Composite Printer for Carbon/Epoxy Repair

Abstract

Carbon-fiber composites are widely used in airplanes, and the development of electric vehicles has spurred demand as interest in light materials has increased concurrently. Thus, researchers have begun to study how users of these products repair them, but the properties of fiber composites make it difficult to measure the level of destruction in repaired areas. The repair process is usually based on hand-lay-up. The success of this method depends on the repairer's proficiency, and it takes much labor and time to cut carbon fibers according to the size and shape of the repair part. Furthermore, the post-curing process also takes a long time, regardless of the size of the repair area. This can lead to a large amount of waste when repairing small components, such as the surfaces of car parts. Another issue is how best to evaluate the repaired area. If monitoring the life cycle or deformation of the component is conducted, even after the repair has been carried it, the user can anticipate and prepare for repairs based on strain sensor data. Studies of large equipment, such as conventional airplanes, and the use of automated tape layering (ATL) to make large carbon composite materials have been actively underway since 2016. However, most previous research has been aimed at producing large carbon-fiber composite materials and reducing the ᅮ waste and labor required for repair processes. However, there are no automated processes for smallscale repairs. Various small devices, from vehicles to mobile phones, use composites and thus require appropriate repair processes. Studies focusing on these issues are still lacking. In this study, we developed a rapid curing carbon-fiber composite printer. This can achieve a uniform fiber composite by automating the fiber laying method. A rapid curing device using Joule heat is used for local repairs. The repair time is reduced by mounting the rapid curing device on the printer. The proposed printing system is validated by comparing the recovery rates of undamaged specimens and double-lap repaired specimens. These repaired samples achieve uniform quality following repeated repair, and are thus superior to conventional hand-lay-up repaired samples. The use of the rapid curing system improved the recovery rate by 93% or more in the double lap test. As mentioned previously, the variables used to describe the repair performance, which may vary depending on the technician's proficiency, are stabilized under our system. The rapid curing is also optimized by mounting a feedback system between the temperature and electric power. This achieves uniform recovery rates, regardless of user proficiency. Non-destructive testing is also possible if we attach highly sensitive nanoparticle sensors to the device. The quality of the repair is assessed based on the life cycle and deformation of adhesive repair patches, which are evaluated using the proposed sensors. In this study, we propose the use of a rapid curing carbon composite printer and nanoparticle sensors. We expect that the composite printer developed in our research can be used to support the development of carbon composite applications in industries such as electric vehicles and airplanes.

탄소 섬유 복합재의 수요는 비행기 산업 및 풍력 발전 산업 등에서 많이 사용되어 왔으며, 전기차의 발전으로 인해 경량소재에 대한 관심 또한 증가하면서 더욱 많은 수요가 발생하였다. 이에 따라 이 제품들을 사용하는 사용자들의 수리방법에 대한 연구가 진행되어왔으며, 섬유 복합재의 특성상 수리된 부위의 파괴수준을 측정하기 어렵고, 이를 확인한 후에도 수리과정이 작업자의 손을 이용한 작업이 주된 방법이다. 이 방법은 수리자의 숙련도에 크게 수리의 성능이 좌우되는 방법이며, 수리부위의 크기와 형태에 따라 탄소 섬유를 재단하는데 큰 노동과 시간이 들어간다. 또한 복합재의 다른 특성인 후경화 과정은 수리과정에서 긴 시간을 요구하며, 이는 수리 부위의 크기와 상관없이 긴 시간이 걸리기 때문에 자동차 부분 파손 혹은 휴대폰 외관 수리와 같은 작은 파트를 수리하는 부분에 있어 큰 낭비가 될 수 있다. 수리를 완료한 이후에도 이 수리부의 수명이나 변형을 측정함으로써, 사용자가 파손을 예측하고 대비하고 정도에 따라 수리과정을 준비할 방법 또한 필요하다. 본 연구에서는 위와 같은 문제들에 대하여 사람의 손으로 진행해야 하는 부분을 자동화함으로써 변수를 통합 및 안정화하고, 긴 시간을 차지하는 후경화를 국지적 주울열을 통한 급속 경화 장치를 추가함으로써 급속 경화 탄소 섬유 복합재 프린터를 개발하였다. 기존의 비행기나 대형 탄소복합재를 만들기 위한 Automated tape laying (ATL) 과 같은 대형 장비들에 대한 연구들이 2016 부터 활발히 진행되었으나, 기존 연구의 대부분은 대형 탄소 섬유 복합재를 제작하는 것을 목적으로 진행하고 있어, 후경화의 단축에 대한 연구수행과 소규모성의 수리를 위한 자동화 공정에 대한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 또한 본 연구의 국지적 수리에 적합한 주울열을 통한 급속 경화 장치가 적용된 사례는 없다. 이와 같이 본 연구에서 제안된 프린팅 시스템을 이용하여 양면 접착 방식의 수리 시편을 만들어 기존 미파괴 시편과의 파단강도에 따른 비율을 회복률이라고 정의하였다. 또한 실험을 통해 회복률을 확인하였고, 프린팅을 통한 수리 시편은 인장강도 기준으로 80% 이상 수준을 달성하였고 급속 경화 시스템을 추가한 시편의 경우는 짧은 구간에서 더 높은 접착력을 보이면서 93%이상 회복률로 향상되었다. 또한 앞서 제시한 바와 같이 수리자의 숙련도에 따라 변경될 수 있는 수리 성능에 대한 변수를 규격화 하였으며, 온도와 전력량 간의 피드백 시스템을 형성하여 급속 경화 또한 최적화함으로써 사용자의 숙련도와 상관없이 균일한 회복률을 얻을 수 있는 효과를 얻었고 이에 접착 수리 패치의 수명과 대변형과 같은 수리파손 예방을 위한 나노입자 센서를 부착하고 무선통신 시스템을 적용함으로써 비파괴 검사 또한 진행할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제안된 급속 경화 탄소 복합재 프린터와 이를 검사할 수 있는 시스템의 원리를 응용한 기술은 발전될 탄소 섬유를 이용한 전기차 혹은 휴대기기 시장 등 산업적 응용 분야 확장에 기여할 것으로 기대된다.