1995년 미국의 AGATE(Advanced General Aviation Transport Experiments) 프로그램은 중복적인 품질입증 비용의 부담을 경감시켜 범용 항 공 산업의 활성화를 위해, 복합재 물성치 데이터베이스의 공유를 통한 표준화된 특성화 절차를 수립하기 시작했다. 이후 AGATE 프로그램은 NCAMP (National Center for Advanced Materials Performance)로 발전하였다. NCAMP의 목적은 AGATE 프로그램으로 얻은 경험을 바탕으로 범용 항공기, 수송급 항공기, 그리고 기타 항공기 제품 형식의 인증에 공통적으로 적용할 수 있는 재료규격서 및 기초 재료물성치 데이터를 개발할 수 있는 수락가능한 방법 론을 수립하는 것이다. 이러한 공유 데이터베이스 체계를 통해 항공기 제작업체 는 최초 품질입증 시험보다 훨씬 적은 수의 시험만으로도 항공용 부품 제작을 위한 승인된 복합재 시스템을 선택할 수 있게 되었다. 이처럼 후속 재료 또는 공 정이 최초 품질입증 재료의 물성치와 동등한 물성치를 생성할 수 있음을 입증하 는 시험을 재료 동등성 시험이라고 한다. 본 논문에서는 수많은 동등성 시험 결 과의 분석을 바탕으로 통계적 시험 결과에 대한 동등성 결정 과정에 대한 안내 지침을 제시하고자 한다. 주제어 : 동등성, 복합재료, AGATE, NCAMP, 공유 데이터베이스 체계 항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정 83 항공 용 복 합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정 이승윤, 서장원, 김일영 한국항공우주연구원 항공인증팀 【국문요약】
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항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정 file공기 제작업체의 부담을 경감시키기 위 . 항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의
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1995년 미국의 AGATE(Advanced General Aviation Transport
Experiments) 프로그램은 중복적인 품질입증 비용의 부담을 경감시켜 범용 항
공 산업의 활성화를 위해, 복합재 물성치 데이터베이스의 공유를 통한 표준화된
특성화 절차를 수립하기 시작했다. 이후 AGATE 프로그램은 NCAMP
(National Center for Advanced Materials Performance)로 발전하였다.
NCAMP의 목적은 AGATE 프로그램으로 얻은 경험을 바탕으로 범용 항공기,
수송급 항공기, 그리고 기타 항공기 제품 형식의 인증에 공통적으로 적용할 수
있는 재료규격서 및 기초 재료물성치 데이터를 개발할 수 있는 수락가능한 방법
론을 수립하는 것이다. 이러한 공유 데이터베이스 체계를 통해 항공기 제작업체
는 최초 품질입증 시험보다 훨씬 적은 수의 시험만으로도 항공용 부품 제작을
위한 승인된 복합재 시스템을 선택할 수 있게 되었다. 이처럼 후속 재료 또는 공
정이 최초 품질입증 재료의 물성치와 동등한 물성치를 생성할 수 있음을 입증하
는 시험을 재료 동등성 시험이라고 한다. 본 논문에서는 수많은 동등성 시험 결
과의 분석을 바탕으로 통계적 시험 결과에 한 동등성 결정 과정에 한 안내
지침을 제시하고자 한다.
주제어 : 동등성, 복합재료, AGATE, NCAMP, 공유 데이터베이스 체계
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정
83
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의
동등성 결정 과정
이승윤, 서장원, 김일영
한국항공우주연구원 항공인증팀
【국문요약】
항공진흥 제59호
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Ⅰ. 서 론
1990년 후반 미국에서는 범용 항공
(General Aviation) 산업의 활성화를 위
해 새로운 패러다임의 효율적인 항공용
복합재료 인증 체계가 구축되어 적용되
고 있다. 전통적인 방식의 복합재 인증
체계에서는 각 항공기 회사들에 의하여
생성된 데이터가 해당 회사의 소유이므
로 다른 개별 항공기 회사들이 동일한
품질입증(Qualification) 활동을 반복해
야 했다. 이 과정은 동일한 재료에 한
중복적인 품질입증 활동과 다수의 규격
을 만들어 내게 되었다. FAA는 이러한
품질입증 프로그램들을 감독해야 하기
때문에, 이와 같은 방식은 FAA에게도
가중한 업무부담이 되었다. 이러한 소
모적인 비용을 감소시키기 위해 1995년
NASA는 FAA, MIL-HDBK-17(현재의
CMH-17) 및 항공산업계와 함께
AGATE 프로그램을 통해 복합재 물성
치 데이터베이스 공유에 기반한 효율적
인 복합재 품질입증 프로세스의 개발을
시작하였고, 약 10년 후 AGATE 프로
그램은 NCAMP로 발전하였다.
NCAMP의 목적은 AGATE 프로그램
으로 얻은 경험을 바탕으로 범용 항공
기, 수송급 항공기, 그리고 기타 항공기
제품 형식의 인증에 공통적으로 적용할
수 있는 재료규격서 및 기초 재료물성
치 데이터를 개발할 수 있는 수락가능
한 방법론을 만드는 것이다. 이러한 목
적을 달성하기 위해 NCAMP는 금속재
와 같이 산업체 전반에 걸쳐 적용할 수
있는 비전매특허의 규격과 재료 설계값
의 개발 절차를 개발하였다.
본 논문은 복합재 품질입증의 새로운
패러다임으로 제시되고 있는 미국의
AGATE 혹은 NCAMP 데이터베이스
공유 체계의 적용에 있어 핵심 과정 중
하나인 동등성 입증 과정 및 동등성 판
단의 통계적 기준을 소개한다. 이러한
동등성 기준은 통계적인 오류를 내포하
고 있으며 복합재의 특성상 공정에 따
른 물성치의 가변성이 높으므로, 각 시
험 항목에 한 기준 만족 여부만을 바
탕으로 동등성을 판단하는 것은 오류를
내포할 가능성이 크다. 이에 수많은 동
등성 시험 결과의 분석을 바탕으로 통
계적 시험 결과에 한 동등성 결정 과
정에 한 안내지침을 제시하고자 한다.
Ⅱ. 복합재 물성치 데이터
베이스 공유 시스템
중복적인 품질입증으로 인한 개별 항
공기 제작업체의 부담을 경감시키기 위
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정
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<그림 1> 전통적인 복합재 품질입증 방식
<그림 2> AGATE 프로세스
해, 1995년에 AGATE 프로그램을 통해
복합재 물성치 공유 데이터베이스 프로
세스를 개발하였다. 이러한 AGATE 데
이터베이스는 FAA의 정책(FAA, 2000)
에 의해 소형항공기의 복합재 인증시
사용가능하게 되었다. AGATE 방법은
DOT/FAA/AR-03/19 문서(J. Tomblin,
2003)에 기반한 공통적으로 적용되는
품질입증 계획을 사용하여, 복수의 항
공기 제작회사에 의해 중복적으로 수행
항공진흥 제59호
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<그림 3> NCAMP 프로세스
되는 시험으로 인한 부담을 없앨 수 있
었다. 이후 AGATE 프로그램은 NCAMP
로 발전하여 항공 산업 전반에 걸친 보
다 폭넓은 적용을 위한 표준 운용절차
(Y. Ng, 2010)가 개발되었다.
기존의 복합재 품질입증 프로세스
(<그림 1>)에서는 이미 인증을 받은 재
료를 다른 항공기에 사용할 경우, 다시
감항당국의 인증절차를 거쳐야 재료 설
계값을 사용할 수 있었으나, 새로운
AGATE 방법(<그림 2>)에서는 복합재
료 데이터베이스를 감항당국에서 관리
하여, 다른 사업에서 사용할 경우, 동등
성 시험 절차만 거치면 사용할 수 있도
록 간소화하였다. NCAMP 프로세스
(<그림 3>)에서는, 좀더 많은 참조 문서
들(S. Ward, 2007; W. McCarvill, 2007;
G. Bogucki, 2003)이 생성되었고, 동등
성 시험이 품질입증 시험과 동시에 수
행할 수 있어 보다 큰 모집단을 구성할
수 있도록 하였다.
FAA는 NCAMP 복합재 데이터베이
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정
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스와 규격이 연방항공법 FAR Parts 23,
25, 27 및 29의 각 해당 절인 2x.603(a)&(b),
2x.605 및 2x.613(a)&(b), 그리고 엔진
과 프로펠러와 관련된 Parts 33.15와
35.17에 적합하다는 정책(M. Freisthler,
2010)을 발표하였다.
이러한 일련의 노력의 결과, 복합재
인증기준을 수립하였고 일련의 복합재
데이터베이스를 생성하여 복합재 인증
방식에 혁신을 가져왔다. 이러한 공유
복합재 데이터베이스를 통한 인증 방법
론은 품질입증 및 시험에 한 주요 의
무를 항공기 제작업체에서 재료공급자
로 이동시킨 보다 효율적인 개념이다.
재료공급자가 승인된 복합재 데이터베
이스를 생성하면, 항공기 제작업체는
품질입증 과정 없이 승인된 재료를 선
택할 수 있다. (왜냐하면 승인된 재료는
주요 물성치의 관리를 규정한 재료규격
서에 맞춰 제작되고 주요 공정 파라미
터를 관리하는 공정규격서에 따라 제작
되어야 하기 때문이다.) 따라서 항공기
제작업체는 재료공급자가 수행한 것에
비해 훨씬 적은 수의 시험만으로도 최
초 데이터와 동등한 물성치를 갖는 재
료를 제작할 수 있다는 것을 입증할 수
있다.
Ⅲ. 복합재 동등성 과정
“재료 동등성(Material Equivalency)”
이라는 용어는 복합재 품질입증 데이터
베이스를 공유할 목적 및/또는 재료 제
작공정에서의 경미한 변경(Minor Change)
이 물성치에 영향을 거의 미치지 않음
을 입증하기 위한 목적으로 재료 물성
치를 입증하는 과정을 일컫는다. 즉, 재
료 동등성 시험은 후속(follow-on) 재료
또는 후속 공정이 최초(original) 품질입
증을 받은 재료와 동등한 물성치를 생
성함을 보증하기 위한 시험이다. 이러
한 재료 동등성은 샘플링 시험을 통해
수락기준을 통과함으로써 달성할 수 있
으며, 수락기준은 보다 큰 재료 데이터
모집단으로부터 유도된다.
3.1 정규화(Normalization)
일반적으로 통계적인 시험을 위해서는,
최초 품질입증시 정규화된(normalized)
물성치를 후속 재료의 정규화된 물성치
와 비교해야 하며, 특히 일방향 테이프
의 경우에 이러한 정규화 과정은 중요
하다. 두 개의 데이터 집합에 적용한 정
규화 방법은 동일해야 한다. 정규화 과
정 이후 최초 혹은 후속 재료 물성치의
산포성(scatter)이 심하게 증가한다면,
그 이유를 조사해야 한다.
항공진흥 제59호
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최초 품질입증시 정규화되지 않은 물
성치는 정규화되지 않은 후속 재료 물
성치와 비교해야 한다. 물성치에 한
섬유체적율(Fiber Volume Fraction)의
영향은 인지되어 왔지만, 현재로서는
모체(matrix)의 영향을 많이 받는 물성
치를 정확하게 정규화할 수 있는 확연
한 모델은 없다. 이러한 형태의 오차는
통계적인 시험의 유효성 및 타당성을
해칠 수 있다. 경화된 플라이 두께(CPT,
Cured Ply Thickness), 섬유체적율, 또는
공극함유율(Void Content)에서 큰 차이
가 발생한다면 통계적 시험을 통해 물
성치를 기각하는 것이 정당화되지만,
그러한 차이가 발생하는 원인을 조사해
야 한다. 일반적으로, 기준을 통과하지
못하는 물성치의 중요도를 판단하기 위
해 공학적 판단을 해야 하며, 통계적 시
험을 무효화할 수 있다.
3.2 동등성 수락 기준
동등성 기준의 주요부분은 가설검정
(Test of Hypotheses)1)으로 일반적으로
알려진 통계적 시험에 기초하고 있으
며, 물성치의 특성에 따라 적용 기준이
달라진다. 예를 들어, 강도(Strength) 물
성치에 해서는 평균값과 최소값이 모
두 고려된다. 따라서 낮은 평균값이나
낮은 최소값 또는 양자가 데이터의 수
락/실패 여부를 판단할 때 적용된다. 이
를 단측검정(One-Sided Test)라고 한다.
탄성계수(Modulus)에 해서는 평균값
만이 고려되며 양측검정(Two-Sided
Test)이 적용된다. 즉, 최소 기준값보다
크고 최 기준값보다 작아야 결과를
수락할 수 있다. <표 1>과 <표 2>에 각
각 물리적/화학적/열적 물성치 및 기계
적 물성치에 한 적절한 수락/실패 기
준이 주어져 있다.
동등성 입증에 착수하게 되면, 공학
적 판단을 뒤로 미루어서는 아니 된다.
어떤 온도에서의 일부 기계적 물성치
가 통계적 동등성을 보이지 않는다면,
그 재료가 동일하거나 동등하지 않다
고 판단하기 전에 반드시 해당 물성치
의 중요도 및 불일치(discrepancy) 크기
를 조사해야 한다. 예를 들어, 인장 강
도와 인장 탄성계수 및 ETW 압축 강
도와 압축 탄성계수는 일반적으로 설
계상 중요한 물성치이므로 그 통계적
시험 결과에 좀 더 많은 비중을 두어야
한다.
본 논문에서 기술된 기준들은 배치간
가변성(between-batch variability)이 사
1) 가설검정(Test of Hypotheses) : 내세우고 있는 가설이 옳은가의 여부를 통계적인 방법으로 판정하는 일.
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정
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시험 물성치 동등성 수락/실패 기준
Resin Content Failure for Change in Mean 또는 주1
Volatile Content Failure for High Mean 또는 주1, 주5
Gel Time Failure for Change in Mean 또는 주1
Resin Flow Failure for Change in Mean 또는 주1
Fiber Areal Weight Failure for Change in Mean 또는 주1
IR 주2
HPLC 주2
DSC Failure for Change in Mean 또는 주4
Cured Ply Thickness Failure for Change in Mean 또는 주1
Fiber Volume Failure for Change in Mean 또는 주1
Resin Volume Failure for Change in Mean 또는 주1
Void Content Failure for High Mean 또는 주1
Cured Neat Resin Density Failure for Change in Mean 또는 주1
Glass Transition Temperature (dry) Failure for Change in Mean
Glass Transition Temperature (wet) Failure for Change in Mean
주:
1. 기체 제작자와 재료 공급자 간에 동의된 값. 이 값들은 통계적 시험으로부터 얻어진 값과 큰 차이
가 없어야 한다.
2. 지문(fingerprint)의 시각적 비교만으로도 충분하나, 정량적인 수락/실패 한계값이 강력하게 추천된
다. 최초 도표의 모든 최고점은 후속 도표에 나타나야 한다. 관계없는 최고점은 잘못된 화학적 구
성 또는 오염을 암시할 수 있다. 관계없는 최고점이 의도적인 것이 아니라면, 그 재료는 기각되어
야 한다.
3. 이 물성치들은 정규화되지 않지만 섬유체적율에 민감할 수 있다. 이 물성치들이 기준을 통과하지
못한다면, 그 원인을 반드시 조사해야 하며, 실패의 중요도를 판단하기 위해 공학적 판단을 해야
한다.
4. 기체 제작자와 재료 공급자 간에 동의되는 정량적 한계값.
5. 첨가(addition) 반응(즉, 에폭시)에 의해 경화된 수지(resin) 시스템에 대해서는 “Failure for a
High Mean”을 적용하고, 응축(condensation) 반응(즉, 페놀릭)에 의해 경화된 수지 시스템에 대
해서는 “Failure for Change in Mean”을 적용한다.
6. Failure for Change in Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.2절 참조.
7. Failure for a High Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.3절 참조.
<표 1> 물리적/화학적/열적 물성치에 대한 재료 동등성 수락/실패 기준
소하다고 가정할 수 있을 때에만 적용
가능하다. CMH-17-1G(CMH-17, 2012)
의 8.4.5.2절~8.4.5.4절에는 배치간 가변
성이 상당한 경우에 한 설명이 나와
있다.
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시험 물성치 동등성 수락/실패 기준
0°(warp) 인장 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
0°(warp) 인장 탄성계수 Failure for Change in Mean
90°(fill) 인장 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
90°(fill) 인장 탄성계수Failure for Change in Mean
그리고 일방향 재료 형태에 대해서는 주1 참조
0°(warp) 압축 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
0°(warp) 압축 탄성계수 Failure for Change in Mean
90°(fill) 압축 강도Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
그리고 일방향 재료 형태에 대해서는 주1 참조
90°(fill) 압축 탄성계수Failure for Change in Mean
그리고 일방향 재료 형태에 대해서는 주1 참조
면내방향 전단 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
면내방향 전단 탄성계수 Failure for Change in Mean
숏빔 전단 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual
주:
1. 이 물성치들은 정규화되지 않지만 섬유체적율에 민감할 수 있다. 이 물성치들이 기준을 통과하지
못한다면, 그 원인을 반드시 조사해야 하며, 실패의 중요도를 판단하기 위해 공학적 판단을 해야
한다.
2. Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual Value 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서
의 6.3.1절 참조.
3. Failure for Change in Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.2절 참조.
[1] Bogucki, G., McCarvill, W., Ward, S., and J. Tomblin (2003), Guidelines for the Development of Process Specifications, Instructions, and Controls for the Fabrication of Fiber-Reinforced Polymer Composites, FAA report DOT/FAA/A R-02/110.
[2] CMH-17 (2011), CMH-17 Statistics Working Group Presentation Material.[3] CMH-17 (2012), Composite Materials Handbook - Vol.1. Polymer Matrix
Composites Guidelines for Characterization of Structural Materials, CMH-17-1G.[4] FAA (2000), Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix
Composite Material Systems, FAA policy PS-ACE-00-23.613-01.[5] Freisthler, M. (2010), Acceptance of Composite Specifications and Design Values
Developed using the NCAMP Process, FAA Memorandum AIR100-2010- 120-003.
[6] McCarvill, W., Ward, S., Bogucki, G., and J. Tomblin (2003), Guidelines and Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for
항공진흥 제59호
100
Carbon Fiber/Epoxy Unidirectional Prepregs, FAA report DOT/FAA/AR-02/109.[7] McCarvill, W., Ward, S., Bogucki, G., and J. Tomblin (2007), Guidelines and
Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for Carbon Fiber/Epoxy Unidirectional Prepregs Update, FAA report DOT/FAA/AR-07/3.
[8] Ng, Y. and J. Tomblin (2010), NCAMP Standard Operating Procedures (SOP), NSP 100.
[9] Tomblin, J., Ng, Y., and K. S. Raju (2003), Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix Composite Material Systems: Updated Procedure, FAA report DOT/FAA/AR-03/19.
[10] Ward, S., McCarvill, W., and J. Tomblin (2007), Guidelines and Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for Carbon Fiber/Epoxy Fabric Prepregs, FAA report DOT/FAA/AR-06/10.
항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정
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Decision Making Procedure for Equivalency
to the Shared Composite Materials Database
for Aircraft
Seung Yun Rhee, Ph.D
(Mechanical Engineering) Korea Aerospace Research Institute Aircraft Certification Team
【Abstract】
In 1995, Advanced General Aviation Transport Experiments (AGATE) program started with General Aviation (GA) industry's desire to share databases and standardize procedures used in composite materials characterization. In AGATE program, NASA, FAA and the industry have worked together to develop a cost-effective method of qualifying composite materials by sharing material qualification databases. The AGATE program has since evolved to the National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP). The objective of NCAMP is to take the experience gained from AGATE and develop acceptable methods for developing common material specifications and baic material property data suitable for general use in the certification of general aviation, transport category airplanes, and other aircraft product types. Through these shared databases, a manufacturer can select an approved composite material system to fabricate parts and perform a smaller subset of testing to a specific application. Material equivalency tests are required to ensure that a follow-on material or process will produce material properties equivalent to those of the original qualification. In this paper, I will introduce the equivalency test procedures and talk about the decision making procedure for composite materials equivalency.
Key words : Equivalency, Composite Materials, AGATE, NCAMP, Shared Database System