복합재 구조물 및 접착 본드라인 내부 정밀 온도 모니터링

복합재 및/또는 접착 본드라인 내부 경화 중 온도를 완전히 파악하는 것은 수십 년간 해결되지 않은 과제였습니다. 현재 온도 센서인 열전대(thermocouple)는 부품에 결함을 일으키지 않고 내장하기에는 너무 큽니다. 따라서 현재는 부품 및 접착 수리 부위의 표면과 주변부 온도만 측정할 수 있습니다. 수리 패치 바닥의 접착제 온도, 두꺼운 동체 또는 날개 스킨 라미네이트 내부, 두꺼운 스트링거와 스킨 사이의 온도를 알기 어렵습니다. 그러나 이 온도는 적절한 수지 흐름, 습윤, 경화를 위해 매우 중요합니다.

현재 복합재 산업은 추정된 시간과 온도 레시피가 실제로 경화를 완료하고 필요한 물성을 생성하는지 확인하기 위해 몇 달, 수백만 달러를 테스트에 투자하며 이 단점을 보완하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 공급업체는 매년 열전대 고장이나 선행/후행 열전대가 허용 범위를 충분히 벗어나 물성과 비행 성능에 의심을 품게 하는 부품을 검토하고 인증하는 데 많은 인력과 비용을 들입니다.

이 온도 측정 문제를 해결하기 위해 아브프로(AvPro Inc., 미국 오클라호마주 노먼)가 써모펄스(ThermoPulse) 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 경화 중 무선, 원격, 인시투(in-situ) 온도 모니터링을 가능하게 합니다. 시스템은 마이크로와이어 센서, 송수신 안테나, 안테나 신호를 수집하고 소프트웨어를 통해 온도 데이터로 변환하는 리더 박스로 구성됩니다. 센서는 부품 내부에 내장된 채로 유지되며, 오토클레이브, 오븐, 인퓨전, 수지전사성형(RTM) 공정에 사용할 수 있습니다. 아브프로는 이미 미 공군과 1단계 SBIR(중소기업 혁신 연구) 프로그램을 완료했으며, 현재 2단계 사업을 수행 중으로 복합재 수리 및 부품 제작 중 본드라인 온도를 직접 측정하고 4개 독립 사이트에서 라운드 로빈 테스트를 통해 써모펄스의 정확성을 검증하고 있습니다.

이 기술의 잠재력은 매우 큽니다. 열경화성 복합재뿐만 아니라 열가소성 소재의 온도 의존적 용융 및 결정화 형성에도 실시간 인더스트리 4.0 데이터를 제공합니다. 더욱이 측정 자체가 시스템의 최종 목표는 아닙니다. 써모펄스는 궁극적으로 복합재의 점탄성 변화를 기반으로 경화 사이클을 관리합니다. 실시간 데이터로 경화 완료를 확인할 수 있어 기존 시간/온도 레시피 대비 경화 사이클을 단축할 수 있습니다. 또한 마이크로웨이브 및 유도 가열을 활용하여 '과열(overcooking)' 없이 빠른 경화 속도에 필요한 고도로 표적화된 근시각적 온도 전달이 가능해 경화 사이클을 최적화할 수 있습니다.

매크로 vs. 마이크로와이어 센서

열전대는 현재 복합재 가공에서 가장 일반적으로 사용되는 온도 센서입니다. 서로 다른 두 금속 와이어를 한 끝에서 접합하여 형성되며, 온도 변화에 따라 전류를 생성합니다. 열전대는 저렴하고 정확한 온도 측정이 가능하지만, 전압계에 연결해야 합니다. 개별 와이어 직경은 매우 작을 수 있지만, 완성된 데이터 생성 어셈블리는 구조적 물성을 저하시키지 않고 부품이나 본드라인에 내장할 수 없으며, 진공 백 문제(잠재적 누출 경로)를 야기해 품질 저하를 초래할 수 있습니다.

반면 아브프로의 써모펄스 시스템에 사용되는 마이크로와이어 센서는 직경 0.25mm, 길이 32mm로, 25mm 이상 두께의 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 라미네이트 아래에 내장된 상태에서 온도 측정에 성공했습니다. 랩 전단 테스트 결과, 접착 본드라인에 센서를 내장한 쿠폰과 내장하지 않은 쿠폰은 구별할 수 없었습니다. 마이크로와이어 센서는 주로 코발트와 철로 된 비정질 금속 합금으로 만들어집니다. 이들의 자기적 특성은 독특합니다. 첫째, 와이어 길이 방향으로만 두 가지 가능한 상태(한 방향 또는 반대 방향)로 분극됩니다. 또한 분극이 거의 순간적으로 바뀝니다. 이를 바크하우젠 점프(Barkhausen Jump)라고 합니다. 교류 전자기장을 센서에 가하면 이 바크하우젠 점프가 원격 안테나로 감지 가능한 날카로운 전압 펄스를 생성합니다. 각 펄스의 적분은 온도 의존적입니다.

이 측정 메커니즘의 또 다른 핵심 요소는 마이크로와이어 야금학을 특정 퀴리 온도(Curie Temperature)에 맞게 조정할 수 있다는 점입니다. 퀴리 온도는 전압 펄스가 더 이상 발생하지 않는 온도입니다. 이는 제조된 마이크로와이어의 인증 가능한 물리적 특성입니다. 마이크로와이어의 전압 펄스 적분 크기가 마이크로와이어 온도가 퀴리 온도에 접근함에 따라 비선형적으로 감소하기 때문에(Fig. 2), 정밀한 온도 추출이 가능합니다.

따라서 써모펄스 안테나는 저주파 전자기장을 방출하여 내장 센서를 조사하고, 결과 전압 펄스를 수신한 후 리더 박스에서 해당 센서 위치의 온도 측정값으로 변환합니다.

써모펄스 센서는 자동 보정되며, 사실상 경질 튜브에 캡슐화된 세 개의 마이크로와이어로 구성됩니다(튜브 직경이 0.25mm, 각 와이어 직경은 0.03mm). 한 와이어는 측정 와이어로 기능하며, 센서가 설계된 수지 시스템의 경화 온도보다 약 50°F/10°C 높은 퀴리 온도를 갖도록 합금화됩니다. 두 번째 와이어는 기준 와이어로, 원하는 드웰 온도보다 수백 도 높은 퀴리 온도를 갖도록 합금화되어 정규화를 위한 일정한 펄스를 제공합니다. 세 번째 와이어는 자동보정 와이어로, 실온보다 높지만 경화 온도보다 현저히 낮은 퀴리 온도를 갖도록 합금화됩니다. 이 와이어는 알려진 퀴리 온도에 도달할 때까지 온도 판독값을 제공하며, 그 순간 펄스가 사라집니다. 이때 센서의 온도가 정확하게 검증되고, 써모펄스 시스템은 측정과 계산에 필요한 보정 온도를 확보합니다.

SBIR 테스트

공군과 초기 1단계 SBIR을 완료하여 실행 가능성을 입증한 후, 아브프로와 파트너들은 현재 2단계 프로젝트의 중간 단계에 있으며, 이는 써모펄스 시스템의 정확성과 정밀도를 검증하기 위해 설계되었습니다. 이는 4개 독립 사이트에서의 테스트를 통해 달성됩니다. 각 사이트는 25개의 써모펄스 센서와 핫 본더 유형의 프로토타입 리더 박스를 사용합니다. 핫 본더는 접착 복합재 수리에 열과 진공 적용을 제어하는 휴대용 소형 장비입니다. 4개 테스트 사이트는 아브프로 시설, 아바리스 트레이닝(미국 네바다주 리노), TSI 테크놀로지스(미국 캔자스주 위치타), 힐 공군기지 AFLCMC/EZPT-ACO(미국 유타주 오그덴 인근)입니다.

아브프로는 수년간 아바리스 트레이닝과 협력하여 자사의 소재 상태 관리(MSM) 시스템 검증과 개선을 도왔으며, TSI 테크놀로지스는 마이크로와이어 센서 개발 및 개선의 핵심 파트너입니다. 힐 공군기지는 오그덴 항공 물류 단지가 여러 공군 무기 체계의 창정비를 수행하고, 공군 생애주기 관리 센터의 공군 첨단 복합재 사무소(AFLCMC/EZPT-ACO)가 현장 복합재 소재의 중앙 집중식 리소스 역할을 하는 곳입니다. 연구 프로그램은 공군 연구소(AFRL, 미국 오하이오주 라이트-패터슨)가 주도하며 프로젝트 매니저 카라 스토리지(Kara Storage)가 항공기 제조 및 수리 응용을 목표로 합니다.

각 테스트 사이트는 필름 접착제 위에 6겹의 프리프레그로 만든 직경 5인치 스카프 수리 패치를 사용하여 25개의 표준화된 접착 복합재 수리를 완료하며, 본드라인에 마이크로와이어 센서를 배치합니다. 이 25개 수리 각각은 써모펄스 마이크로와이어 센서 결과와 비교하기 위한 대조군으로 열전대도 사용합니다.

"250°F 경화 수리 테스트 25개를 모두 완료했고 현재 데이터를 분석 중입니다."라고 아브프로 사장 톰 로즈(Tom Rose)는 말합니다. "현재까지 마이크로와이어 측정값이 열전대 측정값의 ±5°F 이내입니다." 로즈는 힐 공군기지를 제외한 모든 테스트 사이트에서 CFRP 라미네이트와 패치를 사용하며, 힐 공군기지는 유리섬유 라미네이트와 수리를 테스트하는 특별한 이유가 있다고 말합니다. "이제 350°F 수리를 위한 추가 100개 센서 테스트를 시작하며 2019년 10월까지 SBIR 작업을 완료할 예정입니다."

이 테스트의 또 다른 목표는 ASTM 표준 제정을 위한 통계적 기반을 개발하는 것입니다. ASTM 인터내셔널(미국 펜실베이니아주 웨스트 콘쇼호켄)은 복합재 소재 및 구조에 사용되는 대부분의 테스트 방법을 포함한 산업 표준을 개발하는 기관입니다. "복합재 수리 중 본드라인 온도 측정을 위한 ASTM 방법은 모든 복합재 본드라인에도 적용될 것입니다."라고 로즈는 말합니다. "이는 업계에 써모펄스 센서의 정확성에 대한 확신을 줄 것입니다." SBIR 테스트를 위한 수리 완료는 핫 본더 프로토타입을 폐루프 온도 제어 장치로 개선하기 위한 피드백도 제공합니다. "우리의 목표는 본드라인 내 온도를 기반으로 수리 경화를 제어하는 것입니다."라고 로즈는 말합니다. "궁극적 목표는 상당한 시간과 비용 절감을 제공하는 것입니다."

경화 현대화, 품질 문서화

"이 센서는 우리의 경화 관리 시스템에 데이터를 공급하기 위해 개발되었습니다."라고 로즈는 설명합니다. "우리가 복합재 구조물의 경화를 관리하는 방식에는 근본적인 변화가 거의 없었습니다." 그러나 아브프로의 소재 상태 제어는 중대한 변화이며, 이것이 채택이 느렸던 이유 중 하나입니다. "항공우주 복합재 커뮤니티는 매우 보수적입니다."라고 아바리스 트레이닝의 오랜 강사 루 도워스(Lou Dorworth)는 지적합니다. "아브프로의 소재 상태 관리 시스템 사용에는 교육이 필요했고, 초기에는 써모펄스와 함께 개발되는 장비만큼 사용자 친화적이지 않았습니다." 로즈는 현재 개발 목표가 사용하기 쉬운 상용 제품을 만드는 것임을 인정합니다. "우리는 또한 소프트웨어를 개선하고 와이어 및 센서 제조를 산업 생산 규모로 확대하고 있습니다. 현재 센서당 25~30달러로 예상되며, 이는 열전대와 거의 같은 가격입니다."

"우리의 최우선 과제는 기술을 상용화 및 산업 생산을 위해 최종 확정하는 것입니다."라고 로즈는 말합니다. 그는 아브프로가 다음으로 ASTM 테스트 방법 수립을 추진할 것이며, 마지막 단계는 구조 인증에 필요한 추가 테스트(결함 영향 프로그램 등)를 수행하는 것이라고 덧붙입니다. "센서를 본드라인에 넣은 경우와 넣지 않은 경우 동등한 결과를 얻는 것은 좋은 시작이지만,"라고 로즈는 말합니다. "구조 엔지니어들은 센서가 중요한 위치에 배치되어 결함을 만들지 않으면서 물성 달성 능력을 향상시킬 수 있음을 확신해야 합니다." 그의 목표는 올컴포지트 경량 스포츠 항공기(LSA) 제조사에서 써모펄스 시스템의 초기 자격 인증을 추진하는 것입니다. 이들은 OEM 및 대형 티어 공급업체보다 평평한 기업 구조를 갖는 경향이 있습니다.

복합재 항공기 구조 설계 및 생산의 변화는 악명 높게 비용이 많이 들고 느리지만, 이제 그 어느 때보다 복합재 제조 속도를 가속화할 공정 제어 기술 구현에 대한 동기가 강합니다. 로즈와 도워스는 항공기 제조 및 수리뿐만 아니라 실시간 인시투 데이터를 기반으로 온도 의존적 공정을 관리하는 등 훨씬 더 광범위한 응용 분야의 잠재력을 봅니다. "우리의 시스템은 부품 제조업체가 자체 경화 사이클을 최적화하고 이를 실제 물성과 연관시킬 수 있는 권한을 줍니다."라고 로즈는 말합니다. "이제 우리는 부품 내부와 본드라인 내부에서 온도와 점도를 시간의 함수로 측정할 수 있습니다. 이는 진정한 디지털 제어를 확립하고 우리 부품의 품질에 대한 문서화된 확신을 가질 수 있게 해줍니다."