KR20190024986A - 정적 및 주기적인 테스트를 받는 대상물의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에서 로딩되어 있는 CFRP 복합재(150)의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템 및 방법에 관한 것이다. 시스템은 테스트 시스템 상에 장착된 CFRP 복합재(150)의 표면 상에 와전류를 생성하는 프로브 조립체(52)를 포함하는 스캐닝 시스템(20)과 통합된 테스트 시스템(10), 및 X축, Y축 및 Z축을 따라 CFRP 복합재(150)의 전체 표면 영역에 걸쳐서 프로브 조립체(50)의 이동을 위한 3D 스캐너 조립체(60)를 포함한다. 조작자 콘솔(70)은 테스트 시스템 및 스캐닝 시스템(20)에 연결되어, 테스트 시스템에서 기계적 테스트 프로세스를 제어하고 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체(52)의 3차원 이동을 동기식으로 제어한다. 그러한 시스템 및 방법은 기계적 테스트 프로세스를 중단하지 않고 기계적 테스트 전/도중/후에 CFRP 복합재(150)의 결함을 정확하게 검출하도록 CFRP 복합재(150)의 자동화되고 동기화된 3D 스캐닝을 달성한다.
Description
본 실시예는 전체적으로 정적 및 주기적인 하중 하에서 테스트를 받는 대상물을 스캐닝하는 것에 관한 것이다. 본 실시예는 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄(in-situ) 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소 섬유 강화 폴리머 또는 플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Polymers or Plastics) 복합 재료는 다음과 같은 광범위한 용례에서 사용된다: (a) 항공기를 제조하기 위한 항공 우주 산업; (b) 선박, 보트 등을 제조하는 조선 산업; (c) 고속 차량을 제조하기 위한 자동차 산업; (d) 테니스, 배드민턴, 하키 및 크리켓 배트, 자전거 림, 바퀴 및 프레임을 제조하기 위한 스포츠 장비 산업; (e) 콘크리트, 목재 등의 강도를 강화하기 위한 토목 공학 산업; (f) 기타, 바이올린, 드럼을 제조하기 위한 악기 산업; (g) 목재 또는 금속 구성요소를 대체하기 위한 총기 산업; (h) 삼각대 다리, 낚싯대, 당구, 및 지팡이와 같은 가구 산업; 및 (i) 관치(canal tooth)를 대체하는 치과학 분야. 이러한 CFRP 복합재의 광범위한 용례는 다음과 같은 우수한 특성 때문이다: (i) 은 강도 대 중량 비율; (ii) 높은 강성; (iii) 이방성 전기 전도율; (iv) 낮은 열 팽창 계수; (v) 높은 내피로성; (vi) 내부식성 및 화학적 안정성; (vii) 가연성; (viii) 열적 안정성 및 높은 전도성.
그러나, 이러한 CFRP 복합재는 제조 시의 결점 또는 서비스 수명 중에 외부 하중 패턴으로 인한 결함이 있는 것이 매우 자주 발견된다. CFRP 복합재의 결함 중 일부는 박리, 보이드, 적층 무질서, 내포물, 습기, 충격 손상, 섬유 파손 및 정렬 불량을 포함한다. CFRP 복합재에서 이러한 결함의 지속은 다양한 용례에 사용되는 경우에 심각한 결과를 초래할 수 있다. 그러므로, 그러한 결과를 피하고 CFRP 복합재의 서비스 수명을 연장하기 위해 그러한 결함을 검출하는 것이 필수적이다. 이러한 결함은 육안으로 발견할 수 없으며 재료 및 기하학적 특성을 변경하지 않고 검출해야 한다.
CFRP 복합재의 결함 및 손상은 많은 방법으로 검출될 수 있지만, 종래의 검출 방법은 특정 종류의 재료 및 구조적 형태로 제한되는 경우가 많다. 구체적으로, 초음파 두께 측정(A-스캔), 초음파 선형 스캔(B-스캔), 초음파 투과 스캔(C-스캔), 흡음(AC; acoustography), 레이저 초음파(LU; laser ultrasound), 멤브레인 공진(MR; membrane resonance), 음향 방출(AE; acoustic emission), 음향 초음파(AU; acousto-ultrasonics), 레이저 스테레오그래피(LS; laser stereography), 와전류 테스트(ECT; eddy current testing), 일시적 열화상(TT; transient thermography), 위상 잠금 열화상(LT; lock-in thermography), 진동 열화상(VT; vibro thermography), X선 방사선 촬영(XR; X-Radiography), X선 단층 촬영(XT; X-Ray Tomography), X선 후방 산란(XB; X-Ray Backscatter), 및 음향 충격(AI; acoustic impact)과 같은 복잡한 비파괴 테스트(NDT; non-destructive testing)를 필요로 한다. CFRP 복합재에서 탄소 섬유에 대한 와전류 측정의 특정 반응 및 시편(CFRP) 표면을 준비할 필요성의 부재는 와전류 테스트를 박리 및 섬유 파손 형태의 손상을 검출하는 데에 적합하게 만든다.
CFRP 복합재에 대한 NDT 기술의 기존 방법에서, 시편, 즉 CFRP 복합재는 오프라인으로 테스트되고 NDT 중에 어떠한 하중도 받지 않는다. 이 비파괴 CFRP 스캐닝은 CFRP 복합재의 표면 영역 위로 센서를 이동시키기 위해 고정밀 변위 제어식 3차원 조작기(갠트리 시스템)를 필요로 한다. 비파괴 와전류 테스트(ECT) 방법의 설정에서, 전자기 신호가 CFRP 복합재 또는 테스트 대상물에서 생성되는데, CFRP 복합재는 전기 전도성을 갖는다. 그 결과 CFRP 복합재에 와전류가 형성되고, 결점 주변에서 이들 와전류의 변화를 분석하여 CFRP 복합재의 결함을 검출한다.
도 1은 종래 기술에 따라 와전류 센서(3)를 사용하여 CFRP 복합재(4)를 오프라인 스캐닝하는 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 종래 기술 시스템(1) 뿐만 아니라 CFRP 복합재(4)를 스캐닝하는 방법은, (a) 생산 직후에 CFRP 합성 샘플(4)의 제조 결함을 검출하도록; (b) CFRP 시편의 서비스 수명 동안 또는 실험실에서 서비스 수명 조건의 시뮬레이션 동안, 즉 다양한 하중 조건을 갖는 독립적인 테스트 시스템을 사용하여 CFRP 복합재(4)를 테스트한 후에 CFRP 시편(4)의 상태를 검출하도록 기본적으로 오프라인 스캐닝으로 제한된다.
도 1에 도시된 오프라인 스캐닝에서, CFRP 복합재 샘플(4)은 평탄한 표면 영역 상에 배치되고, 이 평탄한 표면 영역 위에서 와전류 센서 프로브(3)가 3D(X축, Y축 및 Z축을 따른 선형 이동) 갠트리 시스템(2) 또는 조작기를 사용하여 이동된다. 프로브(3)를 수반하는 레이저 변위 센서는 CFRP 복합재(4)의 표면과 프로브(3)의 팁 사이에 거리를 제공한다. 이 서보 제어식 XYZ 스캐너(2)는 CFRP 샘플(4)의 전체 표면 영역을 스캔하여 CFRP 복합재(4)의 결함을 쉽게 검출하게 한다. 그러나, 이 독립적인 시스템(1)은 CFRP 복합재(4)가 기계적 테스트 시스템 상에 정적 또는 주기적인 테스트 조건 하에서 로딩되어 있는 동안에 CFRP 샘플을 동시에 스캐닝하는 데에 사용될 수 없다.
그러나, 이러한 종래의 시스템 및 방법에서, 다양한 하중 조건 및 스캐닝 하에서의 테스트가 개별적으로 수행된다. 테스트 시스템 상에 정적 또는 주기적인 테스트 조건 하에서 로딩되어 있는 동안 CFRP 복합재를 동시에 스캐닝하는 단일 시스템은 없다. 종래의 방법에서, CFRP 복합재는 다양한 하중을 가함으로써 CFRP 복합재의 기계적인 거동을 테스트하도록 재료 테스트 시스템 상에 장착된다. 시편을 독립적인 스캐너 위에 배치하고 기계적인 하중을 가하기 전과 후에 시편의 결함을 검출한다.
종래의 방안을 따르면, CFRP 복합재가 다양한 정적 및 주기적인 하중 조건으로 동시에 테스트될 때에 CFRP 복합재에서 결함의 성장을 스캐닝하고 검출하는 것이 불가능하다. 또한, 독립적인 스캐너 및 테스트 시스템을 사용하여 CFRP 복합재의 결함을 검출하는 것은 복잡하고, 문제가 있으며, 지루한데, 이는 또한 기계적인 테스트 후에 그리고 스캐닝 전에 CFRP 복합재의 임의의 취급 부주의로 인해 CFRP 복합재에서 결함의 부정확한 검출을 초래할 수 있다.
따라서, 당해 기술 분야에서 상기 문제들 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공할 필요가 있다. 본 실시예는 독특하고 경제적인 방식으로 이들 문제들 중 많은 문제를 극복한다. 따라서, 정적 또는 주기적인 하중 조건 하에서 기계적인 거동에 대해 실험실에서 테스트되는 동안에 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하며, 이는 전술한 문제 및 단점을 극복할 수 있다.
본 발명의 주 목적은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합재의 검출을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템을 제공하는 것으로서, 이는 테스트 시스템으로부터 CFRP 복합재를 제거할 필요없이 CFRP 복합재 상에 기계적인 테스트가 가해지기 전에/가해지는 동안에/가해진 후에 CFRP 복합재 상의 서비스 하중을 시뮬레이팅하는 서보 제어식 테스트 시스템과 CFRP 복합재의 자동화되고 동기화된 3D 스캐닝을 위한 스캐닝 시스템(와전류 센서 및 갠트리 시스템)의 통합을 달성한다.
본 발명의 다른 목적은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템을 제공하는 것으로서, 이는 CFRP 복합재의 결함 분석의 정확도를 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 목적은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템을 제공하는 것으로서, 이는 테스트 및 스캐닝 프로세스 모두에서 막대한 양의 시간을 절감하는 간단하고 경제적인 방법이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 이는 기계적인 테스트 프로세스를 중단시키는 일 없이 테스트 시스템 상에 장착된 CFRP 복합재의 3D 스캐닝을 달성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이 목적을 달성하는 본 발명은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 대상물의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템에 관한 것이다. 시스템은 테스트 대상물에 원하는 하중 및 변위를 가하기 위해 복수의 유압 유닛에 의해 구동되는 액추에이터 및 크로스헤드 조립체를 갖는 테스트 시스템을 포함한다. 고정구 조립체는 테스트 대상물을 유지하도록 액추에이터와 크로스헤드 조립체 사이에 부착되는 복수의 고정구 요소 및 복수의 파지 요소를 갖는다. 스캐닝 시스템은 한 쌍의 지지 컬럼을 통해 테스트 시스템과 통합된다. 스캐닝 시스템은, 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하는 적어도 하나의 비파괴 감지 프로브 및 프로브 팁과 테스트 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 적어도 하나의 감지 유닛을 갖는 프로브 조립체; 및 프로브가 테스트 대상물의 3D 스캐닝을 위해 테스트 대상물의 전체 표면 영역에 걸쳐서 이동되도록 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 프로브 조립체와 연관된 복수의 전달 요소를 갖게 배치된 XYZ 갠트리 시스템을 구비하는 3D 스캐너 조립체를 포함한다. 조작자 콘솔은 테스트 시스템 상에 장착된 홀더 조립체와 고정되고, 조작자 콘솔은 테스트 시스템 및 스캐닝 시스템에 작동식으로 연결되어, 액츄에이터와 크로스헤드 조립체의 이동을 유압 유닛을 통해 제어하고 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체의 3차원 이동을 XYZ 갠트리 시스템을 통해 동기식으로 제어한다. 그러한 통합된 테스트 및 스캐닝 시스템은 테스트 시스템으로부터 CFRP 복합재를 제거할 필요없이 CFRP 복합재에 적용된 기계적 테스트 전/도중/후에 CFRP 복합재의 결함 성장을 정확하게 검출하도록 테스트 시스템 상에 장착된 CFRP 복합재의 자동화되고 동기화된 3D 스캐닝을 달성한다.
또한, 비파괴 감지 프로브는 프로브 팁을 테스트 대상물의 표면에 대해 위치 설정하도록 스프링으로 로딩되고 프로브 조립체의 고정구에 고정되는 와전류 감지 프로브를 포함한다. 감지 유닛은 프로브에 인접하여 배치되는 레이저 센서를 포함한다. 전달 요소는 테스트 시스템의 지지 컬럼에 고정된 지지 프레임에 부착된다. 전달 요소들 각각은 조작자 콘솔에 의해 제어되는 모터 및 전기 구동 장치에 의해 상호 의존적으로 작동되어 회전 대 선형 이동 전달을 제공한다. 고정구 요소 및 파지 요소 각각은 테스트 대상물을 장착하도록 상부 고정구 요소 및 하부 고정구 요소, 그리고 상부 파지 요소 및 하부 파지 요소로 구성된다. 크로스헤드 조립체는 로드셀이 수용되고 유압 유닛에 의해 서보 제어되어 원하는 하중을 테스트 대상물에 가한다. 테스트 대상물은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymers or Plastics) 복합 재료 및 양방향 CFRP 라미네이트를 포함한다.
조작자 콘솔은 테스트 시스템 내에 수용된 다채널 제어 및 데이터 취득 시스템을 통해 테스트 시스템 및 스캐닝 시스템에 작동식으로 연결되어, 유압 유닛과 전기 구동 장치를 작동시킴으로써 액추에이터, 크로스헤드 조립체, 프로브 조립체의 프로브 및 감지 유닛, 및 XYZ 갠트리 시스템의 전달 요소를 구동시킨다. 조작자 콘솔은 하중을 가하고 테스트 대상물을 스캐닝하는 테스트 시퀀스를 수행하고, 온라인 테스트 상태를 표시하고, 테스트 시스템의 컨디션 및 안전 조치를 진단하며, 테스트 보고서 및 통지서를 생성하도록 구성된다. 조작자 콘솔은 고정구 조립체의 파지 요소를 제어하여 정적 및 주기적인 테스트 조건 동안이라도 테스트 대상물을 견고하게 유지한다.
더욱이, 전달 요소는 하나 이상의 레일이 상부에 각각 형성되어 있는 제1, 제2, 제3 및 제4 전달 요소를 포함하고, 전달 요소는 테스트 대상물에 대한 전달 요소의 3차원 이동을 위해 커플러를 통해 서로 결합된다. 제1 및 제2 전달 요소는 테스트 시스템을 기준으로 지지 프레임에 수직 방향으로 부착된다. 제3 전달 요소는 제1 및 제2 전달 요소들 사이에 수평 방향으로 결합되어, 제3 전달 요소는 X축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제1 및 제2 전달 요소의 레일 상에서 테스트 대상물에 대해 상방 및 하방으로 이동될 수 있다. 제4 전달 요소는 테스트 대상물의 표면에 수직으로 제3 전달 요소에 결합되어, 제4 전달 요소는 Y축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제3 전달 요소의 레일 상에서 테스트 대상물에 대해 가로 방향으로 이동될 수 있다. 프로브 조립체가 평행하게 배치되고 제4 전달 요소에 결합되어, 프로브 조립체는 Z축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제4 전달 요소의 레일과 함께 테스트 대상물에 대해 후방 및 전방으로 이동될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이 목적을 달성하는 본 발명은 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 대상물의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은, 테스트 대상물을 제로 하중 조건에서 고정구 조립체의 상부 및 하부 파지 요소들과 고정구 요소들 사이에 장착하는 단계; 테스트 대상물과 프로브 사이에 원하는 거리를 유지하면서 3D 스캐너 조립체의 X 및 Y 좌표를 기록하도록 테스트 대상물의 상부 좌측 코너 및 하부 우측 코너에 비파괴 감지 프로브를 위치 설정하는 단계; 3D 스캐너 조립체의 기록된 X 및 Y 좌표에 기초하여 테스트 대상물의 전체 스캔 영역을 결정하는 단계; 감지 프로브의 팁과 테스트 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 단계; XYZ 갠트리 시스템의 복수의 전달 요소를 통해 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브의 3차원 이동을 작동 및 제어함으로써 테스트 대상물의 결정된 스캔 영역을 스캐닝하는 단계; 프로브에 의해 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하여 제로 하중 조건에서 테스트 대상물의 결함을 결정하는 단계; 및 복수의 유압 유닛을 통해 테스트 시스템의 액추에이터 및 크로스헤드 조립체를 구동시킴으로써 테스트 대상물에 원하는 하중 및 변위를 가하고, 측정 및 스캐닝 단계들을 동기식으로 반복하여 상이한 하중 조건 및 상이한 간격으로 로딩 중에 그리고 이러한 로딩 후에 테스트 대상물에서의 결함 발생을 분석하는 단계를 포함한다. 이 방법은 기계적 테스트 프로세스를 중단하지 않고 테스트 시스템 상에 장착된 CFRP 복합재의 3D 스캐닝을 달성하고, 또한 막대한 양의 테스트 시간을 절감할 수 있다.
또한, 프로브에 의해 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하는 단계는, 고주파 교류 전류를 흐르게 하여 프로브에 일시적인 자기장을 생성하는 단계; 프로브와 테스트 대상물을 테스트 대상물의 표면 위에서 프로브의 이동에 대해 자기적으로 결합시켜 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 그 표면 내로 와전류를 침투시키는 단계; 프로브에 걸친 전압을 측정하여 프로브와 테스트 대상물 사이의 자기 유도 전자기력(EMF) 및 상호 유도를 검출하는 단계; 및 스캐닝하는 동안에, 프로브에 걸친 임의의 전압 변화의 여부를 결정하여 테스트 대상물의 결함을 검출하는 단계를 더 포함한다. 감지 프로브의 이동은 테스트 대상물의 결함 영역을 신속하게 검출하는 개략 스캔으로 그리고 테스트 대상물의 식별된 각각의 결함 영역에서 심층 결함을 검출하는 미세 스캔으로 테스트 대상물을 스캐닝하도록 제어된다. 테스트 대상물의 스캐닝 및 테스트는 결함 성장과 테스트 대상물의 물리적 거동 사이의 상관 관계를 확립하기 위해 동기화된다. 테스트 대상물은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymers or Plastics) 복합 재료 및 양방향 CFRP 라미네이트를 포함한다.
전술한 요약, 뿐만 아니라 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명은, 본 발명의 한가지 형태를 일례로서만 도시하는 첨부 도면과 함께 읽으면 더 양호하게 이해된다. 본 발명의 용례를 설명하기 위하여, 본 발명의 구성 및 실시 형태가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 시스템 및 방법으로 제한되지 않는다. 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 더 상세하게 논의될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따라 와전류 센서를 사용하여 CFRP 복합재를 오프라인 스캐닝하는 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 3D(3차원) 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는 통합 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 3D 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는, 도 2에 도시된 통합 시스템의 측면도 및 배면도를 각각 도시한다.
도 4a 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 3D 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는, 도 2에 도시된 통합 시스템의 등각 투영 정면도 및 배면도를 각각 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 감지 프로브 조립체의 XYZ 이동을 위한, 도 2에 도시된 3D 스캐닝 시스템의 상세도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템을 사용하여 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템에 사용되는 와전류 감지 프로브의 작동 원리를 나타내는 흐름도를 도시한다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 양방향 CFRP 라미네이트 및 도 8의 (a)에 도시된 양방향 CFRP 라미네이트 위에서 감지 프로브의 이동 중에 감지 프로브에 걸친 전압 변화의 시간 이력을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 테스트 시스템 상에 장착되어 있는 동안에 3D 스캐닝의 유효성 확인을 위해 취한 공지된 결함을 갖는 CFRP 복합재 샘플 및 통합 시스템 상에 장착된 3D 와전류 스캐너로부터 얻은 CFRP 복합재 샘플의 대응하는 2D 스캔 화상을 도시한다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, CFRP 복합재가 테스트 시스템을 사용하여 증분 정적 로딩 및 언로딩될 때에, CFRP 복합재 샘플의 표면 영역 위에서 취한 스캔 화상을 각각 도시한다.
도 11의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 사이클 수에 걸쳐서 일정한 진폭 피로 하중 하에서 CFRP 복합재 시편의 결함의 성장을 보여주는 스캔 화상을 각각 도시한다.
도 1은 종래 기술에 따라 와전류 센서를 사용하여 CFRP 복합재를 오프라인 스캐닝하는 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 3D(3차원) 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는 통합 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3a 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 3D 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는, 도 2에 도시된 통합 시스템의 측면도 및 배면도를 각각 도시한다.
도 4a 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 3D 스캐닝 시스템 및 테스트 시스템을 갖는, 도 2에 도시된 통합 시스템의 등각 투영 정면도 및 배면도를 각각 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 감지 프로브 조립체의 XYZ 이동을 위한, 도 2에 도시된 3D 스캐닝 시스템의 상세도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템을 사용하여 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템에 사용되는 와전류 감지 프로브의 작동 원리를 나타내는 흐름도를 도시한다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 양방향 CFRP 라미네이트 및 도 8의 (a)에 도시된 양방향 CFRP 라미네이트 위에서 감지 프로브의 이동 중에 감지 프로브에 걸친 전압 변화의 시간 이력을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 테스트 시스템 상에 장착되어 있는 동안에 3D 스캐닝의 유효성 확인을 위해 취한 공지된 결함을 갖는 CFRP 복합재 샘플 및 통합 시스템 상에 장착된 3D 와전류 스캐너로부터 얻은 CFRP 복합재 샘플의 대응하는 2D 스캔 화상을 도시한다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, CFRP 복합재가 테스트 시스템을 사용하여 증분 정적 로딩 및 언로딩될 때에, CFRP 복합재 샘플의 표면 영역 위에서 취한 스캔 화상을 각각 도시한다.
도 11의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 사이클 수에 걸쳐서 일정한 진폭 피로 하중 하에서 CFRP 복합재 시편의 결함의 성장을 보여주는 스캔 화상을 각각 도시한다.
이하, 참조 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 가리키도록 사용되는 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 다음의 설명에서, 설명을 위해, 다수의 특정 상세는 본 발명의 철저한 이해를 제공하도록 기재된다. 그러나, 본 발명은 그러한 특정 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 명백할 수 있다. 다른 예들에서, 널리 알려진 구조 및 장치들은 본 발명의 설명을 용이하게 하도록 블록도 형태로 도시된다. 정적 또는 주기적인 하중 조건 하에서 기계적인 거동에 대해 실험실에서 테스트되는 동안에 CFRP 복합 재료의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 통합 시스템 및 방법이 본 명세서에서 설명된다.
다음의 설명은 본 발명의 예시적인 실시예일 뿐이며, 본 발명의 제한된 범위, 적용 가능성 또는 구성이 아니다. 오히려, 다음의 설명은 본 발명의 다양한 실시예를 구현하기 위한 편리한 설명을 제공하기 위한 것이다. 명백해지지만, 본 명세서에 기재된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 이러한 실시예들에 설명된 구조적/작동적 특징들의 기능 및 배열에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다. 본 명세서의 설명은 상이한 형상, 구성요소 등을 갖는 대안적으로 구성된 디바이스들에 채택되도록 적용될 수 있으며, 여전히 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서의 상세한 설명은 예시의 목적으로 제시된 것이지 한정하기 위한 것이 아니다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료(150)의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 3D(3차원) 스캐닝 시스템(20) 및 테스트 시스템(10)을 갖는 통합 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 시스템은 와전류 센서(52)를 사용하여 테스트 대상물(CFRP 복합 재료)(150)을 스캐닝하기 위해 서보 제어식 테스트 시스템(10)과 통합된 3D 스캐너 시스템을 포함한다. 특히, 시스템은 CFRP 복합재(150) 상의 서비스 하중을 시뮬레이팅하기 위한 서보 제어식 테스트 시스템(10)과 CFRP 복합재(150)를 3D 스캐닝하기 위한 스캐닝 시스템(20)[와전류 센서(52) 및 갠트리 시스템(62)]을 통합한다. 이 시스템은 CFRP 복합 재료(150)를 장착 해제할 필요없이 기계적 특성에 영향을 주지 않으면서 기계적 테스트 전/도중/후에 CFRP 복합 재료(150)의 결함을 검출하는 것을 용이하게 한다. 본 명세서에서 CFRP 복합재(150)는 CFRP 복합 재료, 양방향 CFRP 라미네이트, CFRP 샘플, 테스트 대상물 및 시편으로 지칭될 수 있지만 이들로 제한되지 않고, 이들 모두는 CFRP 복합재에만 관련이 있다.
시스템은 테스트 시스템(10) 및 스캐닝 시스템(20)으로 주로 구성되고, 스캐닝 시스템(20)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 한 쌍의 지지 컬럼(30)을 통해 테스트 시스템(10)과 통합되어 고정되는데, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 3D 스캐닝 시스템(20) 및 테스트 시스템(10)을 갖는 도 2에 도시된 통합 시스템(100)의 측면도 및 배면도를 각각 도시한다. 먼저, 테스트 시스템(10)은 액추에이터(12) 및 크로스헤드 조립체(14)로 주로 구성되며, 테스트 시스템(10)은 테스트 대상물, 즉 CFRP 복합재(150)에 원하는 하중 및 변위를 가하기 위해 액츄에이터(12) 및 크로스헤드 조립체(14)를 구동하도록 특별히 설계되고 배열된 여러 개의 유압 유닛(도시 생략)을 수용한다. 테스트 시스템(10)은 또한 CFRP 복합체(150)에 하중을 가하는 서보 제어식 테스트 시스템(10)으로 지칭될 수 있다. 액추에이터(12)는 명시된 성능 사양에 따라 원하는 하중 및 변위를 가하는 데에 사용되는, 내부 장착형 선형 엔코더(도시 생략)를 갖는 유압 액추에이터이다. 유압 유닛은 파워 팩, 서보 밸브, 축압기, 냉각 유닛, 및 열교환기를 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다.
테스트 시스템(10)은 또한 CFRP 복합체(150)를 유지하기 위해 테스트 시스템(10)의 액츄에이터(12) 및 크로스헤드 조립체(14)와 연관된 고정구 조립체(40)를 수용한다. 크로스헤드 조립체(14)는 상이한 중량의 다수의 로드셀(load cell)(도시 생략)이 수용되고 CFRP 복합재(150)를 기계적 거동에 대해 테스트하는 동안 CFRP 복합재(150)에 원하는 적정 하중을 가하기 위해 유압 유닛에 의해 서보 제어된다. 테스트 시스템(10)의 상부에는 로드셀로 둘러싸인 이동 가능한 크로스헤드 조립체(14)가 제공되고, 이 크로스헤드 조립체는 다양한 LED 컬러를 통해 기계 상태(펌프 ON/OFF, 파형 BUSY/IDLE)를 관찰하는 것을 용이하게 한다. 테스트 시스템(10)의 하부에는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 액추에이터(12), 유압 펌프, 유압 유닛, 냉각 유닛, 및 조작자 콘솔(70)에 의해 작동되는 제어기를 둘러싸는 인클로저(80)가 제공되는데, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 3D 스캐닝 시스템(20)과 테스트 시스템(10)을 갖는, 도 2에 도시된 통합 시스템(100)의 등각 정면도 및 배면도를 각각 도시한다. 고정구 조립체(40)는 CFRP 복합체(150)를 파지 요소(44) 사이에 유지하기 위해 액추에이터(12)와 크로스헤드 조립체(14) 사이에 부착되는 한 쌍의 고정구 요소(42) 및 한 쌍의 파지 요소(44)를 갖는다. 고정구 요소(42) 및 파지 요소(44)는 테스트 시스템(10)에 의해 CFRP 복합재(150)에 원하는 하중을 가하면서 CFRP 복합재(150)를 견고하게 유지하기 위해 특별히 설계되고 제조된다. 고정구 요소(42) 및 파지 요소(44)는 CFRP 복합재(150)를 장착하기 위해 상부 및 하부 고정구 요소(42), 및 상부 및 하부 파지 요소(44)로 각각 분할된다.
스캐닝 시스템(20)은 프로브 조립체(50) 및 3D(3차원) 스캐너 조립체(60)로 주로 구성된다. 프로브 장치 또는 조립체(50)는 CFRP 복합재(150)의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하기 위한 비파괴 감지 프로브(52) 및 프로브 팁과 CFRP 복합재(150)의 표면 사이의 거리를 측정하기 위한 감지 유닛(54)을 포함한다. 감지 유닛(54)은 프로브(52)에 인접하여 배치되고 위치 설정된 레이저 센서이다. 비파괴 감지 프로브(52)는 와전류 감지 프로브(52)로서 작용하는데, 프로브(52)는 일반적으로 CFRP 복합재(150)의 표면과의 예상 밖의 직접적인 접촉 시에 손상을 피하기 위해 스프링을 이용하여 로딩되고, 즉 스프링 로딩식 프로브(52)이다. 프로브(52)는 CFRP 복합재(150)의 표면에 대해 프로브 팁을 위치 설정하는 방식으로 프로브 조립체(50)의 고정구에 고정되고, 즉 프로브 팁은 CFRP 복합재 표면과의 어떠한 접촉도 없이 CFRP 복합재(150)의 표면과 대향하고 표면에 근접하는데, 고정구는 프로브(52)를 유지하도록 설계된다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 감지 프로브 조립체(50)의 XYZ 이동을 위한, 도 2에 도시된 3D 스캐닝 시스템(20)의 상세도를 도시한다. 스캐닝 시스템(20)에서, 3D 스캐너 조립체(60)는 CFRP 복합재(150) 위에서 프로브(52)의 3축 이동을 형성하도록 서로 고정된 여러 개의 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)가 배치된 XYZ 갠트리 시스템(62)을 포함하는데, 3D 스캐너는 또한 XYZ 와전류 스캐너로서 작용하고 XYZ 와전류 스캐너로 지칭된다. 3D 스캐너 내에 수용된 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)는 X축, Y축 및 Z축을 따라 프로브 조립체(50)를 이동시키도록 프로브 조립체(50)와 연관되어, 프로브(52)는 CFRP 복합재(150)를 3D 스캐닝하고 CFRP 복합재(150)의 결함을 검출하도록 CFRP 복합재(150)의 전체 표면 영역에 걸쳐서 이동된다. 3D 스캐너 조립체(60)의 이 XYZ 갠트리 시스템(62)은 테스트 시스템(10) 내에 수용된 전기 구동 장치에 의해 구동되는데, 전기 구동 장치는 또한 프로브 조립체(50) 및 XYZ 갠트리 시스템(62)을 구동시키도록 유압 유닛과 함께 작동한다. 테스트 시스템(10)의 크로스헤드 조립체(14)와 스캐닝 시스템(20)의 XYZ 갠트리 시스템(62)은 테스트 시스템(10) 내에 수용된 지지 컬럼(30)의 도움으로 지지되는데, 이들 지지 컬럼(30)은 전력 공급원, 구동 장치, 센서, 제어기 등의 숨겨진 케이블 및 와이어를 수용하도록 중공형 컬럼으로 형성된다.
본 실시예에서, 전달 요소는 4개의 전달 요소, 즉 제1, 제2, 제3 및 제4 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)로 분할된다. 각각의 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)는 그 위에 하나 이상의 레일(66)이 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전달 요소(64a, 64b)는 390 mm의 이동 가능한 길이를 갖는 X방향으로 CFRP 복합재(150) 위에서 프로브(52)를 이동시키도록 배치된다. 유사하게, 제3 전달 요소(64c)는 390 mm의 이동 가능한 길이를 갖는 Y방향으로 CFRP 복합재(150) 위에서 프로브(52)를 이동시키도록 배치된다. 또한, 제4 전달 요소(64d)는 100 mm의 이동 가능한 길이를 갖는 Z방향으로 CFRP 복합재(150) 위에서 프로브(52)를 이동시키도록 배치된다.
특히, 제1 및 제2 전달 요소(64a, 64b)는 테스트 시스템(10)을 기준으로 지지 컬럼(30)에 수직 방향으로 부착되고, 특히 테스트 시스템(10)의 지지 컬럼(30)과 일렬로 있다. 제3 전달 요소(64c)는 제1 및 제2 전달 요소(64a, 64b) 사이에 수평 방향으로 결합되어, 제3 전달 요소(64c)는 제1 및 제2 전달 요소(64a, 64b)의 레일(66) 상에서 상방 및 하방으로 이동될 수 있는데, 이로 인해 프로브 조립체(50)가 CFRP 복합재(150)에 대해 X축을 따라 이동하게 된다.
제4 전달 요소(64d)는 CFRP 복합재(150)의 표면에 대해 수직으로 제3 전달 요소(64c)에 결합되어, 제4 전달 요소(64d)는 제3 전달 요소(64c)의 레일(66) 상에서 가로 방향으로, 즉 길이 방향으로 움직이는 좌우 방향으로 이동될 수 있는데, 이로 인해 프로브 조립체(50)가 CFRP 복합재(150)에 대해 Y축을 따라 이동하게 된다. 프로브 조립체(50)는 평행 방식으로 제4 전달 요소(64d)의 상단에 배치되고 커플러(90)를 통해 제4 전달 요소(64d)에 결합되어, 프로브 조립체(50)는 제4 전달 요소(64d)의 레일(66)과 함께 이동될 수 있는데, 이로 인해 프로브 조립체(50)가 CFRP 복합재(150)에 대해 Z축을 따라 이동하게 된다.
또한, 조작자 콘솔(70)은 테스트 시스템(10) 상에 장착되는 홀더 조립체(72)과 고정되는데, 스마트 탭 또는 스마트 폰(윈도우/안드로이드)이 플러그 앤 플레이 테스트 시스템(10; plug-n-play test system) 상에 장착된 탭 홀더 조립체(72)와 고정되는 조작자 콘솔(70)로서 구성되고 사용된다. 조작자 콘솔(70)은 일반적으로 CFRP 복합재(150)를 장착할 때에 테스트 시스템(10) 및 스캐닝 시스템(20)의 신속한 작동을 용이하게 하는 안드로이드 태블릿의 형태로 제공된다. 조작자 콘솔(70)은, (i)유압 구동 장치를 작동시켜 액추에이터(12)와 크로스헤드 조립체(14)의 이동을 제어하도록; (ii)고정구 요소(42) 및 파지 요소(44)를 제어하여 테스트 중에(즉, 정직 및 주기적인 테스트 조건 중에) CFRP 복합재(150)를 유지하도록; (iii)전기 구동 장치를 작동시켜 프로브 조립체(50)에서 상기 와전류 프로브(52)의 XYZ 이동을 제어하도록; 그리고 (iv)CFRP 복합재(150)를 장착하는 테스트 시퀀스를 수행하고, CFRP 복합재(150)에 하중을 가하며, 온라인 테스트 상태를 표시하고, 테스트 시스템(10)의 컨디션 및 안전 조치를 진단하며, 테스트 보고서 및 통지서를 생성하도록 구성되고 사용된다. 또한, 컴퓨터(윈도우 PC 또는 랩톱)는 테스트 로딩 시퀀스, 데이터 취득, 측정 및 결과의 온라인 그래픽 디스플레이, 및 보고서 생성을 실행하도록 통합 시스템(100)의 프론트 엔드 구성(front end configuration)을 용이하게 한다.
특히, 조작자 콘솔(70)은 테스트 시스템(10) 내에 수용된 다채널 제어 및 데이터 취득 시스템을 통해 테스트 시스템(10) 및 스캐닝 시스템(20)에 작동식으로 연결되어, 액츄에이터(12)와 크로스헤드 조립체(14)의 이동을 유압 유닛을 통해 제어하고 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체(50)의 3차원 이동을 XYZ 갠트리 시스템(62)을 통해 동기식으로 제어한다. 조작자 콘솔(70)은 유압 유닛 및 전기 구동 장치를 작동시켜 액츄에이터(12), 크로스헤드 조립체(14), 프로브 조립체(50)의 프로브(52) 및 감지 유닛(54), 및 XYZ 갠트리 시스템(62)의 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)를 구동시키도록 구성된다. 이 통합 시스템(100)의 테스트 시스템(10) 및 스캐닝 시스템(20) 모두가 조작자 콘솔(70)을 통해 단일 제어기에 의해 구동되고, 이는 로딩 및 스캐닝 시스템의 동기 제어 및 측정을 용이하게 한다는 것을 유념해야 한다. 그러한 시스템은 테스트 시스템(10) 및 스캐닝 시스템(20)을 통합하고, 이는 기계적 특성에 영향을 미치지 않고 CFRP 복합재(150)를 스캐닝 프로세스를 위해 테스트 시스템(10)으로부터 장착 해제할 어떠한 필요도 없이 테스트 시스템(10)을 사용하는 기계적 테스트 전에 또는 도중에 또는 후에 CFRP 복합재 샘플(150)의 결함을 검출하도록 CFRP 복합재(150)에 대한 기계적 테스트 및 3D 스캐닝을 동시적 및 동기적 방식으로 용이하게 한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템(100)을 사용하여 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합 재료(150)의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하는 방법의 흐름도(600)를 도시한다. XYZ 스캐닝 시스템(20) 및 테스트 시스템(10)이 통합된 시스템이 그 작동을 위해 설정되면, 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 CFRP 복합재(150)의 결함의 인시츄 스캐닝 및 검출을 수행하는 방법에서 다양한 단계가 실행된다. 초기에, 단계(602)에서 도시된 바와 같이, CFRP 복합재(150)는 제로 하중 조건에서 고정구 조립체(40)의 상부 및 하부 파지 요소(44) 및 고정구 요소(42) 사이에 장착된다. CFRP 복합재(150)를 장착하고 CFRP 복합재(150)를 테스트 시스템(10) 상에 설치하도록 적절한 상부 및 하부 파지부 및 고정구가 선택된다. CFRP 복합재(150)는 유압 또는 수동 파지부를 사용하여 테스트 시스템(10) 상에 장착되어 CFRP 복합재(150)에 제로 하중이 가해지는 것을 보장한다.
이어서, 단계(604)에 도시된 바와 같이, CFRP 복합재(150)와 비파괴 감지 프로브(52) 사이에 원하는 거리를 유지하면서, 비파괴 감지 프로브(52)는 주로 CFRP 복합재(150)의 상부 좌측 코너로 이동되고 위치 설정되어 3D 스캐너 조립체의 X 및 Y 좌표의 위치를 기록하며, 유사하게, 비파괴 감지 프로브(52)는 다시 CFRP 복합재(150)의 하부 우측 코너로 이동되고 위치 설정되어 3D 스캐너 조립체의 X 및 Y 좌표의 위치를 기록한다. 따라서, CFRP 복합재(150)의 상부 좌측 및 하부 우측 코너에 대응하는 X 및 Y 좌표는 스캐닝될 CFRP 복합재(150)의 총 면적을 정의한다.
그 후, 단계(606)에 도시된 바와 같이, CFRP 복합재(150)의 전체 스캔 영역은 3D 스캐너 조립체의 기록된 X 및 Y 좌표에 기초하여 결정된다. 이어서, 단계(608)에 도시된 바와 같이, 감지 프로브(52)의 팁과 CFRP 복합재(150)의 표면 사이의 거리가 측정되고 유지되어 특정 거리에서 3D 스캐닝을 수행한다. 또한, 3D 스캐닝은 CFRP 복합재(150)의 결함을 검출하도록 다양한 분석을 위해 프로브 시간과 CFRP 복합재 표면 사이의 거리차를 측정하고 유지함으로써 수행된다.
또한, 단계(610)에 도시된 바와 같이, 결정된 CFRP 복합재(150)의 스캔 영역은 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브(52)의 3차원 이동을 스캐닝 시스템(20)의 XYZ 갠트리 시스템(62)의 전달 요소(64a, 64b, 64c, 64d)를 통해 작동시키고 제어함으로써 스캐닝된다. 감지 프로브(52)의 3차원 이동(X, Y 및 Z 이동)은 CFRP 복합재(150)의 전체 스캔 영역을 개략 스캔 방식(coarse scan manner) 및/또는 미세 스캔 방식(fine scan manner)으로 스캔하고 커버하도록 작동되고 제어된다. 개략 스캔은 CFRP 복합재(150)의 결함 영역을 신속하게 빨리 검출하고 발견하도록 수행되는 반면, 미세 스캔은 CFRP 복합재(150)의 식별된 각각의 결함 영역에서 심층 결함을 검출하도록, 즉 개략 스캔에서 식별된 결함 영역에 국한하여 결함의 선명하고 완벽한 묘화를 얻도록 수행된다.
그 다음, 단계(612)에 도시된 바와 같이, 제로 하중 조건에서 CFRP 복합재(150)의 결함을 결정하도록 측정되는 와전류가 CFRP 복합재(150)의 표면 상의 프로브(52)에 의해 생성된다. 이제, 프로브(52)는, 테스트 시스템(10)에 의해 기계적 특성에 대해 CFRP 복합재(150) 상에 임의의 테스트를 수행하기 전에, 아래에 설명되고 도 7a 내지 도 7f에 도시된 와전류의 작동 원리를 사용하여 상태 및 결함을 관찰하기 위해 CFRP 복합재(150)의 전체 스캔 영역에 걸쳐 이동된다.
마지막으로, 단계(614)에 도시된 바와 같이, 유압 유닛을 통해 테스트 시스템(10)의 액추에이터(12) 및 크로스헤드 조립체(14)를 구동시킴으로써 CFRP 복합재(150)에 원하는 하중과 변위가 가해진다. 이어서, 단계(608, 610 및 612)는, 단계(616)에 도시된 바와 같이, CFRP 복합재(150)를 상이한 하중 조건 및 상이한 간격으로 로딩하는 동안에 그리고 CFRP 복합재(150)를 상이한 하중 조건 및 상이한 간격으로 로딩한 후에 CFRP 복합재(150)의 결함 발생을 분석하도록 동기식으로 반복된다. CFRP 복합재(150)의 스캐닝 및 테스트는 CFRP 복합재(150)의 물리적 거동과 결함 성장 사이의 상관 관계를 확립하기 위해 동기화된다.
이제, CFRP 복합재(150)의 기계적 거동(영의 계수, 피로 강도, 인성 등)을 발견하기 위한 테스트 시퀀스(서비스 하중의 하중 패턴의 시뮬레이션)가 탭 홀더 조립체(72) 상에 장착된 조작 콘솔(70)을 사용하여 CFRP 스캐닝의 간격과 함께 정의된다. 정의된 간격에서의 와전류 스캐닝과 함께 테스트 시퀀스가 실행되고 CFRP 복합재(150)의 결함을 검출하도록 기계적 거동에 대해 측정된다. 실행 시간 동안 평가된 CFRP 복합재(150)의 기계적 특성 및 결함 상태가 또한 제공된다. 기계적 테스트의 종료 시점에서, 다시 한번 CFRP 복합재(150)가 스캐닝 시스템(20)에 의해 스캐닝되어 CFRP 복합재(150)의 결함을 검출한다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 통합 시스템(100)에 사용되는 와전류 감지 프로브(52)의 작동 원리를 나타내는 흐름도(700)를 도시한다. 와전류 프로브(52)의 작동은 CFRP 복합재(150)의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하기 위한 다양한 하위 단계를 수행한다. 초기에, 구리 와이어(701)가 감지 프로브(52)의 원통형 페라이트 코어 위에 권취되고, 그 결과 감지 프로브(52)가 유도 코일로서 작용하게 된다. 이어서, 고주파 교류 전류가 프로브(52)로 흐르게 되는데, 고주파 교류 전류는 프로브(52)에서 큰 자속을 생성하기에 충분하게 증폭된다. 고주파 교류 전류가 프로브(52)를 통해 흐를 때에, 프로브(52)는 프로브(52) 주변에 일시적인 자기장을 생성한다.
자기장 소스가 있는 프로브(52)가 CFRP 복합재(150)(전도성 시편임)에 보다 가까워지면, 나선형 전류, 즉 와전류가 생성되어 CFRP 복합재(150)에 유도된다. 프로브(52)는 CFRP 복합재(150)의 표면 위에서 프로브(52)의 이동에 대해 CFRP 복합재(150)와 자기적으로 결합되어 CFRP 복합재(150)의 표면 상에 와전류를 생성하고 그 표면 내로 와전류를 침투시킨다. 특히, 자신의 자기장, 즉 1차 자기장의 영향 하에 CFRP 복합재(150)(전기 전도성 시편) 위에서 프로브(52)의 이동은, 프로브(52)와 스캔 대상 CFRP 복합재(150)를 자기적으로 결합시키고, 그 결과 CFRP 시편의 표면 상에 와전류가 생성되고 침투하게 된다. 이렇게 생성된 와전류는 CFRP 복합재(150)의 표면 아래의 몇개의 층을 침투할 수 있는데, 와전류의 침투 깊이는 프로브(52)를 통과하는 교류 전류의 주파수에 반비례한다. CFRP 복합재(150)에서 유도된 전자기력(EMF)은 패러데이 법칙에 따른 자속 변화율에 비례한다.
또한, CFRP 복합재(150)에서 생성된 와전류는 또한 자체 자기장, 즉 2차 자기장을 생성하는데, 이 자기장은 프로브(52)에서 와전류의 발생 원인인 1차 자기장에 대항한다. 와전류의 방향은 렌즈의 법칙(Lenz's law)에 기초함으로써, CFRP 복합재(150)에서 와전류에 의해 생성된 2차 자기장은 프로브(52)의 1차 자기장에 대항한다. 이어서, 프로브(52)와 CFRP 복합재(150) 사이의 자기 유도 전자기력(EMF) 및 상호 유도를 검출하도록 프로브(52)에 걸친 전압이 측정된다. CFRP 복합재(150)의 표면에 걸쳐 프로브(52)를 이동시켜 CFRP 복합재(150)를 스캐닝하는 동안, 프로브(52)를 가로질러 측정된 전압의 임의의 변화가 CFRP 복합재(150)의 결함을 검출하도록 결정된다.
CFRP 복합 시편(150) 위에서 프로브(52)의 이동 중에, 결함과 마주칠 때마다 와전류의 경로가 단절되어 2차 자기장의 강도가 감소된다. 이러한 현상은 또한 프로브(52)와 CFRP 복합 시편(150) 사이의 결합으로 인해 프로브(52)를 가로질러 전압의 변화를 초래한다. 이러한 전압 변화를 취하여 CFRP 복합 시편(150)의 손상된 표면 영역과 손상되지 않은 표면 영역을 구별한다. 따라서, 이러한 통합된 테스트 및 스캐닝 시스템(20)의 동작의 정의된 작동 원리는 CFRP 복합재(150)에 가해진 기계적 테스트 전에/도중에/후에 CFRP 복합재(150)의 상태를 검출할 수 있게 한다. 또한, CFRP 샘플의 결함을 기계적 특성과 연관시키는 데에 일조하고, 최종적으로 설계, 생산 또는 적용 단계 동안 추가의 적절한 조치를 취하는 데에 일조한다.
이러한 통합된 테스트 및 스캐닝 시스템을 사용함으로써, CFRP 복합재 샘플(150) 상에서 수행된 그러한 테스트 및 스캐닝으로부터 얻어진 결과들 중 몇 개의 결과가 도 8의 (a) 및 (b)에 도시되어 있다. 도 8의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 양방향 CFRP 라미네이트(150)를 도시한다. 본 발명은 CFRP 복합재 샘플(150)에 와전류 테스트를 수행함으로써 입증된다. 여기서, 중앙에 17 주울(joule)의 충격 손상을 갖는 15 × 10 × 2 cm 크기의 양방향 CFRP 라미네이트(150)(도 7a에 도시됨)가 본 발명의 통합 시스템(100)을 사용하는 와전류 테스트를 위해 취해진다. 이어서, 프로브(52)가 양방향 CFRP 라미네이트(150)의 표면에 걸쳐서 이동되는 동안에 프로브(52)(10회 권선의 구리 와이어 및 5 MHz의 교류 전류를 가짐)를 가로질러 전압이 측정된다. 곡선의 피크 근처의 전압 변화는 도 8b에 도시된 바와 같이 CFRP 라미네이트(150)의 결함에 대응하여 약 130 mv인 것으로 나타는데, 도 8b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 8a에 도시된 양방향 CFRP 라미네이트(150) 위에서 프로브의 이동 중에 감지 프로브(52)를 가로지르는 전압 변화의 시간 이력을 나타내는 그래프(800)를 도시한다.
도 9의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 테스트 시스템(10) 상에 장착되는 동안 3D 스캐닝의 유효성 확인을 위해 취해지는 공지된 결함을 갖는 CFRP 복합재 샘플(150)을 도시한다. 반면에, 도 9의 (b)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 통합 시스템(100) 상에 장착된 3D 와전류 스캐너로부터 얻은 CFRP 복합재 샘플(150)의 대응하는 2D 스캔 화상(900)을 도시한다. 도 9의 (a) 및 (b)의 묘화로부터, 백색 패치가 본 발명의 통합 시스템(100)의 도움으로 정확하게 분석되는 CFRP 복합재 샘플(150)에 존재하는 공지된 손상에 대응한다는 것이 명백하다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, CFRP 복합재(150)가 테스트 시스템(10)을 사용하여 증분 정적 로딩 및 언로딩될 때에, CFRP 복합재 샘플(150)의 표면 영역 위에서 취한 스캔 화상(1000)을 각각 도시한다. 도 10의 (a) 내지 (e)로부터, CFRP 복합재(150)가 정적 조건 하에 로딩 및 언로딩될 때에, CFRP 복합재(150)의 결함 크기는 각각 증가 및 감소된다는 점이 관찰된다. 도 10의 (a)는 CFRP 복합재(150)가 1.0 kN으로 로딩된 다음 0.1 kN으로 언로딩된다는 것을 보여준다. 유사하게, 도 10의 (b), (d) 및 (e)는 CFRP 복합재(150)가 2.0 kN, 2.5 kN 및 3.0 kN으로 로딩된 다음 매번 0.1 kN으로 언로딩된다는 것을 보여준다. 정적 하중이 증가하는 이들 도면으로부터, 결함의 크기가 또한 성장하고 CFRP 복합재(150)의 언로딩 시에 원래의 크기로 돌아온다는 것이 명백하다. 도 10의 (c)는 2.0 kN의 일정한 진폭에서 500 사이클의 피로 하중을 가한 후에 결함 크기의 성장을 보여준다. 여기서, 언로딩 후에, CFRP 복합재 시편(150)은 원래의 크기로 돌아온다.
도 11의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 사이클 수에 걸쳐서 일정한 진폭 피로 하중 하에서 CFRP 복합재 시편(150)의 결함의 성장을 보여주는 스캔 화상(1100)을 각각 도시한다. 아래의 표 1은 도 11의 (a) 내지 (e)에 대응하는 하중 조건과 이들 테스트 조건에 대응하여 측정된 결함 크기를 제공한다. 여기서, 결함 크기는 하중 진폭 및 하중 사이클수의 증가와 관련하여 증가된다는 것이 명백하다. 도 11의 (e)는 결함의 크기가 더 이상 증가될 수 없다는 것을 나타낸다.
| 도면 | 진폭 | 사이클 | 면적(mm2) |
| 도 11의 (a) | 5.0 KN | 5000 | 202 |
| 도 11의 (b) | 6.0 KN | 10000 | 206 |
| 도 11의 (c) | 8.0 KN | 35000 | 220 |
| 도 11의 (d) | 10.0 KN | 50000 | 236 |
| 도 11의 (e) | 13.0 KN | 1108206 | 233 |
일정한 진폭 하중 사이클에 대한 결함 크기
통합 시스템(100)의 본 발명은 정적 및 주기적인 하중 하에 테스트를 받는 CFRP 복합재(150)를 스캐닝하기 위한 3D 스캐너를 제공하는 것을 용이하게 하며, 이는 테스트 시스템(10) 및 3D 스캐너를 위해 통합된 제어 및 어플리케이션(통합 제어 시스템)을 갖춘 서보 제어식 테스트 시스템(1)과 3D 스캐너의 통합을 제공하여, (i) 정적 및/또는 주기적인 하중 하에서 기계적 테스트, 뿐만 아니라 (ii)CFRP 복합재(150)의 결함의 3D 스캐닝을 모두 수행한다. 특히, CFRP 복합재(150)가 테스트 시스템(10) 상에 장착되면, 기계적 특성에 대한 테스트와 결함에 대한 스캐닝이 이 통합 시스템(100) 자체에서 수행될 수 있어, 기계적 특성에 대한 테스트 후에 스캐닝을 위해 CFRP 복합재(150)를 제거할 필요성을 피할 수 있다.
그러한 본 발명의 시스템은 CFRP 복합재 상의 서비스 하중을 시뮬레이션하기 위한 서보 제어식 테스트 시스템과 CFRP 복합재의 3D 스캐닝을 위한 스캐닝 시스템(와전류 센서 및 갠트리 시스템)의 통합을 달성한다. 그러한 시스템은 CFRP 복합재의 결함의 분석 정확도를 간단하고 경제적인 방식으로 증가시켜 테스트 및 스캐닝 과정에서 막대한 양의 시간을 절감한다. 기계적 테스트 프로세스를 중단하지 않고 테스트 시스템 상에 장착된 CFRP 복합재의 3D 스캐닝을 달성할 수 있다. 또한, 그러한 시스템은 프로브(52)와 CFRP 복합재의 표면 사이에 특정한 일정 간격을 유지하도록 비접촉 위치 피드백 서보 제어를 제공하고, 스캐닝 중에 둘 다 스위핑할 수 있도록 프로그램 가능한 신호 주파수 및 강도를 위한 설비를 제공한다. 그러한 시스템은 제어된 스트레인 또는 하중 조건 하에 있을 때에 CFRP 복합재 시편에 결함이 있는지 스캐닝하고 디지털 화상 상관 관계(DIC; digital image correlation)를 통해 국부 하중 또는 스트레인 측정을 분석하도록 카메라를 통합한다. 또한, 기계적 테스트(CFRP 복합재에 원하는 하중 또는 스트레인을 가하는)와 CFRP 복합재의 결함에 대한 3D 스캐닝의 동기화는 결함의 성장과 CFRP 복합재 시편의 기계적 거동 사이에 상관 관계를 확립한다. 스캐너를 사용하여 식별된 결함들의 개수 또는 범위에 기초하여 테스트 종료 조건을 지정할 수 있다. 비록, 본 발명에서의 스캐닝 시스템은 자동 서보 제어식 로딩 프레임과 통합하여 입증되지만, 사실상, 스캐닝 시스템은 또한 수동 또는 기계적 로딩 프레임 상에 통합될 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 특정 실시예이다. 이 실시예는 예시만을 위해 설명된 것임을 이해해야 한다. 본 발명이 본 명세서에서 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 많은 변형, 수정 및 변경이 존재한다는 것은 당업자에게 자명하다. 그러한 모든 수정 및 변형은 청구되는 본 발명 또는 그 균등물의 사상 및 범위 내에 있는 한 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 넓은 범위 내에 속하는 모든 변경, 수정 및 변형은 본 발명의 모든 범위 하에 있다.
Claims (21)
- 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 대상물의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 시스템으로서,
테스트 대상물에 원하는 하중 및 변위를 가하기 위해 복수의 유압 유닛에 의해 구동되는 액추에이터 및 크로스헤드 조립체를 갖는 테스트 시스템;
테스트 대상물을 유지하도록 액추에이터와 크로스헤드 조립체 사이에 부착되는 복수의 고정구 요소 및 복수의 파지 요소를 갖는 고정구 조립체;
한 쌍의 지지 컬럼을 통해 상기 테스트 시스템과 통합된 스캐닝 시스템으로서, 상기 스캐닝 시스템은,
테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하는 적어도 하나의 비파괴 감지 프로브 및 프로브 팁과 테스트 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 적어도 하나의 감지 유닛을 갖는 프로브 조립체; 및
프로브가 테스트 대상물의 3D 스캐닝을 위해 테스트 대상물의 전체 표면 영역에 걸쳐서 이동되도록 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 프로브 조립체와 연관된 복수의 전달 요소를 갖게 배치된 XYZ 갠트리 시스템을 구비하는 3D 스캐너 조립체
를 포함하는 것인 스캐닝 시스템;
테스트 시스템 상에 장착된 홀더 조립체와 고정되는 조작자 콘솔로서, 상기 조작자 콘솔은 액츄에이터와 크로스헤드 조립체의 이동을 유압 유닛을 통해 제어하고 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브 조립체의 3차원 이동을 XYZ 갠트리 시스템을 통해 동기식으로 제어하도록 테스트 시스템 및 스캐닝 시스템에 작동식으로 연결되는 것인 조작자 콘솔
을 포함하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 비파괴 감지 프로브는 프로브 팁을 테스트 대상물의 표면에 대해 위치 설정하도록 스프링으로 로딩되고 프로브 조립체의 고정구에 고정되는 와전류 감지 프로브를 포함하는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 감지 유닛은 프로브에 인접하여 배치되는 레이저 센서를 포함하는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전달 요소는 테스트 시스템의 지지 컬럼에 고정된 지지 프레임에 부착되는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전달 요소들 각각은 조작자 콘솔에 의해 제어되는 모터 및 전기 구동 장치에 의해 상호 의존적으로 작동되어 회전 대 선형 이동 전달을 제공하는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조작자 콘솔은 테스트 시스템 내에 수용된 다채널 제어 및 데이터 취득 시스템을 통해 테스트 시스템 및 스캐닝 시스템에 작동식으로 연결되어, 유압 유닛과 전기 구동 장치를 작동시킴으로써 액추에이터, 크로스헤드 조립체, 프로브 조립체의 프로브 및 감지 유닛, 및 XYZ 갠트리 시스템의 전달 요소를 구동시키는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조작자 콘솔은 하중을 가하고 테스트 대상물을 스캐닝하는 테스트 시퀀스를 수행하고, 온라인 테스트 상태를 표시하며, 테스트 시스템의 컨디션 및 안전 조치를 진단하며, 테스트 보고서 및 통지서를 생성하도록 구성되는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 조작자 콘솔은 고정구 조립체의 파지 요소를 제어하여 정적 및 주기적인 테스트 조건 동안에도 테스트 대상물을 견고하게 유지하는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
고정구 요소 및 파지 요소 각각은 테스트 대상물을 장착하도록 상부 고정구 요소 및 하부 고정구 요소와, 상부 파지 요소 및 하부 파지 요소로 구성되는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전달 요소는 하나 이상의 레일이 상부에 각각 형성되어 있는 제1, 제2, 제3 및 제4 전달 요소를 포함하고, 전달 요소는 테스트 대상물에 대한 전달 요소의 3차원 이동을 위해 커플러를 통해 서로 결합되는 것인 시스템. - 제1항 및 제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전달 요소는 테스트 시스템을 기준으로 지지 프레임에 수직 방향으로 부착되는 것인 시스템. - 제1항 및 제10항에 있어서,
상기 제3 전달 요소는 제1 및 제2 전달 요소들 사이에 수평 방향으로 결합되어, 제3 전달 요소는 X축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제1 및 제2 전달 요소의 레일 상에서 테스트 대상물에 대해 상방 및 하방으로 이동될 수 있는 것인 시스템. - 제1항 및 제10항에 있어서,
상기 제4 전달 요소는 테스트 대상물의 표면에 수직으로 제3 전달 요소에 결합되어, 제4 전달 요소는 Y축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제3 전달 요소의 레일 상에서 테스트 대상물에 대해 가로 방향으로 이동될 수 있는 것인 시스템. - 제1항 및 제10항에 있어서,
상기 프로브 조립체가 평행하게 배치되고 제4 전달 요소에 결합되어, 프로브 조립체는 Z축을 따른 프로브 조립체의 이동을 위해 제4 전달 요소의 레일과 함께 테스트 대상물에 대해 후방 및 전방으로 이동될 수 있는 것인 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 크로스헤드 조립체는 로드셀(load cell)을 수용하고 유압 유닛에 의해 서보 제어되어 원하는 하중을 테스트 대상물에 가하는 것인 시스템. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 테스트 대상물은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymers or Plastics) 복합 재료 및 양방향 CFRP 라미네이트를 포함하는 것인 시스템. - 정적 및 주기적인 테스트 조건 하에 로딩되어 있는 대상물의 결함을 인시츄 3축 스캐닝 및 검출하기 위한 방법으로서,
(a) 테스트 대상물을 제로 하중 조건에서 고정구 조립체의 상부 및 하부 파지 요소들과 고정구 요소들 사이에 장착하는 단계;
(b) 테스트 대상물과 프로브 사이에 원하는 거리를 유지하면서, 3D 스캐너 조립체의 X 및 Y 좌표를 기록하도록 테스트 대상물의 상부 좌측 코너 및 하부 우측 코너에 비파괴 감지 프로브를 위치 설정하는 단계;
(c) 3D 스캐너 조립체의 기록된 X 및 Y 좌표에 기초하여 테스트 대상물의 전체 스캔 영역을 결정하는 단계;
(d) 감지 프로브의 팁과 테스트 대상물의 표면 사이의 거리를 측정하는 단계;
(e) XYZ 갠트리 시스템의 복수의 전달 요소를 통해 X축, Y축 및 Z축을 따른 프로브의 3차원 이동을 작동 및 제어함으로써 테스트 대상물의 결정된 스캔 영역을 스캐닝하는 단계;
(f) 프로브에 의해 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하여 제로 하중 조건에서 테스트 대상물의 결함을 결정하는 단계; 및
(g) 복수의 유압 유닛을 통해 테스트 시스템의 액추에이터 및 크로스헤드 조립체를 구동시킴으로써 테스트 대상물에 원하는 하중 및 변위를 가하고, 단계 (d), (e) 및 (f)를 동기식으로 반복하여 상이한 하중 조건 및 상이한 간격으로 로딩 중에 그리고 이러한 로딩 후에 테스트 대상물에서의 결함 발생을 분석하는 단계
를 포함하는 방법. - 제17항에 있어서,
프로브에 의해 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 측정하는 단계는,
(a) 고주파 교류 전류를 흐르게 하여 프로브에 일시적인 자기장을 생성하는 단계;
(b) 프로브와 테스트 대상물을 테스트 대상물의 표면 위에서 프로브의 이동에 대해 자기적으로 결합시켜, 테스트 대상물의 표면 상에 와전류를 생성하고 그 표면 내로 와전류를 침투시키는 단계;
(c) 프로브에 걸친 전압을 측정하여 프로브와 테스트 대상물 사이의 자기 유도 전자기력(EMF) 및 상호 유도를 검출하는 단계; 및
(d) 스캐닝하는 동안에, 프로브에 걸친 임의의 전압 변화의 여부를 결정하여 테스트 대상물의 결함을 검출하는 단계
를 더 포함하는 것인 방법. - 제17항에 있어서,
감지 프로브의 이동은 테스트 대상물의 결함 영역을 신속하게 검출하는 개략 스캔으로 그리고 테스트 대상물의 식별된 각각의 결함 영역에서 심층 결함을 검출하는 미세 스캔으로 테스트 대상물을 스캐닝하도록 제어되는 것인 방법. - 제17항에 있어서,
테스트 대상물의 스캐닝 및 테스트는 결함 성장과 테스트 대상물의 물리적 거동 사이의 상관 관계를 형성하기 위해 동기화되는 것인 방법. - 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 테스트 대상물은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymers or Plastics) 복합 재료 및 양방향 CFRP 라미네이트를 포함하는 것인 방법.
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