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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현장에서 스카프 패치를 사용하여 복합재 구조물의 손상을 수리할 때 히트블랑켓과 연계하여 외부압력을 부가할 수 있는 가압장치를 개발하였다. 가압장치의 목표압력은 압력과 인장강도의 관계에 대한 인자연구를 통해 설정하였다.
- 본 연구에서는 손상된 복합재 구조물의 접착 수리를 위한 가압장치를 개발하고 시험을 통해 그 성능을 검증하였다. 상온건조 조건에서의 인장강도 시험과 피로시험, 흡습 후 정적 인장강도 시험을 통해, 개발한 가압장치로 수리한 시편의 구조적 성능을 확인하였다.
- FM300-2M 필름 접착제의 권장 접착압력은 3 기압이다. 본 연구에서는 우선 오토클레이브에서 접착압력을 달리하여 성형한 후, 접착압력이 패치 수리 후 인장강도에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과 진공을 만든 상태에서는 1 기압 정도의 외부압력만 가해도 2 기압이나 3 기압을 가했을 경우와 동일한 수준의 강도회복률을 보이는 것을 확인하였다.
- 상온건조 상태에서의 정적 인장시험과는 별개로 흡습 후 인장강도시험을 수행하였다. 이는 개발한 가압장치로 수리한 시편이 흡습 후에도 오토클레이브로 수리한 시편과 동일한 수준의 강도를 보이는지 확인하기 위한 것이다. 가속 환경을 만들기 위해 ASTM D5229에 의거하여 70°C의 수조에서 수분이 포화되도록 보관한 후 시험을 수행하였다.
- 진공만으로 접착성형을 하는 기존 히트블랑켓의 단점을 보완하기 위해 진공백의 외부에서 추가적인 압력을 가할 수 있도록 하는 것이 본 연구에서 개발하고자 하는 가압장치의 핵심 내용이다. 가압의 원리는 Fig.
제안 방법
- 경화압력을 달리하면서 강도시험을 수행하였는데 이는 가압장치의 1차 설계목표압력을 설정하기 위한 용도이다. 가압장치 설계목표압력이 1 기압으로 정해진 후, 가압장치를 제작하고 이를 이용하여 손상을 수리한 시편에 대한 시험을 수행하였다. 단순 정적시험과는 별도로 가압장치로 수리한 시편의 흡습 후 인장강도와 피로 강도를 검증하기 위한 시험을 추가로 수행하였다.
- 가압장치로 수리한 시편의 피로성능 시험도 수행하였다. ASTM D3479를 참고하여 응력비는 0.
- 따라서 본 연구에서는 현장에서 스카프 패치를 사용하여 복합재 구조물의 손상을 수리할 때 히트블랑켓과 연계하여 외부압력을 부가할 수 있는 가압장치를 개발하였다. 가압장치의 목표압력은 압력과 인장강도의 관계에 대한 인자연구를 통해 설정하였다. 압력은 공기력의 형태로 진 공백 밖에서 추가로 접착제에 가해진다.
- 개발된 가압장치와 히트블랑켓을 이용하여 스카프 패치로 수리한 복합재 적층판에 대한 인장강도 시험을 수행하였다. 시험의 결과는 Fig.
- 압력은 공기력의 형태로 진 공백 밖에서 추가로 접착제에 가해진다. 개발된 가압장치의 성능을 검증하기 위해 스카프패치로 수리한 시편에 대한 정적 인장강도, 피로강도, 흡습 후 인장강도 시험을 수행하고, 오토클레이브로 수리한 시편의 강도와 비교하였다.
- 개발한 가압기로 수리한 적층판에 대하여 흡습 후 상온(Room Temperature and Wet, RTW) 인장시험을 수행하고 Fig. 11에 그 결과를 요약하였다. 손상이 없는 시편의 강도는 상온건조(Room Temperature and Dry, RTD) 조건에서의 값이다.
- 가압장치 설계목표압력이 1 기압으로 정해진 후, 가압장치를 제작하고 이를 이용하여 손상을 수리한 시편에 대한 시험을 수행하였다. 단순 정적시험과는 별도로 가압장치로 수리한 시편의 흡습 후 인장강도와 피로 강도를 검증하기 위한 시험을 추가로 수행하였다. 전형적인 수리 후 시편을 Fig.
- 그 결과 진공을 만든 상태에서는 1 기압 정도의 외부압력만 가해도 2 기압이나 3 기압을 가했을 경우와 동일한 수준의 강도회복률을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 진공 상태에서 1 기압을 추가로 가한 시험만 수행하였지만, 필요하면 최소한의 설계변경을 통해 추가적인 외부압력을 가할 수 있도록 가압장치를 설계하였다.
- 본 연구에서 사용한 접착제의 경우 3 기압이 권장압력이지만 외부압력없이 진공만으로 성형하여 사용할 수도 있도록 허용되어 있다. 따라서 사용중인 모재와 접착공정에서 패치의 접착압력이 수리된 시편의 강도에 미치는 영향을 고려하여, 가압장치의 설계목표압력을 설정하였다.
- 항공기를 현장에서 수리하기 위해서는 가압장치의 높이나 각도 제어가 원활해야 균일한 압력을 수리부위에 가할 수 있다. 따라서 유압실린더 세 개를 가압장치에 부착하여 가압헤드의 자세변환이 가능하도록 했고, 가압에 따른 반력을 지지할 수 있도록 하였다.
- 정적 인장시험은 ASTM D3039를 참고하여 시험을 수행하였으며 인장속도는 2 mm/min이다. 상온건조 상태에서의 정적 인장시험과는 별개로 흡습 후 인장강도시험을 수행하였다. 이는 개발한 가압장치로 수리한 시편이 흡습 후에도 오토클레이브로 수리한 시편과 동일한 수준의 강도를 보이는지 확인하기 위한 것이다.
- 본 연구에서는 손상된 복합재 구조물의 접착 수리를 위한 가압장치를 개발하고 시험을 통해 그 성능을 검증하였다. 상온건조 조건에서의 인장강도 시험과 피로시험, 흡습 후 정적 인장강도 시험을 통해, 개발한 가압장치로 수리한 시편의 구조적 성능을 확인하였다. 1 기압의 외부하중을 가하여 패치로 수리한 복합재 적층판에 대한 위 세 가지 조건에서의 시험 결과, 본 연구에서 제안한 공정을 사용하여 수리한 시편의 강도가 동일한 조건으로 오토클레이브에서 수리한 시편의 강도보다 데이터 분산 범위 내에서 약 2~3%더 우수한 결과를 보임을 확인하였다.
- 각 시험항목을 Table 1에 제시하였다. 시험은 모두 인장 하중 하에서 수행하였고, 정적시험, 피로시험, 흡습 후 정적시험로 구성된다. 손상이 없는 순수한 적층판 시편은 기준강도 측정용이다.
- 오토클레이브로 수리한 시편과 가압장치로 수리한 시편의 피로강도를 비교하였다. 정적하중의 최대값을 기준으로 35%에서 75%까지 5% 간격으로, 접착 공정별로 각각 12개의 시편에 대한 시험을 수행하였다.
- 8에 진공만으로 접착한 시편과, 추가로 1 기압을 가한 시편의 접착면 현미경 사진을 제시하였다. 외부압력을 가한 시편에 비해 그렇지 않은 시편 접착면 현미경 사진을 제시하였다. 외부 압력을 가한 시편에 비해 그렇지 않은 시편 접착면서에서의 기공이 월등히 많은 것을 쉽게 알 수 있다.
- 이를 위해 오토클레이브에서 진공에 추가로 0, 1, 2, 3 기압의 압력을 가하여 패치를 접착하고 인장강도를 확인하였다. 패치 접착압력에 따른 인장강도는 Fig.
- 모재와 패치의 적층순서는 [45/0/-45/90]2S로 동일하다. 적층된 모재와 패치는 각각 경화하였고, 경화된 모재와 패치의 스카프 면을 균일하게 연마하여 매끄러운 경사면으로 만들었다. 경사각은 약 1.
- 오토클레이브로 수리한 시편과 가압장치로 수리한 시편의 피로강도를 비교하였다. 정적하중의 최대값을 기준으로 35%에서 75%까지 5% 간격으로, 접착 공정별로 각각 12개의 시편에 대한 시험을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 3에 보인 시편의 형상은 ASTM D3039를 참고하여 결정하였다. 시편은 모재, 패치, 외부 겹침층으로 구분되며 모재와 패치는 SK chemical사의 USN-200A, 외부 겹침층은 같은 회사의 WSN-3KY를 사용하였다. 모재와 패치의 적층순서는 [45/0/-45/90]2S로 동일하다.
이론/모형
- 가압장치로 수리한 시편의 피로성능 시험도 수행하였다. ASTM D3479를 참고하여 응력비는 0.1, 주파수는 5 Hz로 설정하였다. 피로시험은 Instron 8801를 사용하여 수행하였다.
- Fig. 3에 보인 시편의 형상은 ASTM D3039를 참고하여 결정하였다. 시편은 모재, 패치, 외부 겹침층으로 구분되며 모재와 패치는 SK chemical사의 USN-200A, 외부 겹침층은 같은 회사의 WSN-3KY를 사용하였다.
- 가속 환경을 만들기 위해 ASTM D5229에 의거하여 70°C의 수조에서 수분이 포화되도록 보관한 후 시험을 수행하였다.
- 정적 인장시험은 ASTM D3039를 참고하여 시험을 수행하였으며 인장속도는 2 mm/min이다. 상온건조 상태에서의 정적 인장시험과는 별개로 흡습 후 인장강도시험을 수행하였다.
- 1, 주파수는 5 Hz로 설정하였다. 피로시험은 Instron 8801를 사용하여 수행하였다.
성능/효과
- 6에 나타내었다. 0 기압으로 수리했을 때 즉 진공 외의 외부압력을 가하지 않았을 때, 평균 강도는 466 MPa, 추가로 1, 2, 3 기압을 가했을 경우의 평균 강도는 각각 495, 493, 491 MPa로 나타났다. 결함이 없는 완전한 시편(Undamaged)의 경우 인장강도는 634 MPa이었다.
- 상온건조 조건에서의 인장강도 시험과 피로시험, 흡습 후 정적 인장강도 시험을 통해, 개발한 가압장치로 수리한 시편의 구조적 성능을 확인하였다. 1 기압의 외부하중을 가하여 패치로 수리한 복합재 적층판에 대한 위 세 가지 조건에서의 시험 결과, 본 연구에서 제안한 공정을 사용하여 수리한 시편의 강도가 동일한 조건으로 오토클레이브에서 수리한 시편의 강도보다 데이터 분산 범위 내에서 약 2~3%더 우수한 결과를 보임을 확인하였다. 본 연구에서 사용된 가압장치는 1 기압까지만 압력을 가할 수 있도록 제작되었지만 일부 부품의 교체만으로도 추가적인 압력을 가하는 것이 가능하다.
- 10에 보였으며 접착부에서의 접착 분리 파손이 지배적인 것을 알 수 있다. 가압장치로 1 기압에서 수리한 시편의 평균 인장강도는 513 MPa, 수리 후 강도회복률은 81.0%로 나타났다.
- 0%였다. 가압장치로 수리한 시편의 인장강도가 오토클레이브수리 시편의 강도보다 14 MPa 높게 나타났다. 앞에서도 언급한 바와 같이 이 정도의 차이가 큰 의미를 갖는다고 보기는 어렵지만, 흡습 후 인장강도 측면에서도 본 연구를 통해 개발한 가압장치가 오토클레이브와 동일한 수준 이상의 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 우선 오토클레이브에서 접착압력을 달리하여 성형한 후, 접착압력이 패치 수리 후 인장강도에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과 진공을 만든 상태에서는 1 기압 정도의 외부압력만 가해도 2 기압이나 3 기압을 가했을 경우와 동일한 수준의 강도회복률을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 진공 상태에서 1 기압을 추가로 가한 시험만 수행하였지만, 필요하면 최소한의 설계변경을 통해 추가적인 외부압력을 가할 수 있도록 가압장치를 설계하였다.
- 7에 보인 오토클레이브 수리 시편의 파손면 형상과 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 0 기압으로 수리한 경우에서와 마찬가지로 가압장치로 수리한 시편의 인장강도가 오토클레이브에서 수리한 시편의 강도보다 18 MPa 가량 높음을 알 수 있다. 시편 제작이나 시험 과정에서의 각종 오차나 불확실성을 고려할 때 큰 의미를 두기는 어렵지만, 최소한 본 연구에서 개발한 시스템을 사용하여 오토클레이브 이상의 수리 후 인장강도를 얻을 수 있다는 것은 확인할 수 있다.
- 13에 피로시험의 결과를 정리하여 보였다. 백만싸이클 기준 오토클레이브수리 시편의 피로강도는 173 MPa, 히트블랑켓과 가압장치를 사용한 시편의 피로강도는 180 MPa로 나타났다. 이 경우에도 접착공정에 따른 의미 있는 차이는 발견되지 않지만, 백만싸이클을 기준으로 한 피로강도도 가압장치와 히트블랑켓을 사용하여 수리한 경우가 미세하게 더 높은 것을 알 수 있다.
- 1 기압의 외부하중을 가하여 패치로 수리한 복합재 적층판에 대한 위 세 가지 조건에서의 시험 결과, 본 연구에서 제안한 공정을 사용하여 수리한 시편의 강도가 동일한 조건으로 오토클레이브에서 수리한 시편의 강도보다 데이터 분산 범위 내에서 약 2~3%더 우수한 결과를 보임을 확인하였다. 본 연구에서 사용된 가압장치는 1 기압까지만 압력을 가할 수 있도록 제작되었지만 일부 부품의 교체만으로도 추가적인 압력을 가하는 것이 가능하다. 따라서 개발된 가압장치는 향후 복합재 구조물의 현장 수리에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 0 기압으로 수리한 경우에서와 마찬가지로 가압장치로 수리한 시편의 인장강도가 오토클레이브에서 수리한 시편의 강도보다 18 MPa 가량 높음을 알 수 있다. 시편 제작이나 시험 과정에서의 각종 오차나 불확실성을 고려할 때 큰 의미를 두기는 어렵지만, 최소한 본 연구에서 개발한 시스템을 사용하여 오토클레이브 이상의 수리 후 인장강도를 얻을 수 있다는 것은 확인할 수 있다.
- 가압장치로 수리한 시편의 인장강도가 오토클레이브수리 시편의 강도보다 14 MPa 높게 나타났다. 앞에서도 언급한 바와 같이 이 정도의 차이가 큰 의미를 갖는다고 보기는 어렵지만, 흡습 후 인장강도 측면에서도 본 연구를 통해 개발한 가압장치가 오토클레이브와 동일한 수준 이상의 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.
- 진공만으로 수리한 시편 대비 인장강도는 38 MPa, 강도 회복률은 6.1%가 증가하였다. 가압장치로 1 기압을 가하여 수리한 시편의 경우에도 파손면 형상은 Fig.
후속연구
- 본 연구에서 사용된 가압장치는 1 기압까지만 압력을 가할 수 있도록 제작되었지만 일부 부품의 교체만으로도 추가적인 압력을 가하는 것이 가능하다. 따라서 개발된 가압장치는 향후 복합재 구조물의 현장 수리에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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