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Valutazione non distruttiva di danni da servizio in strutture aeronautiche in composito mediante termografia e shearografia

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La Termografia e la Shearografia sono annoverate tra le tecniche ottiche e termografiche che nel corso degli anni sono state impiegate per le valutazioni non distruttive (CND) dei materiali aeronautici. Fondamentalmente, l’attività di ricerca e sviluppo effettuata presso i laboratori dell’Aeronautica Militare è stata finalizzata sia al consolidamento che all’ottimizzazione dei metodi innovativi, per redigere nuove procedure impiegabili nell’espletamento dell’attività manutentiva. L’argomento presentato mira ad introdurre una rassegna delle applicazioni più importanti della shearografia e della Termografia attiva eseguite presso il Reparto Chimico del Centro Sperimentale di Volo. In merito a ciò, sia la termografia che la shearografia sono due tecniche non a contatto che consentono la rapida effettuazione di test CND da campo su larghe parti dell’aeromobile, per l’individuazione di difettologie di servizio sia in materiali metallici che compositi. Le due tecniche si basano su principi diversi in relazione al meccanismo con il quale permettono di verificare la presenza di aree danneggiate. In particolare, il metodo termografico, nelle sue varianti, viene utilizzato per osservare la distribuzione termica superficiale, ottenuta a seguito dell’imposizione di una stimolazione esterna preliminare, che al livello locale tende ad assumere un profilo anomalo causato dalla presenza di un difetto. Al contrario, la tecnica shearografica consente di osservare le deformazioni fuori dal piano correlate alla presenza di difettologie, localizzate sotto-pelle, rilevabili mediante l’applicazione di forzanti esterne modulabili e sincronizzabili con il sistema di acquisizione. L’obiettivo che questa breve dissertazione si prefigge è quello di illustrare i vantaggi e le limitazioni di entrambe le tecniche per la valutazione non distruttiva dei materiali aeronautici in comparazione con le metodologie CND attualmente previste dai protocolli manutentivi sia di Forza Armata che dei principali Prime Contractors nazionali operanti nel settore.

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Valutazione non distruttiva di danni da servizio in strutture aeronautiche in composito mediante termografia e shearografia

  1. 1. 09/05/2017 “VALUTAZIONE NON DISTRUTTIVA DI DANNI DA SERVIZIO IN STRUTTURE AERONAUTICHE IN COMPOSITO MEDIANTE TERMOGRAFIA E SHEAROGRAFIA” Magg. Giovanni De Angelis Ten. Col. Laura manduchi Col. Manuele Bernabei Compositi 4.0 – La nuova Generazione Relatore: Magg. G.A.r.n. Giovanni De Angelis
  2. 2. Contenuti 09/05/2017 • Introduzione: ✓ Motivazione & Obiettivi ✓ Approccio • Indagini Non Distruttive : ✓ Difettologia ✓ Metodi CND di indagine ▪ Termografia infrarossa (TT); ▪ Shearografia digitale (ST) • Applicazioni ✓ Background Sperimentale ✓ Casi studio • Conclusioni & Lavori Futuri Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  3. 3. Introduzione Obiettivi • Background Sperimentale ▪ Standardizzazione preliminare • Indagini CND su parti strutturali ▪ Individuazione danni di servizio ▪ Verifica dell’applicabilità dei metodi TT e ST in campo Approccio 09/05/2017 • Impiego metodi non a contatto ▪ Metodo Shearografico (ST) ▪ Metodo Termografico (TT) • Esami in laboratorio • Esami su parti non efficienti • Impiego dei sistemi in campo • Impiego metodi tradizionali Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  4. 4. Delaminazioni meccanismo 1.Pull-Out 2.Fiber-Bridging 3.Debonding 4.Fiber Breaking 5.Transverse Matrix Cracking 09/05/2017 Indagini Non distruttive Difettologia - Delaminazioni Meccanismo Intra-LaminaMeccanismo Inter-Lamina Funzione dello sforzo di taglio Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  5. 5. Indagini Non Distruttive Difettologia - Danni da impatto 09/05/2017 Pine – Tree - Shape Compositi 4.0 – La nuova Generazione Riduzione della rigidezza della struttura Dissipazione dell’energia durante l’impatto Aumentano all’aumentare degli sforzi di taglio interlaminare
  6. 6. Integrità Honeycomb 09/05/2017 • Distacco core-skin; • Distacco skin-skin; • Infiltrazione acqua; • Crashed/failed core; • Corrosione. Indagini Non Distruttive Danni da impatto Settore Aeronautico Strutture Al/Composito Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  7. 7. Indagini Non distruttive Metodo termografico 09/05/2017 Termografia a stimolazione ottica (TT) Termografia a stimolazione ultrasonora (BPT) - Thermosonics - Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  8. 8. Indagini non Distruttive Metodo Shearografico 09/05/2017 Thermal Loading Dynamic LoadingVacuum Loading Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  9. 9. Background sperimentale Termografia ottica - Shearografia 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione 0.1 Hz ⇒ 1.5 < z < 2 mm 0.04 Hz ⇒ 2.75 < z < 3.75 mm d1 d4 Termografia transiente e Lock-inShearografia (ST) thermal – dynamic loading
  10. 10. Background sperimentale Shearografia dinamica 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione Analisi delle frequenze di vibrazione
  11. 11. 0 90° +45 ° -45° (1) 0.00 (2) 0.25 (3) 0.50 (4) 0.75 (5) 1.00 (6) 1.25 (7) 1.50 (8) 1.75 (9) 2.00 (10) 2.25 (11) 2.50 (12) 2.75 (13) 3.00 (14) 3.25 (15) 3.50 (16) 3.75 Background sperimentale Thermosonics Valutazione danni da impatto 09/05/2017 BVID (Barely Visible Impact Damage) 5 J < E < 25 J Compositi 4.0 – La nuova Generazione 1° Batch : 12 J 2° Batch : 8 J 3° Batch : 20 J CmIMn
  12. 12. Background sperimentale Provini da laboratorio - Valutazione danni da impatto 09/05/2017 Estensione danno da impatto 314 <A (mm²)< 1100 mm² Footprint del danno Compositi 4.0 – La nuova Generazione TT: Termografia a stimolazione ottica BPT: Thermosonics US: metodo ad ultrasuoni
  13. 13. 09/05/2017 13 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 AREAbyTT,OMNISCAN,BPT/AREAby METALSCAN Superficie impattata TT OMNISCAN BPTupper bound perfect match lower bound C1IM1 C1IM2 C1IM3 C2IM1 C2IM2 C2IM4 C3IM1 C3IM2 C3IM3 Background sperimentale Comparazione risultati Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  14. 14. Background sperimentale Considerazioni 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione ➢ Standardizzazione preliminare in laboratorio ▪ Termografia a stimolazione ottica (TT) ▪ Thermosonics ▪ Shearografia ➢ Passaggio dalla scala di laboratorio a quella da campo. ➢ indagini su parti strutturali non efficienti degli aeromobili. Difetto artificiale Difetto reale
  15. 15. Applicazioni (1) Wing sub-assembly - identificazione danni da impatto 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  16. 16. Applicazioni (1) Termografia – shearografia procedura standard Acquisizione background termico Cattura immagini termiche Inizio Eccitazione Risposta strutturale Fine stimolazione processamento Correzione Stimolazione N Y OUT Analisi risposta strutturale ST Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  17. 17. Applicazioni (1) Identificazione danni da impatto Pannello in composito rinforzato Indagine CND 09/05/2017 200 mm f= 6.10 KHz d= 26.5 mm z= 0.5 mm Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  18. 18. Applicazioni (2) Tecnologia dei materiali Inconveniente di volo 09/05/2017 Materiali CompositiRiduzione del peso Superfici Vulnerabili Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  19. 19. Applicazioni (2) Procedura metodo UT 09/05/2017 A B S T I F F N E R C D Fairing Assembly Composite panel Regions of Interest (ROI) Investigated (A): (1.7 – 2.1) mm of thickness. (B): (3.6 – 4.0) mm of thickness. (C) and (D): (2.6 – 4.9) mm of thickness. Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  20. 20. 09/05/2017 (a) back Wall echo in corrispondenza dello skin esterno; (b) Back Wall echo in corrispondenza dello stiffener; (c) & (d) Valutazione dell’estensione dell’area danneggiata per le regioni frontale e posteriore del particolare. W=30 mm L=100 mm W L Applicazioni (2) Procedura metodo UT Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  21. 21. Applicazioni (2) Metodo termografico Termografia a stimolazione ottica Termografia a stimolazione US - Thermosonics - 09/05/2017 Transiente/Lock-in Compositi 4.0 – La nuova Generazione Crack Disbond
  22. 22. Applicazioni (2) Metodo shearografico Shearografia a stimolazione dinamica Shearografia a stimolazione termica 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  23. 23. Applicazioni (3) Velivolo AMX – Indagini CND su parti non efficienti 09/05/2017 Localizzazione dei componenti non efficienti pervenuti Compositi 4.0 – La nuova Generazione Stabilizzatore in composito
  24. 24. Applicazioni (3) Velivolo AMX – Stabilizzatore orizzontale 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  25. 25. Applicazioni (3) Indagine termografica – Stabilizzatore orizzontale 09/05/2017 Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  26. 26. Applicazioni (3) Indagine UT – Stabilizzatore orizzontale 09/05/2017 Definizione contorni aree danneggiate Compositi 4.0 – La nuova Generazione • Impiego di una singola sonda dritta (20 MHz) • Impiego di un apposito blocco di riferimento per le calibrazioni preliminari S2 S3 In dotazione ai Reparti di Manutenzione A.M.
  27. 27. Conclusioni 09/05/2017 Evidenze sperimentali Termografia e shearografia •Rapida esecuzione delle prove; •Metodologie non invasive e panoramiche; •Valutazione qualitativa/quantitative delle difettologie tipiche di una struttura in composito; •Caratterizzazione particolari F/U per il training del personale e comparazione con metodi classici. Lavori Futuri e/o in corso • Prove su parti in honeycomb in campo mediante ST (thermal e Vacuum loading); • Prove in campo su strutture in composito laminati ed a nido d’ape (TT); • Preparazione procedure operative. Compositi 4.0 – La nuova Generazione
  28. 28. Grazie per la vostra attenzione 09/05/2017 Per altre informazioni si riportano i punti di contatto: Magg. Giovanni DE ANGELIS giovanni.deangelis@aeronautica.difesa.it T. Col. Laura MANDUCHI laura.manduchi@aeronautica.difesa.it Col. Manuele BERNABEI manuele.bernabei@aeronautica.difesa.it Compositi 4.0 – La nuova Generazione

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