Vetorix: NDI methods in composites structures inspections

1. La termografia pulsante at-tiva
o Flash Thermography
è una tecnica termografica
attiva usata in ambito NDI
(Non Destructive Inspection)
per l’analisi su materiali me-tallici,
ceramici, polimerici
e compositi.
I difetti analizzabili sono:
delaminazioni; verifica in-collaggi;
danneggiamenti da
impatto; inclusioni di acqua;
inclusioni di gas; analisi
dello spessore; verifica del-l’isolamento
termico; poro-sità;
rottura di fibre.
L’applicazione della Flash
Thermography (Fig. 1) è
standardizzata da una linea
guida (E 2582 - 07: Standard
Practice for Infrared Flash
Thermography of Composite
Panels and Repair Patches
Used in Aerospace Applica-tions)
emessa dalla ASTM
nell’ambito dello studio
delle tecniche emergenti.
Nelle immagini si possono
notare i risultati delle analisi
Fig. 1 - Flash thermography Fig. 5 - Analisi di giunzione ibrida metallo-CFRP
con la termografia pulsata
attiva; infatti in figura 2 è il-lustrato
un caso di delami-nazione
in composito CFRP,
in figura 3 voids in compo-sito
laminato manualmente
e curato con tecnica del “sacco
a vuoto”, in figura 4 l’analisi
LABORATORIO
di pannello sandwich di ho-neycomb
di alluminio in pre-senza
di inclusioni di acqua
dovuta alla condensa e in fi-gura
5 analisi di giunzione
ibrida metallo-CFRP.
L’analisi non distruttiva ne-cessità
della termografia at-tiva,
questo perché studiare la
struttura interna di un mate-riale,
di qualsiasi natura, si-gnifica
energizzare il sistema
e studiarne la risposta, in so-stanza
questo è il concetto
fondamentale delle analisi
non distruttive. Nel caso ter-mografico
dobbiamo stimo-lare
termicamente ilmateriale
e, sfruttando la termografia
IR, studiarne la risposta.
Come si può osservare nella
figura 6, le modalità di sti-molazione
termica sonomol-te:
per convezione ventilando
Flash thermography is an active
technique used in NDI (Non De-structive
Inspection), with the
purpose of analyzing metals, ce-ramics,
polymers and composite
materials.
Discontinuity that can be de-tected
are: Delaminations;
Bonding; Impact damages;Wa-ter
inclusions; Voids; Thickness
measurements;Thermal Barrier
Coating analisys; Porosity;
Fiber cracking.
The use of flash thermography is
described by a standard prac-tice
(E 2582 - 07: Standard
Practice for Infrared FlashTher-mography
of Composite Panels
and Repair Patches Used in
Aerospace Applications) pro-duced
by ASTM in a study of
emerging NDT methods.
In pictures there are the results of
active pulse thermopgraphy; pic-ture
2 is showing delamination in
composite material CFRP, pic-ture
3 voids in manually lay up
and cured in vacuumbag, picture
4 is the analysis of a sandwich
panel of aluminium honeycomb
affected by water inclusions, pic-ture
5 analysis of hybrid junc-tions
metal-CFRP.
Non destructive testing needs ac-tive
thermography, because ana-lyzing
the internal structure of a
material, of any kind, means
transfer energy to the systemand
studying the response, this is the
fundamental of non destructive
analysis. In thermography we
must thermally excite the mate-rial
and, using IR thermogra-phy,
studying the response.
As you can see in Figure 6, ex-citing
techniques are many: con-vection;
blowing hot air,
conduction; contact with hot
material, radiation with light,
which, being the most easy to
play, is used in active thermo-grapy.
The results are thermal images,
which are frames taken from
thermal video after post pro-cessing:
picture 8 is a qualitative
scheme of typical results of
Flash Thermography; hot spot
suggest the presence of a dis-continuity
that works as thermal
insulation, so at the surface we
measure a rising of temperature,
cold spot, the discontinuity is
transferring easily the heat.
Excitation techniques could be:
flash, step, modulated. First two
will analize transient state, in
which only one heat front is
moving through the material;
substantially we analyze only
cooling down, with step we ana-lyze
warming up too.
Modulating thermal excitation
is a completely different con-cept;
this technique, called
Lockin, is driving the material in
LABORATORY
La termografia pulsante attiva
per test non distruttivi
Angelo Colla - Vetorix Engineering
Active Thermography
for Nondestructive Testing
Angelo Colla - Vetorix Engineering
Fig. 5 - Analysis of hybrid junctions metal CFRP
Fig. 6 - Modalità di stimolazione termica
Fig. 6 - Exating techniques
Fig. 2 - Caso di delaminazione
in composito CFRP
Fig. 2 - Delamination in composite
material CFRP
Fig. 3 - Voids in composito laminato
manualmente e curato con
la tecnica del “sacco a vuoto”
Fig. 3 - Voids in manually lay up
and cured in “vacuum bag”
Fig. 4 - Analisi di un pannello
sandwich di honeycomb di
alluminio in presenza di
inclusione di acqua dovuta
alla condensa
Fig. 4 - Analysis of a sandwich panel
of aluminium honeycomb
affected by water inclusions
COMPOSITESOLUTIONS AEROSPACE • n. 1 / 2009 7

2. la discontinuità. Secondo il
modello di pannello infinita-mente
spesso, l’andamento
della temperatura in fun-zione
del tempo decade con
l’inverso della radice qua-drata
del tempo.
Risulta molto più facile ap-prezzare
le differenze di tempe -
ratura graficando il logaritmo
della temperatura sul loga-ritmo
del tempo, come si può
vedere in figura 11.
Nel pannello reale ad certo
un tempo (break time) la
temperatura assume anda-mento
orizzontale, ciò signi-fica
che il fronte termico ha
raggiunto la faccia opposta
(back wall), oppure che ha
incontrato un difetto.
L’informazione sulla profon-dità
è legata al tempo, quindi
al frame del filamto termico,
allo stesso modo analizzando
il grafico della temperatura si
LABORATORIO
può avere l’informazione
sulla profondità del difetto,
avendo legato il tempo alla
profondità. In figura 12 viene
rappresentata una prova spe-rimentale
su un sample block
in CFRP dove sono stati pra-ticati
dei fori a fondo piatto
(Flat Botton Hole), che simu-lano
i difetti a varie profon-dità,
come si può notare
l’andamento della tempera-tura
presenta break time di-versi
per i diversi punti di
misura corrispondenti ai di-versi
difetti. L’analisi su par-ticolari
in CFRP prevede
anche il dimensionamento del
difetto, come nel caso in fi-gura
13 in cui è stato estrapo-lato
il frame relativo alle
indicazioni di inclusioni di ac-qua
in honeycomb di allumi-nio
di un pannello sandwich.
Fig. 13 - Dimensionamento
di un difetto
Fig. 13 - Flaw sizing
Fig. 14
In figura 14 il dimensiona-mento
di un danno da impatto
che si etende oltre alla zona
danneggiata, che è visibile in
superficie.
LABORATORY
uring points corresponding to
different flaws.
Analysis on CFRP samples also
include flaw sizing, as shown in
figure 13, where has been taken
the frame with with water inclu-sions
in Aluminium honeycomb
andwich panel.
In figure 14 the sizing of an im-pact
damage, which has grown
up over the visible damaged
area on surface.
con aria calda, conduzione
a contatto con materiale a
temperatura superiore, irrag-giamento
sfruttando l’illu-minazione
opportunamente
calibrata, che essendo più fa-cilmente
controllabile è la
Fig. 7 - Frame del filmato termico
post processato
Fig. 7 - Frames taken from thermal
video after post processing
tecnica usata nella termogra-fia
attiva.
I risultati sono delle imma-gini
termiche, che corrispon-dono
a determinati frame del
filmato termico post proces-sato;
in figura 8 è rappresen-tato
lo schema qualitativo dei
risultati tipici della Flash
Thermography; cioè “hot
spot” che indica la presenza
di discontinuità che funge da
isolante termico, quindi in
superficie si registra un au-mento
localizzato di tempe-ratura,
“cold spot”, al contrario
la discontinuità “assorbe” più
facilmente il calore.
Fig. 8 - Risultati tipici della Flash Thermography
Fig. 8 - Results of Flash Thermography
Le modalità di eccitazione si
possono suddividere in: pul-sata
(flash), a gradino (step),
modulata. Le prime due ana-lizzano
uno stato transitorio,
in cui un unico fronte ter-mico
investe il materiale; in
sostanza si analizza la con-ducibilità
termica del mate-riale,
con la flash si analizza
il solo raffreddamento (coo-ling
down), con la step si
analizza anche il riscalda-mento.
La modulazione dell’eccita-zione
termica è un concetto
completamente diverso, tale
tecnica, in gergo chiamata
Lock In, mette il materiale in
uno stato stazionario di vi-brazione
termica, l’analisi
consiste nel processare l’im-magine
termica ottenendo una
mappa di ampiezza ed una di
sfasamento tra la forzante
(cioè l’irraggiamento dato
dalle lampade), detto segnale
di riferimento ed il segnale di
temperatura acquisito dalla
termocamera. Con la Lock
In è possibile eseguire anche
la TSA o analisi termica
dello stress, sfruttanto il
principio della termoelasti-cità.
L’apparato sperimentale
della Flash Thermography
(Fig. 9) è molto “operativo”,
nel senso che è piuttosto
compatto, non necessita di
laboratori attrezzati ed i ri-sultati
sono immediati.
È composto da una termo-camera
integrata in una “te-sta
di misura”, che alloggia
le lampade flash, una unità di
controllo che sincronizza le
lampade con l’unità di ac-quisizione
collegata alla ter-mocamera,
infine un PC per
ospitare il SW di controllo e
post-processamento.
Il processo di analisi non
distruttiva con la Flash Ther-mography
si svolge pas-sando
per i seguenti passi:
c’è una fase iniziale in cui
l’unità di controllo pilota la
procedura di calibrazione
della termocamera (NUC),
acquisisce l’immagine ter-mica
della superficie a
“riposo”, che servirà succes-sivamente
per l’elaborazione
e la “pulizia” del “rumore di
fondo”. A questo punto l’u -
ni t à di controllo comanda il
flash delle lampade secondo
la potenza e per il tempo sta-bilito
durante il setup, suc-cessivamente,
l’unità di
acquisizione registra le im-magini
termiche dalla ter-mocamera.
Infine abbiamo
il processamento del segnale
termico e la generazione del
filmato termico, da cui si
estrapolano i frame che pre-sentano
le indicazioni di di-scontinuità,
l’analisi prevede
anche delle tecniche per di-mensionare
correttamente le
discontinuità.
La propagazione termica in
presenza di discontinuità è
la base dell’analisi dei risul-tati
della Flash Thermogra-phy.
Nel materiale integro il
fronte termico propaga mo-nodimensionalmente
se-condo
un asse ortogonale
alla superficie, in presenza
di difetto la propagazione
tende a diventare bidimen-sionale
nel piano della di-scontinuità.
In figura 10 è
rappresentato lo schema del
modello di propagazione in
presenza di discontinuità: il
difetto 1 tende a isolare il
materiale, il calore inizia a
girare attorno al difetto se-condo
il percorso 2, questo
fa si che in superficie la tem-peratura
nell’area adiacente
al difetto sia maggiore ri-spetto
alle zone integre,
curva 3, inoltre lungo il di-fetto
non è costante con mas-simo
nel punto 4.
L’analisi prevede anche lo
studio dell’andamento della
temperatura dei punti “stra-tegici”
della superficie e
confrontarla con altri punti
in cui si suppone sia presente
LABORATORIO
LABORATORY
a stationary state of thermal vi-bration,
the analysis consist of
post-processing thermal images
obtaining a map of amplitude
and delay between the force
signal (heat from lamps), called
reference signal, and the tem-perature
signal acquired by ther-mocamera.
With Lockin is also
possible to play TSA, thermal
stress analysis, using thermo-elastic
effect.
Experimental apparatus of
Flash Thermography (Fig. 9) is
very handy, this means that is
very compact, does not need a
big workshop, and results are
given in real time. It is made up
of a thermocamera installed in
the “measuring head”, which is
also the casing of flash lamps, a
control unity, which synchronize
acquisition unit with flash
lamps, PC for the SW of control
and post-processing.
Non destructive analysis process
with Flash Thermography goes
through this steps: first, control
unit drives the calibration process
of thermocamera (NUC), then
acquisition unit acquires a ther-mic
image of the surface, that
will be used for the post pro-cessing
and to take out the noise
from signal. Then control unit
will activate the flash lamps,
with the power and for the time
setted, then acquiring unit will
record thermic images from the
thermocamera. Frames will be
extracted when indications of
discontinuity will come up, the
analysis will comprehend meas-uring
techniques.
In Flash Thermography the way
of heat propagation is the base
of the analysis. In material with-out
discontinuity, the heat will
propagate one-dimensional along
an axis orthogonal to the sur-face,
with discontinuity the propa-gation
tends to be two-dimensional
in the plane of discontinuity.
In figure 10 is shown a scheme
Fig. 9 - Apparato sperimentale della Flash
Thermography
Fig. 9 - Experimental apparatus of Flash Thermography
of the propagation when it
reaches a flaw: discontinuity 1
tend to insulate the material, the
heat tends to go around it along
path 2, this will cause an in-crease
of temperature in the area
above the flaw, graph 3, temper-ature
is not constant along the
flaw with max in point 4.
In analysis is going to be studied
the graph of temperature in
some point considered without
flaws, in order to compare it
with other areas with suspects of
Fig. 10 - Modello di propagazione in presenza
di discontinuità
Fig. 10 - Scheme of the propagation when it reaches a flaw
flaws. In the theory of the panel
with infinite thickness, the graph
of temperature decay along the
reverse of square root of the
time.
It will be easier to see difference
in temperature plotting the nat-ural
logarithm of temperature
against natural logarithm of
time, as shown in figure 11.
In the real panel at a certain
time (break time) temperature
will assume a horizontal plot,
this means that the heat has
reached the back wall, or that
has found a flaw.
The information of depth is
linked to the time, therefore a
frame of the thermal movie, in
the same way time will be linked
to depth.
In figure 12 is shown an experi-mental
test on a CFRP sample
block, where was machined flat
bottom holes, which are simu-lating
flaws at different depth,
as we can see temperature time
has break time for differentmeas-
8 AEROSPACE • n. 1 / 2009 COMPOSITESOLUTIONS
Fig. 11 - Differenze di temperatura / Fig. 11 - Difference in temperature plotting
Fig. 12 - Prova sperimentale su un sample block in CFRP
Fig. 12 - Experimental test on a CFRP sample block
Soluzioni innovative
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Gruppo Leader nella
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Costruzione e
Commercializzazione di
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Policristallino
info@embyem.com
info_OK:Layout 1 10-12-2008 17:21 Pagina 29
C U R R I C U L U M V I T A E
Angelo Colla, nato a Jesolo (VE) il 28/09/1972, si
è laureato in ingegneria meccanica a Padova nel
1999 con una tesi di laurea su un banco di prova
per freni. Fino al 2005 ha lavorato nel settore mo-torsport,
curando lo sviluppo e sperimentazione di
automobili da corsa; è stato impegnato nella rea-lizzazione
di sistemi di misura per prove speri-mentali
al banco e su strada. Attualmente in
Vetorix engineering si occupo di tecniche innova-tive
di analisi non distruttiva applicate ai materiali
compositi e di prove meccaniche di caratterizza-zione
dei materiali.
Angelo Colla, born in Jesolo (VE) Italy on
28/09/72, graduate in mechanical engineering at
university of Padova - Italy on 1999 with a doc-toral
dissertation on a testing bench for braking
systems. Untill 2005 he was working in motor-sport,
involved in development and testing of rac-ing
cars; his job was engineering data acquisition
systems for experimental tests on bench and on
the racetrack. Now in Vetorix Engineering he
works on innovative techniques of non destructive
testing on composite materials and mechanical
testing of materials.
COMPOSITESOLUTIONS AEROSPACE • n. 1 / 2009 9