KR102140879B1 - 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법 - Google Patents

복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법에 관한 것으로, 제품 형상에 대한 정보를 스캔 시 발견되는 수리부위에 대해 이동하여 가공하고 표면처리하는 스카핑 장치에 있어서, 3개의 이송축(X축, Y축, Z축)으로 이동하도록 형성되며, 2개의 회전축(A축, C축)으로 회전하도록 구성되고, 초음파 스핀들이 적용된 5축 가공기 및 면방전 플라즈마(SDBD) 방식으로서 저온으로 표면처리하는 플라즈마 표면처리 장치를 포함할 수 있다.

Description

복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법{Automatic scarping device for repairing composite materials and method of repairing composite parts using the same}
본 발명은 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 5축으로 구성되는 가공기를 이용하여 정밀하게 가공할 수 있으며, 플라즈마 표면처리를 통해 가공된 복합재 표면의 박리를 방지하여 수리 효율을 높일 수 있는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법에 관한 것이다.
항공기 등과 같은 복합재로 이루어진 복합재 구조물 또는 부품 수리 방법은 손상된 복합재 구조물 손상 부위를 테이퍼 또는 계단 형상으로 제거한 다음 모재와 같은 동일한 소재의 패치를 손상 부위에 접착하는 공정법이 이용되고 있다. 이런 과정은 다년간의 경험을 가진 전문가의 수작업으로 진행 되어왔으며, 매우 정밀한 공정 특성으로 인하여 손상 부위 가공에 오랜 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 작업자의 숙련도에 따라 구조적 성능에 차이가 발생하기도 한다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 해외 선진 업체들 중심으로 복합재 자동 스카핑 장치에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 개발되고 있는 추세이다.
또한, 종래에는 복합재 수리를 위하여 가공된 복합재 표면이 불순물과 유기물(C, O, H)로 인하여 표면이 소수성(Hydrophobic)으로 되어 접착력 저하로 인한 박리가 진행되었다. 이는 표면장력에 의해 표면의 반발력이 발생하여 접착력이 떨어지는 문제로서, 이를 해결할 방법도 모색이 필요하다.
한국등록특허 제10-1905764호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 제안되는 것으로, 자동으로 작동 가능하며 5축으로 구성되는 5축 가공기로 복합재 수리부위를 정밀하게 가공하며, 대기압 저온 플라즈마 표면처리를 통해 가공된 복합재 표면의 박리를 용이하게 방지하여 수리 효율을 높일 수 있는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치는, 제품 형상에 대한 정보를 스캔 시 발견되는 수리부위에 대해 이동하여 가공하고 표면처리하는 스카핑 장치에 있어서, 3개의 이송축(X축, Y축, Z축)으로 이동하도록 형성되며, 2개의 회전축(A축, C축)으로 회전하도록 구성되고, 초음파 스핀들이 적용된 5축 가공기 및 면방전 플라즈마(SDBD) 방식으로서 저온으로 표면처리하는 플라즈마 표면처리 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 5축 가공기는 X, Y축이 서보모터 및 LM가이드가 적용되며, Z축은 서보모터, 스크류 잭 및 볼나사가 적용되고, A축과 C축은 회전 DD 모터가 적용될 수 있다.
또한, 상기 5축 가공기는 각 축이 하기 수학식 7과 같이 도출된 역기구학 방정식에 의해 구동될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018132049888-pat00001
또한, 상기 5축 가공기는 수리부위를 0.8mm 내지 1.2mm의 절삭 깊이로 가공할 수 있다.
또한, 상기 5축 가공기는 초음파 스핀들을 사용하여 복합소재 가공성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 표면처리 장치는 회전하면서 방출되는 공기압으로 표면처리 할 수 있다.
상기 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법은, 레이저 3D 스캐너를 이용하여 손상부를 정밀 측정하고, 손상부위 3D 형상을 생성하는 단계; 규격 제품과 생성된 3D 형상을 비교하여 수리 가공 위치를 결정하는 단계; 5축 가공기를 이용하여 손상부위 제거 및 스카핑을 진행하는 단계; 플라즈마 표면처리 장치를 이용하여 가공된 표면에 대한 대기압 저온 플라즈마 처리하는 단계; 스카핑 및 표면처리 된 수리부를 경화하는 단계 및 수리제품에 대한 NDT 검사 후, 문제가 없을 시 도장을 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 경화하는 단계는 수리부가 조직적으로 영구적인 회복이 필요하고, 손상 영역의 모재 두께가 얇고 샌드위치 구조를 가지며, 공기 역학적으로 매끄러운 표면이 요구되는 경우에는 모재와 동일한 표면을 갖는 스카프 패치(Scarf patch)를 부착하여 경화할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치는, 자동으로 작동 가능하며 5축으로 구성되는 5축 가공기로 복합재 수리부위를 정밀하게 가공하며, 대기압 저온 플라즈마 표면처리를 통해 가공된 복합재 표면의 박리를 용이하게 방지하여 수리 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치의 구성을 블록화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 5축 가공기의 회전방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 5축 가공기의 이송방향과 그 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 2개의 링크 사이(왼쪽)와 2개의 조인트 사이(오른쪽)에 D-H 파라미터를 보여주는 그래프이다.
도 5a는 가공툴 경로 CL 데이터 및 밀링 시뮬레이션을 예시도이며, 도 5b는 밀링 커팅 전 사진이고, 도 5c는 밀링 커팅 후 사진이다.
도 6은 복합 절단 실험을 진행하는 사진이다.
도 7은 0.3mm의 절삭 깊이에 따른 절삭력 그래프이다.
도 8은 1.0mm의 절삭 깊이에 따른 절삭력 그래프이다.
도 9는 절삭각 0°(왼쪽)과 절삭각 90°에 따른 절삭력 그래프이다.
도 10a는 0.3mm 절삭에 따른 복합재 표면거칠기이며, 도 10b는 1.0mm 절삭에 따른 복합재 표면거칠기이고, 도 10c는 0.3mm 절삭에 따른 절삭날 표면거칠기이며, 도 10d는 1.0mm 절삭에 따른 절삭날 표면거칠기이다.
도 11은 플라즈마 표면처리 실험을 위한 시편 사진이다.
도 12 및 도 13은 플라즈마 표면처리 실험 진행 과정을 기록한 사진이다.
도 14a 내지 도 14d는 플라즈마 표면처리 실험 시 샘플 1부터 샘플 4까지의 물 접촉각 변화를 측정한 사진이다.
도 15는 도 14a 내지 도 14d의 결과 그래프이다.
도 16은 플라즈마 표면처리 실험에 대해 SEM 분석 결과 사진이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치 및 이를 이용한 복합재 부품 수리 방법에 대하여 첨부한 도 1 내지 17을 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치의 구성을 블록화한 도면이며, 도 2는 본 발명의 5축 가공기의 회전방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 5축 가공기의 이송방향과 그 구성을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치(1)는, 레이저 3D 형상 스캐너(10), 5축 가공기(20), 플라즈마 표면처리 장치(30) 및 갠트리(40)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 레이저 3D 형상 스캐너(10)는 복합재 제품을 수리하기 위해 필요한 제품 형상을 정보를 얻는 데 사용될 수 있다. 손상된 부위의 형상은 일반적으로 제조 시 설계된 도면의 형상과 상이하기 때문에 레이저 3D 형상 스캐너(10)를 통해 얻은 제품 형상 정보를 기 저장된 최초 설계 도면과 비교하도록 함으로써 수리부위를 파악하도록 할 수 있다.
여기서, 레이저 3D 형상 스캐너(10)는 복합재의 레이어(layer) 한층의 두께가 0.1~0.2mm인 것을 감안할 때 0.05mm이하의 정밀한 가공을 요하므로, 취득한 형상의 정밀도는 10μm 이하로 취득하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 레이저 3D 형상 스캐너(10)는 비접촉식으로 형상 스캔하도록 형성될 수 있다. 이는, 접촉식의 경우 약 1μm정도의 매우 정밀한 형상 측정 정밀도를 갖고 있으나, 손상된 부위에 대한 적용이 어려운 단점이 있기 때문이다.
5축 가공기(20)는 복합재 수리부위를 정밀 가공하기 위한 장치로서, 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 이송축(X축, Y축, Z축)과 2개의 회전축(A축, C축)으로 구성될 수 있다. 여기서, 도면에 도시된 바와 같이 A축은 가공툴의 회전축이며, C축은 가공툴을 지지하는 스핀들의 회전축인데, A축의 경우 약 270°의 제한회전반경을 형성하며, C축의 경우 360°의 무한회전반경을 형성하여, 5축 가공기(20)가 전방위로 이동 또는 회전하며 다양한 부위를 수리할 수 있다.
또한, 5축 가공기(20)는 초음파 스핀들을 적용하여 복합소재의 가공성능을 향상시킬 수도 있다. 초음파 스핀들은 초음파모터(Piezo motor)에 가공을 위한 전용 스핀들이 장착된 것으로, 초음파 스핀들을 사용하면 기존 가공방식 대비 낮은 절삭 저항으로 공구 수명 및 가공속도 증가로 생산성 및 가공품의 품질이 향상될 수 있고, 가공칩의 용착과 인선에 치핑(Chipping)이 최소화되어 가공품질이 향상될 수 있다. 즉, 초음파 스핀들로 인해 섬유가 찢어 지거나 박리되지 않도록 한번에 컷팅(풀컷팅)이 가능하여 섬유 강화 복합 재료로 만든 고품질의 복합 재료도 효율적으로 가공이 가능할 수 있다.
한편, 5축 가공기(20)는 수리부위 가공 시에 0.8mm 내지 1.2mm의 절삭 깊이로 가공하도록 형성될 수 있는데, 이에 대한 설명은 후술하는 5축 가공기(20)의 역기구학을 설명할 때에 구체적으로 설명하기로 한다.
플라즈마 표면처리 장치(30)는 5축 가공기(20)로부터 가공된 수리부위를 대기압 하에서 저온으로 플라즈마 표면처리 할 수 있다. 이는 가공된 복합소재 표면을 플라즈마 처리하면 가공면에 존재하는 불순물과 유기물(C, O, H 등)이 제거되어 친습성을 개선할 수 있고, 이로 인해 복합소재에 접착제가 잘 침투할 수 있도록 하여 접촉면을 증가시킴으로서 수리부위 접착력 향상을 가져오게 된다.
여기서, 플라즈마 표면처리 장치(30)는 플라즈마 표면처리 후에 대기 노출 시간에 따라 그 효과가 저감되기 때문에 넓은 면적을 처리할 수 있는 라인 타입의 플라즈마 모듈이 적용될 수 있다.
또한, 플라즈마 표면처리 장치(30)는 면방전 플라즈마(SDBD, Surface Dielectric Barrier Discharge) 방식으로서 공기방전을 통한 고열의 아크 발생을 회피할 수 있다.
갠트리(40)는 5축 가공기(20)를 수리부위로 이동시키고 수리부위에 밀착하여 가공할 수 있도록 이동하는 이송장치이다. 갠트리(40)를 통해 수리부위를 분리하지 않고도 수리할 수 있는 이점이 있다.
이하, 도 4 내지 도 16을 참조하여 상술한 5축 가공기의 역기구학을 설명하기로 한다.
그에 앞서, 먼저 도 3을 참조하여 5축 가공기(20)를 보다 구체적으로 설명하면, 5축 가공기(20)는, X, Y축이 서보모터 및 LM가이드가 적용되며 Z축은 서보모터, 스크류 잭 및 볼나사가 적용될 수 있다. Z축의 경우 상승, 하강 속도를 고려하였다.
또한, A축과 C축은 회전 DD 모터가 적용하였다. 이는, 회전 방향에 대한 제약을 최소화 하고자 함이다.
이와 같은 구조의 5축 가공기(20)를 이용한 가공 제어 역기구학을 설명하기로 한다. 여기서, 설명되는 역기구학은 예시적인 것으로서 반드시 한정되는 것은 아니다.
5축 가공은 가공 경로를 생성하는 과정이 복잡할 뿐 아니라 가공 경로에 따라 가공툴을 동작시키기 위해 가공툴의 위치와 자세 정보를 기계 운동축의 조인트 값으로 변화해야 하는 후처리 과정이 반드시 필요하다.
본 발명의 5축 가공기 역기구학 알고리즘 개발을 위해 운동축이 수직으로 배치된 특성을 이용하여 두 개의 회전축과 세 개의 이송축으로 구성된 모든 5축 공작기계에 대해 일반화된 역기구학 방정식 유도 알고리즘을 도출하였다.
도 4을 참조하면, 한 링크가 다른 링크와 조인트에 의해 구속되어 있는 경우 D-H 파라미터라 부르는 4개의 기구 파라미터로 관계를 나타낼 수 있으며, 이들 파라미터를 이용하여 i-1 번째에 대한 i 번째 링크의 변환 행렬은 수학식 1과 같이 구성할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018132049888-pat00002
공작물 테이블에서 가공툴에 이르는 전체변환행렬은 수학식 2와 같이 두 링크에 대한 변환행렬을 차례로 곱하여 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018132049888-pat00003
가공툴의 위치에 대한 정기구학 방정식은 전체 변환행렬의 제4열을 취함으로써 구할 수 있으며, 자세에 대한 정기구학 방정식은 전체 변환행렬의 제1열에서 3열중에서 선택하여 구할 수 있다.
역기구학 방정식은 여러 개의 해를 가지며, 하나의 정기구학 방정식에 대해 역기구학 방정식은 여러 가지 모양으로 표현이 가능하다. 그 예로 하기 표 1에 기재하였다.
Figure 112018132049888-pat00004
<동일한 5축 가공기에 대한 다양한 역 기구학의 예>
여기서, X, Y, Z, A, C는 5축 가공기의 조인트 값이며, x, y, z는 가공툴의 위치이고, Ta = tan(A)이며, lc = 50, dc= 120이다.
상기와 같이 역기구학 방정식은 유도하는 사람에 따라 여러 모양으로 표현되며, 경우에 따라 컴퓨터 계산상의 반올림으로 인해 오차가 증가되거나 계산상 오류가 유발되는 모양으로 표현될 수 있다.
그러므로, 역기구학 방정식은 가능한 다음과 같은 기준을 고려하는 것이 합리적이다.
첫째, 분수형식의 표현은 0으로 나누어지는 경우가 발생하므로 피해야 하고, 둘째, tan함수는 특정 위치에서 무한대의 값을 가지므로 사용하지 않아야 하며, 셋째, arctan 함수는 위상의 구분을 명확히 하기 위해 arctan 함수 대신 arctan2 함수를 적용하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상기 표 1의 세 가지 역기구학 방정식 중 (c)와 같은 표현으로 결정하였다.
회전축에 대한 역기구학 방정식은 회전축 변위와 가공툴 자세벡터를 직접 비교함으로써 쉽게 구할 수 있는 반면, 이송축에 대한 역기구학 방정식은 가공툴의 위치와 자세를 동시에 고려해야 하므로 쉽게 구할 수 없다.
그러나, 하기 수학식 3과 같이 K 행렬에 대해 종속적인 성분과 독립적인 성분으로 분리하여 나타내는 경우 이송축에 대한 역기구학 방정식은 K행렬의 역행렬을 구함으로써 간단히 유도할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018132049888-pat00005
여기서, K 는 이송축에 대한 회전 변환 행렬이고, HD는 이송축의 옵셋량을 나타내며, Hl는 K 행렬의 독립성분이다.
회전축에 대한 역기구학 방정식 가공툴 자세에 대한 영향은 회전축 변화에 의해 결정되므로 회전축에 대한 역기구학 방정식은 회전변환행렬의 자세벡터로부터 직접 구할 수 있다.
특히, 회전축이 서로 수직으로 배치되어 있으므로 두 회전축에 대한 역기구학 방정식은 주 회전축의 각도(Jp)와 종속 회전축의 각도(Js)로 구분하여 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018132049888-pat00006
단, 수학식 4는 공작기계의 운동축의 배치에 따라 다음의 세가지 조건을 고려해야 한다.
첫째, 스핀들이 장착된 방향과 주 회전축의 방향이 동일한 경우 종속 회전축은 arccos함수로 표현되며, 그렇지 않은 경우는 모두 arcsin 함수로 표현한다. 예컨대, 스핀들이 수직(Z 방향)으로 배치된 공작기계에서 회전축의 배치가 CA인 경우 종속 회전축은 arccos함수로 표현되며, 스핀들이 y축 수평방향으로 연결된 CA타입 공작기계의 종속 회전축은 arcsin 함수로 표현한다.
둘째, 주 회전축과 종속 회전축에 순차적으로 적용되는 u,v,w는 회전축이 배치된 순서와 동일하게 벡터를 지정해야 한다. 예컨대, AB 타입의 벡터 순서는 i,j이므로, u,v,w를 각각 i,j,k로 지정하며, CA타입의 벡터 순서는 k,i이므로, u,v,w를 각각 k,i,j로 지정할 수 있다.
셋째, 스핀들이 장착된 방향의 이전 벡터는 음의 부호를 적용하며, 스핀들이 x,y,z 축에 배치된 경우 각각 AC, BA, CB타입은 부호 조건을 적용하지 않는다. 예컨대, 스핀들이 수직(z 방향)으로 배치된 공작기계의 경우 스핀들이 장착된 벡터 성분은 k이며, CCW 방향 기준에서 이것의 이전 벡터는 j 이므로 AB 타입을 제외한 모든 경우에 대해 j대시 -j를 적용할 수 있다.
이를 통해, 표 2에 대한 역기구학 방정식은 표 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018132049888-pat00007
<회전 구성에 관한 회전축의 직접 기구학 방정식>
Figure 112018132049888-pat00008
<회전 구성에 대한 회전축의 역기구학 방정식>
주 회전축에 대한 역기구학 방정식에서 두 벡터가 동시에 0에 가까운 특이영역의 경우에는 수학식 5와 같이 두 벡터의 변화율을 적용하여 해를 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018132049888-pat00009
이송축에 대한 역기구학 방정식은 수학식 3의 식을 변형하여 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. K 회전변환 행렬은 서로 수직인 회전축에 의한 회전변환이므로 직교행렬이며, 또한 직교행렬의 역행렬은 전치행렬이므로 K행렬의 역행렬을 간단하게 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018132049888-pat00010
역기구학 방정식은 수학식 4-수학식 6을 이용하여 구할 수 있으며, 특히 회전축이 서로 수직으로 배치되어 있는 본 발명의 5축 가공기는 K의 전치행렬을 이용하여 역기구학 방정식을 간단하게 수학식 7로 구할 수 있으며 그 수학식은 다음과 같다.
[수학식 7]
Figure 112018132049888-pat00011
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 5축 가공기와 플라즈마 표면처리에 대한 효과를 알아보기 위해 하기와 같은 실험예들을 제시한다. 그러나, 하기 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명이 하기 실험예들에 한정되는 것은 아니다.
[ 실험예 1] 복합재 수리 부위의 CL(Cutting location) 생성 후 기존 검증 시스템(Vericut 등)을 통한 사전 검증 수행
1. 복합재 수리를 위한 CL 데이터 생성 및 5축 가공기 가공 테스트
먼저, 복합재의 수리에 대해 모사테스트를 하기 위해 5축 가공기와 유사한 경로의 CL 데이터를 생성하여 실제 복합재 가공 테스트를 진행하였다.
하기 도 5a 내지 도 5c와 같이 가공 모형을 모델링하고 이를 가공하기 위한 상용 CAM 소프트웨어를 이용하여 CL 데이터 생성을 진행하였다. 가공 조건은 스핀들 회전속도 8,000rpm, 이송속도 600mm/s로 진행하였다.
2. 복합재 수리시 가공부하 평가를 위한 절삭력 측정
5축 가공기 제작을 위한 복합재 가공시 발생하는 스핀들 부하를 측정하기 위해 모의가공 테스트를 진행하였다. 도 6과 같이 공구동력계(Dynamometer)위에 복합재 시편을 고정하고 가공 테스트를 진행하여 절삭력을 측정하였다.
가공툴은 독일 Hufschmied社의 헥사컷 평엔드밀 Ψ6을 사용하였고, 복합재료의 가공 절삭력 측정을 위해 Kistler의 3축 공구동력계를 도 6과 같이 설치하고, 절삭력 데이터를 수집하였다.
복합재료의 절삭 가공 깊이와 가공 방향에 따른 절삭력 차이를 분석하기 위해 가공 깊이를 각각 1mm와 0.3mm로 선정하여 실험을 진행하였으며, 가공방향은 각각 0°와 90°로 설정하여 절삭력을 측정하였다.
가공 깊이 변화에 따른 결과는 도 7 및 도 8에 그래프화 하였으며, 가공방향 변화에 따른 결과는 도 9에 그래프화 하였다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 가공 깊이 1mm 가공 시에는 38.16N이 측정되었고, 0.3mm 가공 시 23.97N으로 측정되었다. 따라서, 절삭 품질은 1mm가 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 가공 평면방향(FX< FY)의 절삭력은 가공 깊이가 깊어질수록 증가하나 복합재료의 수직방향 FZ의 절삭력은 감소하는 것으로 분석되었다.
3. 복합재 수리시 가공 제품의 품질 분석
가공 완료된 시편에 대한 가공 품질 분석을 위해 가공면의 거칠기를 분석하였다.
가공 전 복합재의 기본 거칠기는 1μm 이하이나, 가공 후 표면조도는 가공 깊이에 따라 0.3mm는 평균 2.35μm이고, 1mm가공시에는 1.66μm로 측정되었다.
그 결과값은 하기 표 4에 기재하였고, 도 10a 내지 도 10d에 도시하였다.
Figure 112018132049888-pat00012
상기 표 4와 도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 가공 깊이가 1mm에서 표면거칠기에서 더 우수성을 보이는 것을 확인하였다.
[ 실험예 2] 플라즈마 표면처리 특성 연구
탄소복합재 수리를 위하여 표면을 가공하면 표면 불순물과 유기물(C, O, H)로 인하여 소수성(Hydrophobic)으로 되어 표면 접착력이 저하된다. 이는 표면에너지가 크면 액체의 표면 장력에 의하여 고체 표면에 반발력이 발생하여 접착력이 떨어지기 때문이다.
이에 대해, 본 발명은 플라즈마 표면처리를 진행하여 이를 해결하였으며, 본 실험에서는 플라즈마 표면처리 특성에 관해 실험을 진행하였다.
1. 플라즈마 표면처리 시편 준비
플라즈마 시편 소재는 UD Taper Prepreg를 사용하였으며, 시편 두께는 2mm (0.17mm의 시편을 12장 적층)하였고, 그 시편을 가로-세로 30mm씩 절단하였으며, 절단된 시편은 샌드페이퍼로 표면가공하고 초음파세척을 진행하여 도 11과 같이 준비하였다. 플라즈마 시편 적층 방법은 하기 표 5에 기재하였다.
Figure 112018132049888-pat00013
2. 플라즈마 표면처리 후 물 접촉각 측정
표 6에 기재된 플라즈마 실험 파라미터로 도 12 및 도 13와 같이 플라즈마 표면처리후 물 접촉각을 측정하는 실험을 진행하였으며, 샘플에 대한 실험시간은 표 7과 같고, 그 결과는 도 14a 내지 도 14d, 도 15에 도시하였다.
Figure 112018132049888-pat00014
Figure 112018132049888-pat00015
도 14a 내지 도 14d, 도 15를 참조하면, 모든 샘플이 플라즈마 처리 후 물 접촉각이 감소함으로써 표면장력이 낮아진 것을 확인할 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리가 수리부위의 박리를 용이하게 방지할 수 있는 것으로 판단된다.
3. 플라즈마 표면처리 후 시편의 온도 변화 측정
상기의 물 접촉각 측정을 위해 플라즈마 표면처리 한 후에 시편의 온도 변화도 같이 측정하였다. 그 결과는 표 8에 기재하였다.
Figure 112018132049888-pat00016
표 8을 참조하면, 온도의 경우 플라즈마 표면처리 전과 후의 차이가 거의 없어 온도의 변화로 인한 수리부위에 변형은 없을 것으로 판단된다.
4. 플라즈마 표면처리 후 SEM 분석
플라즈마 표면처리 후 SEM을 분석 진행하였으며, 그 결과는 도 16에 도시하였다. SEM 분석 결과, 표면의 물리적인 변화는 관찰할 수 없는 것으로 판단된다.
상기와 같은 실험들을 통해 살펴본 결과, 상기의 5축 가공기(20)와 플라즈마 표면처리 장치(30)를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치(1)는, 정밀 가공성이 뛰어나며, 표면 박리를 방지하여 수리 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있는 것을 확인하였다.
이하, 상기와 같은 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법을 설명하기로 한다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법의 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 복합재 수리용 자동 스카핑 장치(1)를 이용하여 복합재 부품을 수리하는 방법은, 레이저 3D 스캐너(10)를 이용하여 손상부를 정밀 측정하고, 손상부위 3D 형상을 생성하는 단계(S10), 규격 제품과 생성된 3D 형상을 비교하여 수리 가공 위치를 결정하는 단계(S20), 5축 가공기(20)를 이용하여 손상부위 제거 및 스카핑을 진행하는 단계(S30), 플라즈마 표면처리 장치를 이용하여 가공된 표면에 대한 대기압 저온 플라즈마 처리하는 단계(S40), 스카핑 및 표면처리 된 수리부를 경화하는 단계(S50) 및 수리제품에 대한 NDT 검사 후, 문제가 없을 시 도장을 진행하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
여기서, 경화하는 단계(S50)는 스카프 패치 부착, 큐어링 또는 오토클레이브 중 하나를 실행할 수 있는데 수리부가 조직적으로 영구적인 회복이 필요하고, 손상 영역의 모재 두께가 얇고 샌드위치 구조를 가지며, 공기 역학적으로 매끄러운 표면이 요구되는 경우에는 모재와 동일한 표면을 갖는 스카프 패치(Scarf patch)를 부착하여 경화할 수 있고, 이 외에는 큐어링 또는 오토클레이브 중 하나를 실행할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
1 : 복합재 수리용 자동 스카핑 장치
10 : 레이저 3D 형상 스캐너
20 : 5축 가공기
30 : 플라즈마 표면처리 장치
40 : 갠트리

Claims (8)

  1. 제품 형상에 대한 정보를 스캔 시 발견되는 수리부위에 대해 이동하여 가공하고 표면처리하는 스카핑 장치에 있어서,
    3개의 이송축(X축, Y축, Z축)으로 이동하도록 형성되며, 2개의 회전축(A축, C축)으로 회전하도록 구성되고, 초음파 스핀들이 적용된 5축 가공기 및
    면방전 플라즈마(SDBD) 방식으로서 저온으로 표면처리하는 플라즈마 표면처리 장치를 포함하며,
    상기 5축 가공기는,
    각 축이 하기 수학식 7과 같이 도출된 역기구학 방정식에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치.

    [수학식 7]
    Figure 112020025362611-pat00043

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 5축 가공기는,
    X, Y축이 서보모터 및 LM가이드가 적용되며,
    Z축은 서보모터, 스크류 잭 및 볼나사가 적용되고,
    A축과 C축은 회전 DD 모터가 적용되는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 5축 가공기는,
    0.8mm 내지 1.2mm의 절삭 깊이로 가공하는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 5축 가공기는,
    초음파 스핀들을 사용하여 복합소재 가공성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 표면처리 장치는,
    회전하면서 방출되는 공기압으로 표면처리 하는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치.
  7. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용하여 복합재 부품을 수리하는 방법에 있어서,
    레이저 3D 스캐너를 이용하여 손상부를 정밀 측정하고, 손상부위 3D 형상을 생성하는 단계;
    규격 제품과 생성된 3D 형상을 비교하여 수리 가공 위치를 결정하는 단계;
    5축 가공기를 이용하여 손상부위 제거 및 스카핑을 진행하는 단계;
    플라즈마 표면처리 장치를 이용하여 가공된 표면에 대한 대기압 저온 플라즈마 처리하는 단계;
    스카핑 및 표면처리 된 수리부를 경화하는 단계 및
    수리제품에 대한 NDT 검사 후, 문제가 없을 시 도장을 진행하는 단계를 포함하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 경화하는 단계는,
    수리부가 조직적으로 영구적인 회복이 필요하고, 손상 영역의 모재 두께가 얇고 샌드위치 구조를 가지며, 공기 역학적으로 매끄러운 표면이 요구되는 경우에는 모재와 동일한 표면을 갖는 스카프 패치(Scarf patch)를 부착하여 경화하는 것을 특징으로 하는 복합재 수리용 자동 스카핑 장치를 이용한 복합재 부품 수리 방법.

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