npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 404-410

Published online April 30, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.404

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Ultrasonic Testing to Evaluate the Signal Characteristic for CFRP Composite Lamination

Yun-Taek Yeom, Hak-Joon Kim, Sung-Jin Song, Kwang-Hee Im, Sung-Duk Kwon*

School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Korea
Department of Mechanical and Automotive Engineering, Woosuk University, Wanju 55338, Korea
Department of Physics, Andong National University, Andong 36729, Korea

Correspondence to:sdkwon@anu.ac.kr

Received: January 7, 2021; Revised: January 27, 2021; Accepted: February 23, 2021

CFRP (carbon fiber reinforced plastic) composites have superior chemical resistance, vibrationdamping properties, electrical insulation, dimensional safety, etc. than conventional metal materials. Also, applications of these composites are gradually being attempted in various fields, such as the automobile, shipbuilding, medical equipment, and aerospace and aviation industries, and the scope of applications is expanding. CFRP composites have properties such as imbalance and anisotropy because they are manufactured with a desired stacking order and fiber arrangement angle by using a one-way prepreg sheet. In the additive process, defects such as pores, uneven thickness, resin distribution, and micro-cracks can occur due to sliding or stacking defects and can cause the destruction of the fibers and parent materials, interfacial separation, and fracture, Thus, the characteristics for the shape of CFRP Composite lamination must be evaluate, so In this study, an evaluating of the characteristics was performed by analyzing the ultrasonic A-scan (Amplitude-scan) signal and C-scan (Contrast-scan) image for CFRP composite lamination

Keywords: Ultrasonic testing, CFRP laminates, Fiber orientation, FEM (finite element method) simulation

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 복합재는 기존 금속 재료보다 내화학성, 진동 감쇠 특성, 전기 절연성, 치수 안전성 등이 우수하여 항공 · 우주 분야를 비롯하여 자동차 분야, 철도 분야, 신에너지 분야 (풍력발전기 블레이드) 등 그 우수성이 인정받아 대체 재료로 그 활용 범위가 확대되고 있으며 [13], 특히 수송 산업 분야 중 하나인 자동차 산업에서 연비 효율 개선을 목적으로 자동차 내 부품 대부분에서 복합재를 이용한 자동차 경량화를 수행하고 있다 [24].

CFRP는 한 방향성의 프리프레그 시트(Prepreg sheet)를 이용하여 원하는 적층 순서와 섬유 배열 각에 따라 제작하기 때문에 불균질, 이방성 등의 성질을 갖고 있으며, 충격 시 역학적 거동 및 손상의 형태가 매우 복잡하여 적층 과정에서 발생하는 미끄럼이나 적층 불량에 의한 기공, 불균질한 두께 · 레진 분포 · 섬유 배열로 인하여 섬유와 모재의 계면 파괴 · 박리 · 파단 등 여러 가지 결함을 가져올 수 있으며, CFRP의 손상은 충격 체의 형상, 질량, 속도, 강도, 적층 구조 (섬유 배열 방향)에도 깊은 관계가 있으며. 이러한 문제로부터 복합재료의 실용화를 위한 CFRP 복합재의 안정성 및 신뢰성 평가가 매우 중요하다 [310].

따라서, 본 연구에서는 FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션을 이용하여 CFRP 복합재 내 적층 배열에 따른 초음파의 거동을 가시화하고, 초음파 탐상 실험을 통해서 CFRP 복합재의 적층 배열에 따른 초음파 신호를 분석하여 재료의 특성 평가를 수행하고자 한다.

1. CFRP 복합재 시험편

CFRP 복합재는 유압 프레스를 이용하여 CF(Carbon Fiber)/Epoxy로 조합된 탄소 섬유를 프리프레그 시트를 적층하여 탄소 섬유의 배열 방향에 따라 각각 3가지 형태이고, 크기는 160mm(가로) × 140mm(세로)이며, 두께는 9mm인 48 플라이(ply) 구조이다.

Figure 1은 탄소 섬유의 적층 방향에 따른 시험편의 단면 형상을 도식적으로 나타낸 것이다.

Figure 1. Lay-up orientation of CFRP laminate composite;(a) 0/0°, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

Figure 1의 (a)는 탄소 섬유 배열 방향이 모두 같은 방향으로 쌓인 단일 방향 플라이를 나타낸 것이며, (b)는 플라이 방향이 서로 수직으로 교차하는 직교 이방성 플라이를 나타낸 것이다. (c)는 세 가지 방향이 혼재된 복합성 플라이를 나타낸 것이다. 여러 방향으로 혼재된 플라이일수록 제작시 어려움이 있지만, 시험편의 강도가 높아지는 특징을 갖고 있다 [1,2].

Figure 2Fig. 1의 탄소 섬유 배열 방향을 기반으로 48 플라이로 제작된 CFRP 복합재 시험편을 나타낸 것이다.

Figure 2. (Color online) Fabricated CFRP specimens of fiber orientation;(a) 0/0˚, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

2. FEM 시뮬레이션 모델링

CFRP 복합재의 초음파 거동을 가시화하기 위하여, FEM 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multi-Physics를 이용하여, Fig. 3과 같이 FEM 시뮬레이션을 모델링 하였다.

Figure 3. (Color online) Geometry of FEM simulation;(a) 0/0˚, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

Fig. 1과 같이 각각의 섬유 배열 방향을 그대로 적용하였고, 시간의 흐름에 따라 초음파의 거동을 가시화하기 위하여, 시간 도메인으로 설정하였다. 초음파의 수침 탐상을 모사하여 접촉 매질은 물로 설정하였고, 사용된 초음파 탐촉자의 중심 주파수는 2.25MHz, 직경 0.25 in. 이었으며, 모델링의 양쪽 부분은 초음파의 반사가 일어나지 않는 가정을 넣은 Plane Wave Radiation 영역으로 설정하였다.

3. FEM 시뮬레이션의 초음파 가시화

Figure 4는 시간의 흐름에 따라 초음파가 수직 입사할 때 단일 방향성 플라이인 0/0° 일 때의 초음파의 거동을 가시화하여 나타낸 것이다.

Figure 4. (Color online) FEM simulation result of 0/0°;(a) 1 µs, (b) 4 µs, (c) 6 µs, (d) 14 µs

Figure 4의 (a) 는 물속 탐촉자에서 초음파가 가진되는 것을 나타내며, (b)는 초음파가 물과 CFRP 경계면을 통과하며 0/0° 시험편으로 거동하는 것을 나타낸다. (c)는 물 영역에서는 시험편 표면에서 반사된 신호가 되돌아가고, 시험편 내로 거동된 초음파가 계속 진행하여 시험편의 바닥에 맞닿기 직전까지를 나타내고 있으며, 특이한 점은 초음파 입사 방향에 수직한 탄소 섬유 방향(플라이 결 방향)으로 초음파의 분산이 발생하여 초음파 에너지가 시편 내에 머무는 플라이 경계효과가 발생하고 있다. (d)는 시험편의 바닥 반사된 파가 다시 입사 탐촉자까지 거동하는 것을 확인 할 수 있으며, 이 경우에도 플라이 경계효과가 나타난다.

Fig. 5은 시간의 흐름에 따라 직교 이방성 플라이인 0/90° 일 때의 초음파의 거동을 가시화하여 나타낸 것이며, Fig. 4의 (a)와 (b)와 유사하지만, (c)의 경우는 탄소 섬유의 방향이 서로 직교하므로 Fig. 4 (c)에서 보여준 플라이 경계 효과가 두 방향으로 분산되므로 신호가 전반적으로 약화되는 것을 확인할 수 있다. (d)는 시험편 바닥에서 반사된 신호가 수집되는 것을 확인 할 수 있으며, 플라이 경계면 효과를 확인할 수 있다.

Figure 5. (Color online) FEM simulation result of 0/90°;(a) 1 µs, (b) 4 µs, (c) 6 µs, (d) 14 µs

Figure 6 은 시간의 흐름에 따라 복합성 플라이인 0/±45/90° 의 초음파 거동을 나타낸 것이다.

Figure 6. (Color online) FEM simulation result of 0/±45/90°;(a) 1 µs, (b) 4 µs, (c) 6 µs, (d) 14 µs

Figure 6의 (a)와 (b)는 Fig. 4Fig. 5의 경우와 유사하지만, (c)에서 보듯이 세 방향으로 배열된 플라이로 인해 플라이 경계면 효과가 Fig. 5 (c)보다는 더 분산되어 초음파의 에너지가 많이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Figure 7은 FEM 시뮬레이션을 통해서 수집된 CFRP 시험편에 따른 A-스캔(Amplitude-스캔) 신호를 나타낸 것으로 시편의 표면 반사 신호와 시편 바닥 반사 신호를 포함하고 있다.

Figure 7. A-scan signal of FEM Simulation results for CFRP specimen; (a) 0/0˚, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

Figure 7의 A-스캔 신호는 플라이들 결 방향에 수직 방향으로 입사하고 반사된 신호들이므로 플라이 배열의 종류가 신호에 큰 영향을 미치기 어려울 것이 예상되며 실제 공통으로 약 7 µs에서 수집된 표면 반사 신호와 약 14 µs에서 수집된 바닥 반사 신호들은 큰 차이를 보여주지 못하고 있다. 그러나 표면 신호와 바닥 신호 사이 그리고 바닥 신호 이후의 신호에서는 플라이 경계면 효과로 보이는 초음파 신호의 패턴 변화를 보여주고 있다.

1. CFRP 복합재 평가를 위한 초음파 실험 장비

CFRP 복합재의 초음파 신호를 수집하기 위하여 초음파 C-스캐너(Contrast-스캐너)를 이용하였고, Fig. 8로 나타내었다.

Figure 8. (Color online) Experimental equipment;(a) experiment setup (b) C-scanner

Fig. 8의 (a)는 초음파 실험 셋업이며, 각각 초음파 C- 스캐너, 초음파 펄서-리시버(PANAMETRICS사의 Model 5800), 초음파 A/D 보드(NI사의 PXIe-5114), 스캐너 컨트롤 박스 및 프로그램으로 구성되어 있고, (b)는 초음파 C- 스캐너를 상세히 나타낸 것이다. 초음파 C-스캐너는 X-Y - Z축으로 각각 400 mm, 400 mm, 300 mm 영역을 0.1 mm 간격으로 이동할 수 있으며, 스캔을 통해서 해당 영역을 검사할 수 있다. 본 연구에서는 CFRP 복합재의 시험편 중앙을 기준으로 각각 X-Y (50 × 50 mm) 영역을 검사하였다.

실험에 사용된 탐촉자는 다른 탐촉자와 비교하여 우수한 압전특성을 가지며, 가격이 저렴한 OLYMPUS 사의 수침용 2.25MHz, 0.25 in PZT 탐촉자를 사용하였으며, 물 거리는 주파수를 고려하여 약 30 mm로 설정하였다.

2. CFRP 복합재에 대한 초음파 실험 결과

Figure 9는 CFRP 시험편에 대한 초음파 신호를 나타낸 것이며, 탄소 섬유 배열 방향에 따른 신호를 분석하였다.

Figure 9. (Color online) A-scan signal of experiment result for CFRP specimen; (a) 0/0˚, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

Figure 9의 A-스캔 신호는 FEM 시뮬레이션의 결과인 Fig. 7과 유사한 신호 패턴을 보인다. 단일 방향 플라이 시편인 (a)에 비해 플라이 배열 종류가 늘어나는 (b)와 (c)로 갈수록 표면 신호와 저면 신호 사이 초음파 노이지 신호는 증가하는 패턴을 보여주고 있다. 이는 CFRP 복합재 내부로 거동한 초음파가 탄소 섬유 및 플라이 경계로 인해 발생하는 것으로 판단되며, 총칭 플라이 경계효과라 표현할 수 있다. Fig. 9의 결론은 표면과 저면 신호 사이에 나타나는 플라이 경계효과는 배열의 종류가 늘어날수록 커진다고 할 수 있다.

Figure 10은 초음파 C-스캐너를 통해서 수집된 CFRP 복합재의 초음파 신호에 대한 진폭을 측정하여 C-스캔 이미지로 나타낸 것이며, 표면 신호와 저면 신호 사이에 플라이 경계효과가 나타나는 초음파 신호를 이용하였다.

Figure 10. (Color online) C-scan image of CFRP specimen;(a) 0/0˚, (b) 0/90°, (c) 0/±45/90°

Figure 10의 (a)는 단일 방향의 탄소 섬유 배열을 확인할 수 있었으며, (b)는 서로 직교하는 탄소 섬유 방향의 배열을, (c) 는 45° 의 사선 방향으로 탄소 섬유 배열을 확인할 수 있었다. Figure 10 (b) 의 C-scan 이미지에 나타난 특정 원형 신호를 분석하기 위해 Fig. 11과 같이 시험편의 CT 단층 사진을 획득한 결과 같은 위치에 박리로 의심되는 신호를 확인하였다.

Figure 11. (Color online) CT Image for CFRP specimen (0/90°)

초음파 C-scan을 통해 탄소 섬유 배열의 정성적 분별과 박리 같은 플라이 배열 결함의 평가가 가능함을 확인하였다.

Figure 12는 탄소 배열 방향이 0/90° 인 시험편의 결함 예상 부분의 초음파 신호를 나타낸 것이다. 건전부에 대한 Fig. 9의 (b) 신호보다 표면과 바닥 신호 사이에 있는 노이지 신호의 진폭 크기가 약 1.6배 정도 커진 것을 확인 할 수 있었다. 이는 시험편의 박리로 인하여 플라이 경계효과가 증폭된 것으로 판단되며 표면과 저면 신호 사이의 신호 평가가 플라이 결함 및 배열 종류에 의존함을 확인하여 주는 것이다.

Figure 12. (Color online) A-scan signal of 0/90° specimen at delamination region

본 연구에서는 자동차 소재로 주목받는 CFRP 복합재를 초음파 탐상 기법을 이용하여 FEM 시뮬레이션 및 실험을 통한 신호 패턴 분석을 수행하였고, 탄소 섬유 배열과 결함 등으로 인한 경계면 산란 회절 효과 (플라이 경계효과) 가표면과 저면 신호 사이에서 민감하게 발생하는 것을 확인하였다. 또한, 초음파의 C-스캔을 이용하여 CFRP 복합재의 섬유 배열 방향에 따라 변화하는 이미지를 확인하였고, 시험편 내의 결함 의심영역도 찾을 수 있었다.

CT 단층 사진을 이용하여 C-스캔 기법에 대한 검사 신뢰도를 검증하였다.

추후 연구에서는 CFRP 복합재에서 발생하는 결함의 유형을 분석하고, 추가로 결함 모사 시험편을 제작하여 결함의 유형을 판별할 수 있는 판별 알고리즘 및 DNN (Deep Neural Network)를 이용한 AI (Artificial Intelligence) 진단 기술을 개발할 예정이다.

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. NRF-2020R1I1A1A01073812)

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