ABS 그룹, 초음파 스캐닝 기술로 선박 선체 검사 안전성 강화

ABS 그룹이 복합 소재용 초음파 스캐닝 기술을 겨냥하는 시장 중 하나는 보트 수리 산업으로, 표면에서 보이지 않는 손상이나 결함을 평가할 수 있다. (이미지: Getty Images)

비영리 미국 선급협회(ABS)가 160년 전 해상 생명과 재산 보호를 위해 설립되었을 때 조선업자들은 유리섬유 옵션이 없었다. 다행히 그 시간 동안 해양 선박 안전을 더 잘 보장하는 기술도 크게 발전했는데, 부분적으로는 인간이 우주 진출 종이 되었기 때문이다.

텍사스주 스프링에 본사를 둔 ABS 그룹(ABS Group of Companies Inc.)은 ABS 자회사로 위험 관리 솔루션을 제공하고 요트와 어선 같은 소형 선박에 해양 기술 서비스를 확장한다. 이제 NASA 오리온 우주선 열 차폐막 검사를 위해 개발된 기술을 채택하여, 첨단 복합 소재로 만든 선박 선체를 평가하는 데 제공하고 있다.

오리온 우주선 열 차폐막의 에폭시 수지인 아브코트(Avcot) 블록의 원시 초음파 스캔은 유용한 정보를 거의 제공하지 못한다(위). 그러나 Aerospace Corporation이 NASA를 위해 개발한 광범위한 신호 처리는 결손 결합과 '키싱 언본드(kissing unbond)'(표면이 맞닿아 있지만 서로 결합되지 않은 지점) 같은 결함을 탐지할 수 있다(아래). (이미지: NASA)

175피트 이상 선박은 금속 선체의 강도가 필요하다. 금속은 소리를 잘 전도하므로 기존 초음파 스캐닝으로 검사할 수 있는데, 고주파 음파를 소재에 보내 반향의 불규칙성을 감지하여 손상을 찾는다. 소형 선박은 유리섬유, 에폭시 수지, 탄소 섬유 층으로 된 복합 선체로 무게를 절감할 수 있지만, 이 소재들은 음파를 흡수하고 감쇠시켜 초음파 기술로 평가하기가 훨씬 어렵다.

"비금속 소재 결함 탐지 능력이 더 앞선 산업을 살펴보았고, 항공우주 산업이 정말 그 분야를 선도하고 있습니다."라고 ABS 그룹의 자산 무결성 관리 이사 Nick Obando는 말했다.

복합 소재가 제공하는 경량화와 안전을 보장하는 신뢰할 수 있는 검사는 NASA와 다른 우주선 설계자들에게 최우선 과제다. 그래서 우주국이 오리온 모듈 열 차폐막에 새로운 건설 방식을 선택했을 때, 엔지니어들은 무결성을 보장할 검사 기술이 필요했다. 결국 비영리 R&D 회사인 Aerospace Corporation에 복합 소재 검사를 위한 새로운 초음파 기술 개발을 의뢰했는데, 이는 ABS 그룹과 그 소형·경량 고객들의 요구에도 부합하는 것으로 밝혀졌다.

복합 소재 검사의 잠재적 시장 중 하나는 해양 플랫폼으로, 손상된 복합 압력 용기가 위험을 초래할 수 있고, 복합 소재가 파이프와 탑사이드 구조물 수리에 더 적합할 수 있지만 무결성 테스트 방법이 필요했다. (이미지: Getty Images)

오리온은 향후 몇 년간 NASA 아르테미스 임무로 우주비행사를 달로 데려다줄 우주선이다. 열 차폐막은 귀환 시 최대 5,000°F 온도를 생성하며 대기를 관통할 때 우주선을 보호한다. 차폐막은 원래 아폴로 캡슐 열 차폐막에 사용된 경량 에폭시 수지인 아브코트를 허니콤 구조 셀에 주입하여 제작할 예정이었다. 그러나 테스트 차폐막 제작 시 일부 이음새에 균열이 생겨 NASA와 계약사 록히드 마틴은 아브코트 블록을 차폐막 베이스에 직접 접착하기로 결정했다.

"그렇게 함으로써 그 결합선이 이제 중요해졌습니다."라고 NASA 랭리 연구센터의 NASA 공학 및 안전 센터 비파괴 평가 기술 펠로우 William Prosser는 말했다. "그리고 결합 강도가 아브코트 소재 강도보다 강해 셔틀 타일처럼 인장 테스트를 할 수 없었기 때문에 좋은 테스트 방법이 없었습니다."

공학 및 안전 센터는 NASA를 넘어 전문가 네트워크를 유지하며, 여기에는 Aerospace Corporation 소재 가공 부문 이사이자 비파괴 평가 연구소장인 Shant Kenderian이 포함된다.

Prosser가 2015년 Kenderian에게 연락했을 때, Aerospace Corporation은 이미 문제를 해결할 잠재력이 있는 기술을 연구 중이었다. 최근 채용된 Toby Case가 대학원생 때 개발한 고급 스캐닝 기술을 가져왔고, 팀은 열 차폐막 샘플에서 간단한 스팟 체크가 가능함을 시연했다. "하지만 생산 규모로 큰 영역을 스캔하는 것은 완전히 다른 수준의 견고성이 필요합니다."라고 Kenderian은 말했다.

케네디 우주 센터 기술자들이 오리온 승무원 모듈 열 차폐막에 아브코트 블록을 부착 마무리하고 있다. 블록과 차폐막의 결합을 검사하기 위해 NASA는 아브코트 내부나 아래의 결함을 소리의 저항에도 불구하고 찾아낼 수 있는 초음파 센서 개발을 Aerospace Corporation에 의뢰했다. (이미지: NASA)

이후 2년간 초점 및 신호 처리 기술, 심지어 하드웨어까지 개선하여 사용자가 복합 소재의 넓은 영역을 핸드 스캔하여 표면 아래 손상이나 결함을 명확히 이미지화할 수 있게 했다. "우리가 적용한 이 모든 신호 처리 트릭이나 단계가 신호를 점점 더 향상시켜 결국 명확해졌습니다."라고 Kenderian은 말했다. "이 수준의 개발은 모두 NASA 자금 지원 하에 이루어졌습니다."

NASA와 록히드 마틴 엔지니어들도 기술 테스트와 검증 단계에서 특히 관여했다. "그리고 실제 비행 하드웨어에서 케네디 우주 센터 검사원들이 사용할 수 있는 시스템으로 변환해야 했습니다."라고 Prosser는 말했다. "그것 또한 중요한 활동이었습니다."

Aerospace Corporation은 2019년 말 이 기술에 특허를 받았고, 얼마 지나지 않아 ABS 그룹이 라이선스를 취득하여 2021년 초 상용 서비스로 출시했다. "제가 아는 한, 우리는 해양 산업에서 이러한 비금속 복합 소재의 두께를 투과 평가하는 진정한 능력을 최초로 제공했습니다."라고 Obando는 말했다.

그는 회사가 세 가지 주요 사용자 유형을 겨냥한다고 말했다: 품질 보증에 기술을 사용할 수 있는 제조사와 소매상, 손상이나 결함을 평가해야 하는 수리점. "제작 중과 제작 후 자산 무결성에 대한 더 나은 보증으로 모든 당사자를 보호하려는 것입니다."라고 Obando는 말했다. 제조사나 재판매자는 품질을 더 잘 보장할 수 있고, 고객은 구매에 더 확신을 가질 수 있다. 보험사도 이러한 철저한 검사에 활용할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

하지만 회사는 보트 산업과 그 외 분야에서 채울 수 있는 다른 틈새시장을 아직 파악 중이다. "이 기술에 대해 흥분됩니다."라고 Obando는 말했다. "이제 정말 그 흥분을 고객들에게 전달하여 '이게 당신에게 도움이 될 것 같은데, 이 산업에서 어디에 활용 사례가 있는지 보여줄 수 있나요?'라고 말할 차례입니다."

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