MATERIALI COMPOSITI: quali richieste per i cnd? · essere multiplexato su matrici di grandi...

15° Congresso AIPnD, Trieste 23-26 ottobre 2013

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MATERIALI COMPOSITI: quali richieste per i cnd?

Claudio Cappabianca

Associazione Italiana Prove non Distruttive e Monitoraggi, via Foresti 525127 Brescia

[email protected]

Keywords: delaminazione, radiografia, ultrasuoni, shearografia

Abstract Vengono descritti quali siano i controlli non distruttivi necessari alla qualifica e alla

ispezione dei componenti realizzati in materiali compositi in relazione anche ai fattori

costi/benefici.

1 Introduzione Il mondo industriale dovendo rispondere ad esigenze di economicità, sicurezza ed ancora a

maggiori sollecitazioni meccaniche, termiche, corrosione ricorre sempre più frequente all'uso

diffuso di materiali compositi.

1.1 Definizione materiali compositi

La locuzione materiali compositi individua manufatti composti in forma tridimensionale di

due o più componenti con interfaccia di separazione. Il risultato è un manufatto avente

caratteristiche chimico/fisiche nettamente differenti dai materiali costituenti. I compositi

tipicamente hanno comportamento elastico lineare e fragile, ciò determina la loro rottura

senza passare attraverso una deformazione plastica e nessuna deformazione permanente. Altra

caratteristica è la loro anisotropia, l'orientamento delle fibre viene selezionato in funzione

delle sollecitazioni previste.

1.2 Campi di utilizzo dei materiali compositi

I settori di maggiore utilizzo sono laddove sono richieste elevate prestazioni meccaniche e

basso peso, vedi tabella 1.

Settore Applicazione

Aeronatico Parti di ala, code, fusoliere, pannelli interni, pale di elicottero

Automotivo Parti di carrozzeria, spoiler, cabine per camion, pannelli porta strumenti

Civile, edilizia Condotte sotterranee, elementi di rinforzo per il recupero, recinzioni

Nautico Scafi, vele, ponti, profili strutturali, alberi, cordame

Sportivo Canne da pesca, mazze da golf, biciclette, sci, canoe, racchette da tennis

Tab. 1 - Campi di applicazione

E' bene ricordare che anche il cemento armato può essere compreso nei materiali compositi,

come tanti altri: conglomerati legnosi etc. In questo articolo vengono presi in considerazione

solo quei materiali aventi per base fibre tipo silicio, carbonio, boro, fibra aramidica, o anche

fili metallici, inglobate in una matrice di resina non avente compiti essenziali di resistenza

meccanica ma funzione di coesione tra le fibre e tra i vari strati costituenti il manufatto. Le

resine utilizzate sono: poliestere, vinilica, epossidica, fenolica. Le fibre,in genere, sono

disposte in direzione longitudinale e hanno il compito di assicurare resistenza e rigidezza

meccanica, mentre la matrice funge da tessuto connettivo tra le fibre.

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2 Difetti tipici dei materiali compositi Se si escludono i difetti nelle fibre si possono verificare:

• difetti in fase di lavorazione:

� sovrabbondanza o mancanza di resina

� rottura delle fibre

� inclusioni di materiali estranei

� non omogeneità nella distribuzione delle fibre o orientamento non previsto

• difetti in fase di esercizio

� cricche nella matrice

� delaminazioni

� rottura delle fibre

� distacchi fibre/matrice

� creep

� fenomeni corrosivi

3 Controlli non distruttivi I compositi hanno applicazione nei campi produttivi più disparati, come già mostrato in

tabella 1, ma hanno richiesto e richiedono un maggiore sviluppo delle tecniche di controllo

non distruttivo per assicurare qualità, efficienza e sicurezza. A differenza dei metalli essendo i

compositi, materiali anisotropici, la formazione di un difetto in essi è generalmente seguita da

una crescita relativamente veloce e con legge esponenziale: la fatica può iniziare molto prima

del cedimento e la formazione di cricche di fatica può in alcuni casi, a causa della intima

struttura del laminato, subire un arresto e non portare affatto alla rottura dell’elemento.

I metodi maggiormente impiegati o utilizzati in fase di fabbricazione e esercizio sono:

• radiografia

o classica/digitale

o tomografia

• ultrasuoni

o A-B-C scan

o MIA

• shearografia

Fig.1 Tessuti mono e biassiali

Fig.2 Cricche


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• termografia

• emissione acustica

4 Radiografia

La radiografia sia tradizionale, sia la CR o DR (computer radiography e digital radiography) è

in grado di rilevare difetti del tipo, vedi figura 3a-b-c:

• variazioni della densità sia nella matrice sia nelle fibre

• rottura delle fibre

• disallineamento delle fibre

La rivelazione dei inclusioni gassose prevede che queste abbiano una dimensione, parallela al

fascio di radiazione; la rivelazione di sacche d'aria queste devono avere una dimensione

parallela al fascio di radiazioni approssimativamente uguale o maggiore del 2% al materiale

adiacente. Sono, invece, difficilmente rivelabili delaminazioni, cosa invece possibile con la

tomografia, vedi figura 4 e 5. In alcuni casi, ad esempio, per meglio visualizzare difetti aperti

in superficie, danni da impatto, è possibile incrementare il contrasto utilizzando opportuni

mezzi di contrasto quali il diiodometano (o ioduro di metilene), o il tetrabormoethane (TBE),

che avendo un coefficiente di assorbimento molto superiore rispetto ai materiali compositi

permettono di individuare difetti altrimenti poco visibili. Il fluido viene applicato sulla

superficie del campione prima dell'esame e lasciato penetrare per circa 30 minuti.

A B C Fig.3 A- Orientamento delle fibre, B- Distribuzione matrice e porosità, C- Struttura in honeycomb

Fig.4 Radiografia di danno da impatto

Fig.5 CT delaminazione e cricche nella matrice in

composito sp. 4 mm

Fig.6 Rottura di fibre


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L'utilizzo di microtomografi con risoluzione di 1-10 µm permette l'individuazione di difetti

anche di pochi micron all'interno del componente: rotture di fibre, difetti nella matrice,

cricche da invecchiamento, assemblaggi scorretti, figure 6 e 7. I microtomografi vengono

utilizzati nello studio di compositi di laminati fibro-rinforzati, e utilizzano sorgenti micro-

fuoco con sistemi con precisione micrometrica per la movimentazione dell'oggetto. Il costo di

questi sistemi è giustificabile nel controllo di componenti ad alto valore aggiunto ad esempio:

componenti elettronici, aeronautici.

5 Metodi ultrasonici Sicuramente i metodi ad ultrasuoni sono i più utilizzati per controllare compositi fibro-

rinforzati: le visualizzazioni nelle modalità A, B e C scan. Le visualizzazioni in B e C scan

consentono di individuare spazialmente il difetto; in questi casi l'ispezione richiede l'ausilio di

scanner per la movimentazione delle sonde e necessariamente l'accoppiamento sonda/oggetto

avviene o con opportuni squirter o immergendo l'oggetto in apposite vasche, figura 8.

Il metodo phased array permette la generazione di un fascio focalizzato. Il fascio può anche

essere multiplexato su matrici di grandi dimensioni. Nel controllo di compositi, la scansione

con angolo 0° viene eseguita eccitando in successione gli elementi. I vantaggi di usare questa

tipologia di sonde sono molteplici: velocità di ispezione, maggiore copertura dell’area in

ispezione, risoluzione. I dati immagazzinati possono essere analizzati successivamente e

visualizzarli nelle modalità A, B e C-scan, figura 9.

Fig. 7 A sinistra CT dislocazione di fibre, adestra compositi

Fig.8 Ispezione ci componenti aeronautici con squirter e robot

antropomorfo


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5.1 Misura dell’impedenza meccanica (MIA), Pitch catch

Si utilizza una sonda doppia, trasmittente ricevente, il segnale viene analizzato in ampiezza e

fase e la misura rivela la rigidità del componente in esame. La sonda applica un'oscillazione

forzata localizzata nella zona in esame. L’analisi è del tipo comparativo, quindi è necessario

avere provini con difetti noti. Il metodo è maggiormente utilizzabile per la rivelazione di

difetti paralleli alla superficie della struttura e non richiede mezzi di accoppiamento. La

misura dell’impedenza meccanica è particolarmente utile per rivelare difetti paralleli alla

superficie, e quindi delaminazioni tra la struttura a nido d’api e il lamierini esterno

(honeycomb); il C-scan in immersione, difficilmente utilizzabile in campo, è particolarmente

adatto per l’individuazione di difetti molto piccoli. La misura dell’impedenza meccanica

prevede l’utilizzo di una sonda doppia, una trasmittente e l’altra ricevente, con larghezza di

banda di 1 MHz con lo scopo di indurre nel composito una oscillazione forzata. Il segnale

ricevente viene opportunamente filtrato e opera su una lunghezza d’onda di circa ½ rispetto

alla frequenza di risonanza del componente esente da difetti; in presenza di essi la rigidità

diminuisce e quindi verrà ridotta la frequenza di risonanza, oltre alla diminuzione dell’eco di

fondo, equazione 1. La sensibilità del metodo è particolarmente efficace per rivelare difetti

paralleli alla superficie,ad esempio skin-core difetti nelle strutture a nido d'ape. La

visualizzazione del segnale può essere in: Pitch catch (RF, impulso e sweept), MIA

(Mechanical Impedence Analysis), Risonanza. La modalità Pitch catch viene impiegata per

ispezionare i materiali compositi a nido d'ape. La sonda trasmittente invia energia acustica

nell’oggetto e una sonda ricevente ne registra l’eco attenuato dai componenti della struttura.

Quando vi è un’area difettata, la quantità di energia restituita al ricevitore è maggiore e quindi

il risultato visibile è l’incremento dell’ampiezza. In letteratura si cita che un’area di no-

bonding di circa 25x25 mm può essere rivelata nella parte inferiore di una struttura

honeycomb, figura 10 e 11.

Fig.10 Metodo MIA

Fig.9 Difetti da impatto Diversi tipi di visualizzazione A,B,C-Scan e Phased Array


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dove:

h= profondità del difetto

r = raggio del difetto

E = modulo di Young del materiale sopra il difetto

E = modulo di Young del materiale sopra il difetto

R = densità del materiale

= rapporto di Poisson del materiale sopra il difetto

Ancora, è da ricordare il metodo per Risonanza, figura 12, in questo caso la sonda ad

ultrasuoni viene eccitata alla frequenza di risonanza del componente in ispezione. Un

componente in cui sia presente una delaminazione la frequenza di risonanza sarà determinata

dalla frequenza di risonanza dello strato superiore, e data dall'equazione 2:

dove:

h = la profondità del difetto

r = raggio del difetto

E= modulo di Young dello strato sopra il difetto

ρ = densità del materiale

ν = rapporto di Poisson dello strato sopra il difetto

L'equazione fa riferimento alla frequenza di risonanza al centro dello strato e il diametro del

difetto deve essere ≤ 20 volte lo spessore dello strato; in pratica la frequenza di risonanza è

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Fig.12 Metodo risonanza

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Piano impedenza

Modalità MIA RF con split scan Fase, ampiezza e

curve di

riferimento

Pitch catch in RF

Fig.11 Visualizzazioni relative ai vari metodi di ispezione


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funzione della profondità cui si trova il difetto, della dimensione del difetto e ovviamente

dalle caratteristiche dell'area circostante.

In alcuni casi, la profondità dell’eventuale distacco può essere correlata alla rotazione di fase

del segnale. Vantaggio del metodo di risonanza è di non avere bisogno di nessun mezzo di

accoppiamento tra sonda e oggetto.

6 Termografia Il metodo termografico attualmente è uno dei metodi maggiormente impiegato grazie alla

velocità e in molti casi alla facilità di ispezione.

6.1 Termografia transitoria

Il metodo della variazione della temperatura in transitorio permette di identificare, tramite

misure comparative, la quantità di fibre di carbonio nel composito, figura 13.

6.2 Termografia flash

Nel caso di metodo pulsato il calore viene applicato con lampada flash allo xeno o con

lampada alogena, ma per i compositi, avendo questi una bassa conduttività termica, è

possibile la rivelazione di soli difetti superficiali. Ma il metodo si è rivelato efficace per

evidenziare difetti quali la corrosione sotto la verniciatura: in questo caso sono state utilizzate

lampade da 6 kJ con impulsi da 2 msec.

6.3 Termografia lock-in

Il metodo lock-in prevede che la sollecitazione termica indotta al campione in esame sia del

tipo sinosuidale, solitamente si utilizzano lampade alogene la cui intensità viene modulata con

frequenza ω; in alcuni casi, l’eccitazione termica può essere generata da ultrasuoni ad alta

energia con trasduttori del tipo piezo-ceramici. L'interferenza tra l'onda sinosuidale

superficiale e l'onda termica che proviene dall'interno dell'oggetto determina variazione in

fase e ampiezza dovute agli eventuali difetti; con frequenze comprese tra 0.01 e 1 Hz si

possono individuare difetti dell'ordine di pochi millimetri dislocati a profondità massima di 5

mm. Questi dati sono riferibili a compositi CFRP e i risultati sono strettamente paragonabili a

quelli ottenuti con esami ultrasonori e MIA: il vantaggio deriva dalla maggiore velocità di

ispezione non necessitare di sistemi di movimentazione sonde e mezzi di accoppiamento, ma

sopratutto di essere facilmente applicabile a geometrie complesse. Per contro, la forma del

difetto non è precisa come nel caso di utilizzo di C-scan, sebbene con opportuna analisi del

segnale è possibile ridefinire i margini del difetto. E' fondamentale la selezione della

frequenza dell'onda termica per potere rivelare difetti piccoli e determinarne la loro

dislocazione. sopratutto di essere facilmente applicabile a geometrie complesse. Per contro, la

forma del difetto non è precisa come nel caso di utilizzo di C-scan, sebbene con opportuna

analisi del segnale è possibile ridefinire i margini del difetto, in figura 15 una comparazione

dei difetti rivelabili con ultrasuoni e con termografia lock-in.

Fig.13 Variazione temperatura in funzione del contenuto di fibre


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La selezione della frequenza dell'onda termica è determinante per potere rivelare difetti

piccoli e rilevarne la loro dislocazione, figura 14.

Il metodo lock-in è particolarmente indicato per la rivelazione di:

• inclusioni di aria o acqua, figura 16

• danni da impatto, delaminazioni, mancanza di adesione

• caratterizzazione di grandi componenti

Infine, in particolari casi la sollecitazione termica è ottenuta con correnti indotte, eddy-current. La

profondità di ispezione dipende dalla conducibilità dell’oggetto e dalla frequenza della sonda

eccitatrice, l’analisi dell’angolo di fase rivela i difetti. La frequenza della sonda è di circa 10÷40 Hz

con potenza fino a 10 kW, in figura 17 vengono mostrati difetti da danno di impatto e l'energia

termica è ottenuta con eddy-current.

Fig.15 Aree di difettosità individuabili con metodi ultrasonori e

termografici

Fig.16 Inclusioni di acqua

Fig.17 Danni da impatto

Fig.14 Visualizzazione di difetti artificiali con termografia lock-in


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7 Shearografia

La shearografia, riconducibile alla interferometria olografica, è un metodo ottico che rende

possibile la rivelazione di eventuali deformazioni della superficie dell’oggetto in esame in

relazione al carico della struttura. La sollecitazione e quindi il carico può essere indotto a

mezzo di calore, pressione o vibrazione; gli eventuali difetti vengono evidenziati per

differente deformazione rispetto alle zone circostanti non difettate. Una sorgente laser viene

utilizzata per produrre un fronte sferico che illumina la superficie da ispezionare; il risultato

per una superficie piana, in assenza di deformazioni o difetti, è un interferogramma mostrante

una serie di anelli concentrici bianchi e neri, fig.18.

Il sistema sherografico, vedi fig.19, è composto da:

• laser per l’ispezione del componente

• interferometro (shearing interferometer) avente il compito di visualizzare

l’interferenza dovuta alla collimazione di due fasci non coincidenti

• computer per il processamento, l’archiviazione dei dati, controllo del sistema.

� un fascio di luce generato da un laser, con potenza di circa 150 mW colpisce,

“illumina” l’area da esaminare;

� uno specchio oscillante ne cattura l’immagine,”sheared image” e la sposta in fase

rispetto alla immagine fissa originaria. La quantità dello spostamento determina un

vettore il cui angolo è riferibile allo spostamento ed è un importante fattore, oltre ad

altri, influenzante la sensibilità della misura;

� le due immagini laser derivanti dalla sollecitazione dell’area in esame, in offset del

vettore spostato, andranno ad interferire con frange appaiate sulla superficie

dell’oggetto;

� una telecamera CCD ne registra la luce riflessa dell’oggetto, immagine

interferometrica (speckle).

Fig.18 Ologramma di area senza difetti

Fig.19 Schema di funzionamento di un sistema shearografico


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Fig.20 Struttura in Honeycomb 700x500 mm tempo di ispezione circa 20 sec. Pressurizzazione dall’interno

In ottica il termine speckle definisce l’immagine puntiforme formata allorché un fascio di luce

coerente viene fatto passare attraverso un mezzo disordinato. L’immagine prodotta deriva da

un variazione di fase casuale del fascio incidente. La telecamera registrerà una serie di onde,

immagini, coerenti ma con fase casuale che per alcune direzioni saranno costruttive e per altre

distruttive: ecco quindi il formarsi di una immagine interferometrica con anelli chiari e scuri.

In effetti, le due immagini speckle, spostate in fase vengono focalizzate sull’elemento

sensibile di una videocamera CCD. Ciascun frame è la sommatoria complessa dei due speckle

e possono essere sottratte da una immagine preregistrata e di riferimento; il risultato viene

direttamente osservato sul monitor. I risultati ottenuti sono mostrati in figura 19 e 20. In

tabella 3, vengono riportati i vari metodi di sollecitazione in relazione alla tipologia del

composito da analizzare e dei difetti da rivelare.

SHEAROGRAFIA: Metodi di sollecitazione e difetti rivelabili

Sollecitazione Difetti rivelabili

Termica con ∆ = 1÷40 °C Danni da impatto – delaminazioni- scollamenti

Depressione Scollamenti in strutture Honeycomb – danni nel core –

scollamenti all’interno del core

Vibrazioni Scollamenti – delaminazioni in laminati solidi o nel core di

strutture honeycomb metalliche

Pressione Danni da impatto – delaminazioni delle fibre in

contenitori a pressione

Tab.3 - Metodi di sollecitazione e difetti rivelabili

Conclusioni Per brevità non vengono descritti altri tipi di controlli quali emissione acustica, fibre di

Bragg,ecc, ma è evidente che solo la sperimentazione, l'analisi specifica delle sollecitazioni e

l'uso cui i componenti sono destinati determineranno la scelta dei metodi impiegabili. Ad

esempio nel corso dell'esercizio saranno preferibili metodi ottici, metodi che non comportano

contatto, non escludendo a priori metodi ampiamente usati come gli ultrasuoni. In tabella 4

vengono descritti le capacità dei vari metodi di controllo.

Metodo Difetti rivelabili Affidabilità Sensibilità Velocità Uso Costo

US delaminazioni,

inclusioni,cricche,

buona specie in

sistemi

in genere alta scarsa scarsa Basso/

alto

Fig. 19Visualizzazione di difetti


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allineamento fibre automatici

RX c.s. buona buona buona media Basso/

alto

Termogr. delaminazioni,

adesione,

delaminazioni

buona media per

delaminazioni o

inclusioni

buona media medio/

alto

Sherogr. delaminazioni,

inclusioni

buona buona alta media medio/

alto

EA cricche,

delaminazioni,

propagazione

cricche

buona buona alta media alto

Tab.4 - Metodi, difetti rivelabili, peculiarità

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