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Foro tecnológico y empresarial

Fabricación e inspección de productos de grandes dimensiones

Zaragoza, 24 de Febrero de 2011

I+D+i en inspección de daños: La Termografía como herramienta para la detección de

daño en materiales

ITA: Objetivos e indicadores

La misión del ITA es promover la competitividad del tejido empresarial aragonés, mediante la prestación de una serie de servicios a las empresas, que van desde la asistencia técnica y consultoría hasta servicios de investigación y desarrollo tecnológico.Además el ITA colabora en la actualización técnica del personal de las empresas y su especialización en nuevas tecnologías, y promueve su participación en programas de innovación tecnológica a nivel regional, nacional y europeo.

Cualificación del personal. Año 2009

20%

20%

8%

52%

Doctores Técnicos SuperioresTécnicos Medios Personal de soporte

• Fundado en 1985• Instalaciones con una extensión de más de 15.000 m2• 213 personas• Aprox. 1100 clientes / año• Inversión media en equipamiento : 1.5 Meuro • Presupuesto de explotación anual : 13 Meuro

Introducción

• Termografía Pasiva: Materiales o estructuras objetos de inspección presentan diferencias térmicas respecto al ambiente (generalmente por encima). La detección de una temperatura inusual mediante una sistema de adquisición termográfico es indicativo de problemas potenciales. Aplicaciones: medicina, mantenimiento, detección de fugas calor, eficiencia térmica de construcciones, detección incendios, inspección cuadros eléctricos, etc.

• Termografía Activa: Estímulo térmico externo. Se basa en los cambios que la presencia de defectos introducen en el flujo de calor dentro del material y su repercusión en la radiación superficial del componente. Existen distintos tipos de análisis por TA, dependiendo del método de calentamiento (lámparas, calefactores, láser, vibración, etc.), tipo de señal (escalón, cíclica, pulso, etc.), ubicación de fuente y receptor con respecto de la muestra (transmisión/reflexión) algoritmos de tratamiento de datos, etc.

La Termografía como herramienta para la detección de daño en materiales

Aplicaciones ITA (PSE Alexandría)

Termografía PasivaEstimación de vida a fatiga en metales

Termografía ActivaInspección de daño en materiales

compuestos


Ensayos cíclicos bajo carga sinusoidal controlados por carga: Aplicación de diferentes niveles de carga de forma

secuencial: de menor a mayor. Fase II Fase III

Fase I

VentajasNº de probetas mínimo: 1 o 2

Pocos ciclos de ensayo: equipo de baja frecuenciaReducción significativa del tiempo de ensayo

Dispersión de los resultados < 10%Método no destructivo: aplicación a componentes simples

Termografía Pasiva: Estimación de vida a fatiga (Método de Risitano)


Intersección con el eje X: definición Límite de Fatiga

Obtención de Termogramas. Determinación del T con el

tiempo: T = f (N).

Representación gráfica de T vsσa

Metodología de ensayo

Geometría delas probetas (ASTM 466-82)

Definición del ensayo

Tipo de ensayo: Fatiga uniaxial control por tensión.

Temperatura: 23 + 2 ºC.

Mordazas: Mordazas de mandíbulas hidráulicas de amarre cilíndrico. Presión de amarre aproximada 120 bar.

Equipo de ensayo: Máquina universal de ensayos de alta frecuencia uniaxial INSTRON 8872 Célula de carga axial 25 kN

Modo de control: Carga

Forma ondas: Sinusoidal

Amplitud: Creciente por niveles

Frecuencia ensayo 20Hz

Criterio parada: Estabilización de la temperatura o disminución del 50% en la amplitud de desplazamiento respecto al inicial.

Probetas: ASTM 466-82


Ejecución del ensayos. MUE 20kN


Inicio ensayo, 0 ciclosEscala 23 a 40 ºC

10.000 ciclosEscala 23ºC-160 ºC

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

T (ºC)

nº ciclos

Probeta: M02Solicitación axial, tracción‐compresión , R=‐1

Onda sinusoidal, F = 20 Hz

DT M02_190MPa

DT M02_210MPa

DT M02_235MPa

DT M02_245MPa

DT M02_255MPa

DT M02_265MPa

DT M02_275MPa

DT M02_285MPa

DT M02_290MPa


235 MPa 255 MPa 275 MPa

Termogramas: obtención de la evolución de la temperatura en la muestra

Representación ΔT vs σa

Obtención rectas de ajuste método iterativo (MATLAB)


Intersección: límite de fatiga 258 MPa

Nivel σa (MPa) ΔT (K)

M01 M02 M03

1 180 0,21 - 0,23 2 190 - 0,41 0,41 3 200 0,39 - 1,05 4 210 - 3,25 1,56 5 220 0,98 - - 6 230 - - 5,58 7 235 - 7,81 - 8 240 11,68 - - 9 245 - 14,34 -

10 250 18,89 - 21,18 11 255 - 21,28 - 12 260 32,76 - 34,64 13 265 - 42,34 -14 270 71,11 - 74,42 15 275 - 96,74 - 16 280 127,15 - 158,83 17 285 - 173,24 - 18 290 Rotura Rotura -

- El método se presenta buena robustez. Si bien con una única muestra y tanda de ensayos se

obtendría una buena aproximación del límite a fatiga, teniendo en cuenta que el resultado

deriva de un ajuste matemático de los datos experimentales, la repetición del ensayo mejora la

regresión.

- El método puede ser utilizado en la obtención de curvas S-N simplificadas. Mediante

termografía se ubicaría la asíntota de resistencia a fatiga en el diagrama S-N, el resto de la

curva se representaría a partir de la realización de 3 niveles de tensión repartidos en la zona de

100.000 (LFC) y 1 millón (HFC) de ciclos, con lo que el esfuerzo requerido sería del orden de

un 10% del requerido por el método tradicional.

- Potencial utilización en el desarrollo de modelos energéticos para la obtención de las curvas

S-N (ej: σ4 x ΔTx N =cte).

- El método es de aplicación a otro tipo de materiales, habiéndose utilizado con éxito en

plásticos reforzados. Del mismo modo el método ha presentado buenos resultados en la

evaluación de componentes.


Conclusiones aplicación termografía pasiva a la estimación de la vida a fatiga en metales

Conclusiones


Termografía Activa: Inspección de daño en Materiales Compuestos

Análisis de materiales, configuraciones y defectología de interés en sectores aeronáutico y eólico

Diseño y fabricación de patrones de inspección en composites con defectos controlados

Inspección de patrones con defectos de fabricación Panel tipo sándwich fibra de vidrio /espuma de PVC con zonas de tejido sin impregnar

Panel laminado sólido de fibra de carbono, con delaminaciones e inclusiones Unión adhesiva de sustratos de fibra de vidrio, con presencia de poros e inclusiones

Inspección de componentes Componente Eólico: borde de ataque con impactos de distintas energía

Componente aeronáutico con defectos superficiales


Inspección patrón sandwich: Transient, reflexión

Parámetros Inspección

Tiempo inspección 10 sg

Tiempo excitación 3 sg

Modulación rectangular

Nº imágenes 450

Método evaluación: Transient‐emodel

En las primeras etapas de la inspección (imagen izda) se detectan defectos asociados a la aplicación de Gel Coat: sobre espesor y aparición de burbujas. En etapas posteriores, conforme se penetra en el espesor (imagen dcha), se detecta con claridad la zona de tejido sin impregnar e incluso el entramado del mismo.

Patrón sandwich, fabricado por infusión. Defecto introducido: Tejido seco

PATRÓN DEFECTOS INFUSIÓN I (Sandwich 500mm x 350mm)

Delaminac ión Inclusiones(Tipo A y B)

Arruga

A

A

A

B

B

B

50%, 75%, 90% del espesor

50 x 70 30 x 30

25%del espesor

Orientac ión fib ra 0º

20

PATRÓN DEFECTOS PREIMPREGNADO ( 00mm x 300mm)Laminado sólido 5

10 x 15

Inclusiones(Tipo C y D)

C

C

C

D

D

D


Se detectan algunos de los defectos incluidos en el plano más próximo a la superficie (profundidad 2 mm): Delaminación (1), Inclusiones de Papel siliconado(2), Látex (3) y Acero (4), Arruga: banda vertical (5) no concluyenteLa diferente naturaleza de los materiales que forman las inclusiones queda plasmada en la imagen (más claros, materiales “barrera”, papel siliconado, látex; más oscuro, metal)

Parámetros Inspección

Ciclos 4

Frecuencia excitación 0.05 Hz

Modulación Seno

Nº imágenes 600

Método evaluación: Lock‐in/Phase

1 3

2 4

5

Patrón laminado sólido carbono /epoxi. Defectos: delaminaciones, inclusiones y sobreapilamiento

Inspección patrón laminado fibra de carbono: Lock-in reflexión

Falta adhesión 30 x 30

PATRÓN DEFECTOS ADHESIVADO 450mm x 250mm

Inclusiones Vacío adhesivoD 30aprox

PATRÓN DEFECTOS ADHESIVADO 450mm x 250mm

Burbujas de aire


Patrón unión adhesiva: Transient transmisión

Ambas imágenes proceden de la misma secuencia, y se corresponden con distintos instantes (izda 6/150, dcha 23/150)A 5mm de profundidad (imagen 6/150) se detectan el conjunto de defectos Vaciado (1), burbujas (2), falta de adhesión (3) e inclusiones (4). Además se observan poros/burbujas de aire no controlados, en la masa del adhesivo (5).A 10mm de profundidad (imagen 23/150) se detecta con claridad el vaciado de adhesivo (6), junto con la presencia, una vez más, de aire no controlado (7).

Parámetros de inspección

Tiempo inspección 1200 sg

Tiempo excitación 60 sg


Nº imágenes 150

Método evaluación: e‐model

Patrón unión adhesiva. Sustratos fibra de vidrio/epoxi + adhesivo epoxi bicomponente. Defectos: poros, inclusiones, defecto de adhesivado

1

2 4

3

56

7

Parámetros inspección

Tiempo inspección 50

Tiempo excitación 5


Nº imágenes 750

Método evaluación: Root model

En ambos casos se aprecian diferentes grietas concéntricas en el gel coat, producidas por el impacto en la superficie de la pieza (1). Además se aprecia rotura de fibras en la inmediación de la zona de impacto (2), especialmente visibles en la probeta 2 (h=1000mm).Se pueden apreciar dos bandas oscuras, correspondientes a las resina acumulada en las ranuras del núcleo de espuma de PVC (3).La zona oscura en la parte inferior derecha de la pieza es una mancha en la superficie del gel coat (4).

2

13

4

3

2

1


Componente Eólico: Borde ataque de pala eólica sometido a impacto (IDEKO)

- La TA se presenta, en general, como una herramienta válida para la detección de defectos en piezas fabricadas en materiales compuestos.

- Los tiempos de preparación del ensayo son cortos, así como los tiempos de inspección (segundos en el caso de reflexión, minutos en transmisión, dependiendo de espesores y materiales).

- El área de inspección dependerá de la resolución de la cámara, del sistema de radiación de calor y de la relación dimensión mínima de defecto/grado de definición requerida. Se pueden inspeccionar áreas del orden de 0.5m2-1 m2 por actuación.

- La rapidez del método, la no necesidad de preparación de la pieza y las áreas que se pueden inspeccionar permiten plantear la TA como herramienta complementaria a otras tecnologías ya asentadas en determinados sectores.

- Dadas sus características (velocidad, no contacto, área de inspección, facilidad de automatización), la TA es asimismo viable como método de inspección en etapas intermedias de la producción.

- Es importante tener en cuenta las limitaciones que presenta el método, siendo las más destacables:

- Profundidad a la que se encuentra el defecto, dimensión y naturaleza del mismo.

- Necesidad de que el defecto implique una alteración en el flujo de calor dentro de la pieza, con respecto a su entorno.

- La extrapolación de la sistemática de inspección a distintos tipos de pieza no es inmediata. Dependencia de la geometría, espesor, tipología de material, etc.

- Para que el método sea una herramienta robusta de inspección es necesario:

- Conocimiento en profundidad del componente, naturaleza de los materiales, configuración, etc.

- Buena definición de la tipología de defecto buscado

- Diseño y fabricación de patronaje específico, que permita establecer de antemano parámetros y criterios de identificación de defectos.

Impresiones generales: La Termografía Activa aplicada a la inspección de daño en compuestos


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Zaragoza, 24 de Febrero de 2011

I+D+i en inspección de daños: La Termografía como herramienta para la detección de

daño en materiales

Dr. Miguel Lizaranzu FernándezLaboratorio Materiales

Instituto Tecnológico de Aragón (ITA)

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