었으며 인공 측면부 결함 ϕ5mm DP4 1개, ϕ5mm DP12 1개, ϕ5mm DP14 1개, ϕ7mm DP14 1개, ϕ5mm DP15 1개, ϕ3mm DP20 1개를 검출할 수 있었다.
결함시험편 C-Scan탐상결과에서 확인할 수 있듯이 초음파 주파수 340kHz, 400kHz를 인가하였을 때 결함시험편의 인공결함부는 정상적으로 검출되었다.
따라서 정상시험편의 내·외측 단면형상이 명확하게 탐상되었다.
9(b)에서 볼 수 있듯이 340kHz 인가 할 때보다 400kHz로 송신 주파수 인가 시, 수신되는 에코 높이 신호가 감소되고 있다. 따라서 탄소복합체의 Air-coupled transducer 타입을 이용한 초음파 탐상 시에는 340kHz 대역내의 송신 주파수를 사용하는 것이 초음파 감쇠 및 확산손실을 최소화 할 수 있으며 에코 높이 신호의 감소를 최소화 시킬 수 있다고 판단된다.
340kHz 탐상 시 인가 할 때보다 400kHz로 송신 주파수 인가 시, 수신되는 에코 높이 신호가 감소되고 있다. 따라서 탄소복합체의 Air-coupled transducer 타입을 이용한 초음파 탐상 시에는 340kHz 대역내의 송신 주파수를 사용 하는 것이 초음파 감쇠 및 확산손실을 최소화 할 수 있으며 에코 높이 신호의 감소를 최소화 시킬 수 있다고 판단된다.
본 시스템은 고감도 Air Probe, High power 초음파 신호 처리용 PXI 고속디지타이저 카운터 보드, Pulser Receiver, 주파수 필터가 장착된 Pre-amp 등 으로 구성되어 있어 고속 대용량 디지털 데이터처리가 가능하며, 구형 Burst 파를 사용하여 고감도 송신 프로브와 수신 프로브를 통해 측정된 고체와 공기 간에 음향임피던스 차이를 Labview 기반의 DLL소스가 코딩된 측정 프로그램에서 디지털 신호 처리된 초음파 투과율로 재료의 내부 결함 크기 및 위치 등을 검출 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발사체 노출 부분에 세라믹 소재가 사용되는 이유는 무엇인가	항공우주용 첨단 신소제인 발사체 노출 부분은 고온 고압의 가스가 배출되는 부분으로 기존의 사용되는 금속재인 몰리브데늄 탄탈륨 그리고 텅스텐 등은 gas stream에 의한 erosion 및 corrosion 저항성이 낱아 그 수명이 매우 짧기 때문에 이에 대한 저항성이 우수한 세라믹 소재가 대체소재로 개발 및 적용되고 있다[2].
	탄소 섬유 복합재는 어떻게 제작하는 것이 효과적인가	탄소섬유 복합재의 큰 비강도(specific strength)는 금속 재료에 비하여 상대적인 최적 운용압력을 증가시켜 주고 있다 특히 분리 조각형(segment)보다는 단일형으로 제작한 것이 효과적이다 이러한 . 특성은 적당한 크기의 단일형까지는 탄소 섬유 복합재의 장점이다[6].
	탄소섬유강화 복합재료의 장점은 무엇인가	탄소섬유강화 복합재료(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 경량 높은 무게비 강도 및 강성도 열적특성 전기적 특성 내부식성 내충격성, 피로특성 부품 일체화의 용이성 등의 많은 장점을 가지고 있다 이러한 특성을 바탕으로 탄소섬유강화 복합재료는 항공기용 부품소재의 경량화 내부 식성 및 충격 진동 등의 성능 향상 금형 가격의 절감 등을 위하여 구조물 외장 부품과 같은 기구 부품 및 엔진부품 등에 적용하기 시작하여 현재 그 사용량이 급격하게 증가하고 있는 추세이다 또한 탄소섬유강화 복합재료는 내약품성 화학적 불활성 및 생체 친화성이 매우 우수하여 다양한 분야에서 응용이 가능하다[3~5].

참고문헌 (9)

Kim, K. S. and Park S. J., "Technique Status of Carbon Fibers-reinforced Composites for Aircrafts", Elastomers and Composites, Vol. 46, No. 2, pp. 118-124, 2011.
Bader, M. G., "6.01 The Composites Market" in Comprehensive Composite Handbook, Vol. 6 Design and Application, Ed. by A. Kelly and C. Zweben, Elsevier Science, 2000.
Mahieux, C. A., "Cost Effective Manufacturing Process of Thermoplastic Matrix Composites for the Traditional Industry: the Example of Carbon-fiber Reinforced Thermoplastic Flywheel", Composite structures, Vol. 52, No. 3, pp. 517-521, 2001.

상세보기
Ha, M. S., Kwon, O. Y., and Choi, H. S., "Improved Electrical Conductivity of CFRP by Conductive Nano-particles Coating for Lightning Strike Protection", Composites Research, Vol. 23, No. 1, pp. 31-36, 2010.
Donnet, J. B. and Bansal, R. C., Carbon Fibers, CRC Press, 1998.
Lee, T. H., "Applications of Carbon Fiber to the Aerospace", KSPE Fall Conference, pp. 511-514, 2011.
Poudel, A., Strycek, J., and Chu, T. P., "Air-coupled Ultrasonic Testing of Carbon-carbon Composite Aircraft Brake Disks," Materials Evaluation, Vol. 71, No. 8, pp. 987-994, 2013.

상세보기
Takahashi, M., Hoshino, H., and Ogura, Y., "Development of Non Contact Air Coupled Ultrasonic Testing," Proceedings of JSAE, pp. 320-321, 2009.
I. K. Park, "Ultrasonic C-scan Technique for Nondestructive Evaluation of Spot Weld Quality", Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol.14, No.2, pp.112, 1994.

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