La termografia pulsante at-tiva o Flash Thermographyè una tecnica termograficaattiva usata in ambito NDI(Non Destructive Inspection)per l’analisi su materiali me-tallici, ceramici, polimericie compositi.I difetti analizzabili sono:delaminazioni; verifica in-collaggi; danneggiamenti daimpatto; inclusioni di acqua;inclusioni di gas; analisidello spessore; verifica del-l’isolamento termico; poro-sità; rottura di fibre.L’applicazione della FlashThermography (Fig. 1) èstandardizzata da una lineaguida (E 2582 - 07: StandardPractice for Infrared FlashThermography of CompositePanels and Repair PatchesUsed in Aerospace Applica-tions) emessa dalla ASTMnell’ambito dello studiodelle tecniche emergenti.Nelle immagini si possononotare i risultati delle analisi

con la termografia pulsataattiva; infatti in figura 2 è il-lustrato un caso di delami-nazione in composito CFRP,in figura 3 voids in compo-sito laminato manualmentee curato con tecnica del “saccoa vuoto”, in figura 4 l’analisi

di pannello sandwich di ho-neycomb di alluminio in pre-senza di inclusioni di acquadovuta alla condensa e in fi-gura 5 analisi di giunzioneibrida metallo-CFRP.

L’analisi non distruttiva ne-cessità della termografia at-tiva, questo perché studiare lastruttura interna di un mate-riale, di qualsiasi natura, si-gnifica energizzare il sistema

e studiarne la risposta, in so-stanza questo è il concettofondamentale delle analisinon distruttive. Nel caso ter-mografico dobbiamo stimo-lare termicamente il materiale

e, sfruttando la termografiaIR, studiarne la risposta.Come si può osservare nellafigura 6, le modalità di sti-molazione termica sonomol-te: per convezione ventilando

LABORATORIO

Flash thermography is an activetechnique used in NDI (Non De-structive Inspection), with thepurpose of analyzing metals, ce-ramics, polymers and compositematerials.Discontinuity that can be de-tected are: Delaminations;Bonding; Impact damages; Wa-ter inclusions; Voids; Thicknessmeasurements;Thermal BarrierCoating analisys; Porosity;Fiber cracking.The use of flash thermography isdescribed by a standard prac-tice (E 2582 - 07: StandardPractice for Infrared FlashTher-mography of Composite Panelsand Repair Patches Used inAerospace Applications) pro-duced by ASTM in a study ofemerging NDT methods.

In pictures there are the results ofactive pulse thermopgraphy; pic-ture 2 is showing delamination incomposite material CFRP, pic-ture 3 voids in manually lay upand cured in vacuum bag, picture4 is the analysis of a sandwichpanel of aluminium honeycombaffected 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 amaterial, of any kind, meanstransfer energy to the system andstudying the response, this is thefundamental of non destructiveanalysis. In thermography wemust 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 hotmaterial, radiation with light,which, being the most easy toplay, is used in active thermo-grapy.The results are thermal images,which are frames taken fromthermal video after post pro-cessing: picture 8 is a qualitativescheme of typical results ofFlash Thermography; hot spotsuggest the presence of a dis-continuity that works as thermal

insulation, so at the surface wemeasure a rising of temperature,cold spot, the discontinuity istransferring easily the heat.Excitation techniques could be:flash, step, modulated. First twowill analize transient state, inwhich only one heat front ismoving through the material;substantially we analyze onlycooling down, with step we ana-lyze warming up too.Modulating thermal excitationis a completely different con-cept; this technique, calledLockin, is driving the material in

LABORATORY

La termografia pulsante attivaper test non distruttivi

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Active Thermography for Nondestructive Testing

��AAnnggeelloo CCoollllaa -- VVeettoorriixx EEnnggiinneeeerriinngg��

Fig. 1 - Flash thermography Fig. 5 - Analisi di giunzione ibrida metallo-CFRPFig. 5 - Analysis of hybrid junctions metal CFRP

Fig. 6 - Modalità di stimolazione termicaFig. 6 - Exating techniques

7COMPOSITESOLUTIONS AAEERROO&&SSPPAACCEE •• nn.. 11 // 22000099

Fig. 2 - Caso di delaminazione in composito CFRP

Fig. 2 - Delamination in compositematerial CFRP

Fig. 3 - Voids in composito laminatomanualmente e curato conla tecnica del “sacco a vuoto”

Fig. 3 - Voids in manually lay upand cured in “vacuum bag”

Fig. 4 - Analisi di un pannellosandwich di honeycomb dialluminio in presenza diinclusione di acqua dovutaalla condensa

Fig. 4 - Analysis of a sandwich panelof aluminium honeycombaffected by water inclusions

la discontinuità. Secondo ilmodello di pannello infinita-mente spesso, l’andamentodella temperatura in fun-zione del tempo decade conl’inverso della radice qua-drata del tempo.Risulta molto più facile ap-prezzare le differenze di tempe -ratura graficando il logaritmodella temperatura sul loga-ritmo del tempo, come si puòvedere in figura 11.

Nel pannello reale ad certoun tempo (break time) latemperatura assume anda-mento orizzontale, ciò signi-fica che il fronte termico haraggiunto la faccia opposta(back wall), oppure che haincontrato un difetto.L’informazione sulla profon-dità è legata al tempo, quindial frame del filamto termico,allo stesso modo analizzandoil grafico della temperatura si

può avere l’informazionesulla profondità del difetto,avendo legato il tempo allaprofondità. In figura 12 vienerappresentata una prova spe-rimentale su un sample blockin 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 notarel’andamento della tempera-tura presenta break time di-

versi per i diversi punti dimisura corrispondenti ai di-versi difetti. L’analisi su par-ticolari in CFRP prevedeanche il dimensionamento deldifetto, come nel caso in fi-gura 13 in cui è stato estrapo-lato il frame relativo alleindicazioni di inclusioni di ac-qua in honeycomb di allumi-nio di un pannello sandwich.

In figura 14 il dimensiona-mento di un danno da impattoche si etende oltre alla zonadanneggiata, che è visibile insuperficie.

LABORATORIO

uring points corresponding todifferent flaws.Analysis on CFRP samples alsoinclude flaw sizing, as shown infigure 13, where has been takenthe frame with with water inclu-sions in Aluminium honeycombandwich panel. In figure 14 the sizing of an im-pact damage, which has grownup over the visible damagedarea on surface.

con aria calda, conduzionea contatto con materiale a temperatura superiore, irrag-giamento sfruttando l’illu-minazione opportunamentecalibrata, che essendo più fa-cilmente controllabile è la

tecnica usata nella termogra-fia attiva.I risultati sono delle imma-gini termiche, che corrispon-dono a determinati frame delfilmato termico post proces-sato; in figura 8 è rappresen-tato lo schema qualitativo deirisultati tipici della FlashThermography; cioè “hotspot” che indica la presenzadi discontinuità che funge daisolante termico, quindi insuperficie si registra un au-mento localizzato di tempe-ratura, “cold spot”, al contrariola discontinuità “assorbe” piùfacilmente il calore.

Le modalità di eccitazione sipossono 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; insostanza si analizza la con-ducibilità termica del mate-riale, con la flash si analizzail solo raffreddamento (coo-ling down), con la step sianalizza anche il riscalda-mento.La modulazione dell’eccita-zione termica è un concettocompletamente diverso, taletecnica, in gergo chiamataLock In, mette il materiale inuno stato stazionario di vi-brazione termica, l’analisiconsiste nel processare l’im-magine termica ottenendo unamappa di ampiezza ed una di

sfasamento tra la forzante(cioè l’irraggiamento datodalle lampade), detto segnaledi riferimento ed il segnale ditemperatura acquisito dallatermocamera. Con la LockIn è possibile eseguire anchela TSA o analisi termicadello stress, sfruttanto ilprincipio della termoelasti-cità.L’apparato sperimentaledella Flash Thermography(Fig. 9) è molto “operativo”,nel senso che è piuttostocompatto, non necessita dilaboratori attrezzati ed i ri-sultati sono immediati.È composto da una termo-camera integrata in una “te-sta di misura”, che alloggiale lampade flash, una unità di

controllo che sincronizza lelampade con l’unità di ac-quisizione collegata alla ter-mocamera, infine un PC perospitare il SW di controllo epost-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 cuil’unità di controllo pilota laprocedura di calibrazionedella termocamera (NUC),acquisisce l’immagine ter-mica della superficie a “riposo”, che servirà succes-sivamente per l’elaborazionee la “pulizia” del “rumore difondo”. A questo punto l’u -ni t à di controllo comanda ilflash delle lampade secondola potenza e per il tempo sta-bilito durante il setup, suc-cessivamente, l’unità diacquisizione registra le im-magini termiche dalla ter-mocamera. Infine abbiamoil processamento del segnaletermico e la generazione delfilmato termico, da cui siestrapolano i frame che pre-sentano le indicazioni di di-scontinuità, l’analisi prevedeanche delle tecniche per di-

mensionare correttamente lediscontinuità.La propagazione termica inpresenza di discontinuità èla base dell’analisi dei risul-tati della Flash Thermogra-phy. Nel materiale integro ilfronte termico propaga mo-nodimensionalmente se-condo un asse ortogonalealla superficie, in presenzadi difetto la propagazionetende a diventare bidimen-sionale nel piano della di-scontinuità. In figura 10 èrappresentato lo schema delmodello di propagazione inpresenza di discontinuità: ildifetto 1 tende a isolare ilmateriale, il calore inizia agirare attorno al difetto se-condo il percorso 2, questofa si che in superficie la tem-peratura nell’area adiacenteal 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 lostudio dell’andamento dellatemperatura dei punti “stra-tegici” della superficie econfrontarla con altri puntiin cui si suppone sia presente

LABORATORIO

8 AAEERROO&&SSPPAACCEE •• nn.. 11 // 22000099 COMPOSITESOLUTIONS

a stationary state of thermal vi-bration, the analysis consist ofpost-processing thermal imagesobtaining a map of amplitudeand delay between the forcesignal (heat from lamps), calledreference signal, and the tem-perature signal acquired by ther-mocamera. With Lockin is alsopossible to play TSA, thermalstress analysis, using thermo-elastic effect.Experimental apparatus ofFlash Thermography (Fig. 9) isvery handy, this means that isvery compact, does not need abig workshop, and results aregiven in real time. It is made upof a thermocamera installed inthe “measuring head”, which isalso the casing of flash lamps, acontrol unity, which synchronizeacquisition unit with flashlamps, PC for the SW of controland post-processing.Non destructive analysis processwith Flash Thermography goes

through this steps: first, controlunit drives the calibration processof thermocamera (NUC), thenacquisition unit acquires a ther-mic image of the surface, thatwill be used for the post pro-cessing and to take out the noisefrom signal. Then control unitwill activate the flash lamps,with the power and for the timesetted, then acquiring unit willrecord thermic images from thethermocamera. Frames will beextracted when indications ofdiscontinuity will come up, theanalysis will comprehend meas-uring techniques.In Flash Thermography the wayof heat propagation is the baseof the analysis. In material with-out discontinuity, the heat willpropagate one-dimensional alongan axis orthogonal to the sur-face, with discontinuity the propa-gation tends to be two-dimensionalin the plane of discontinuity.In figure 10 is shown a scheme

of the propagation when itreaches a flaw: discontinuity 1tend to insulate the material, theheat tends to go around it alongpath 2, this will cause an in-crease of temperature in the areaabove the flaw, graph 3, temper-ature is not constant along theflaw with max in point 4.In analysis is going to be studiedthe graph of temperature insome point considered withoutflaws, in order to compare itwith other areas with suspects of

flaws. In the theory of the panelwith infinite thickness, the graphof temperature decay along thereverse of square root of thetime. It will be easier to see differencein temperature plotting the nat-ural logarithm of temperatureagainst natural logarithm oftime, as shown in figure 11.In the real panel at a certaintime (break time) temperaturewill assume a horizontal plot,this means that the heat has

reached the back wall, or thathas found a flaw.The information of depth islinked to the time, therefore aframe of the thermal movie, inthe same way time will be linkedto depth. In figure 12 is shown an experi-mental test on a CFRP sampleblock, where was machined flatbottom holes, which are simu-lating flaws at different depth,as we can see temperature timehas break time for different meas-

LABORATORY

Fig. 7 - Frame del filmato termicopost processato

Fig. 7 - Frames taken from thermalvideo after post processing

Fig. 8 - Risultati tipici della Flash ThermographyFig. 8 - Results of Flash Thermography

Fig. 9 - Apparato sperimentale della FlashThermography

Fig. 9 - Experimental apparatus of Flash Thermography

Fig. 10 - Modello di propagazione in presenza di discontinuità

Fig. 10 - Scheme of the propagation when it reaches a flaw

Fig. 11 - Differenze di temperatura / Fig. 11 - Difference in temperature plotting

Fig. 12 - Prova sperimentale su un sample block in CFRPFig. 12 - Experimental test on a CFRP sample block

Fig. 13 - Dimensionamento di un difetto

Fig. 13 - Flaw sizing

Fig. 14

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Angelo Colla, nato a Jesolo (VE) il 28/09/1972, siè laureato in ingegneria meccanica a Padova nel1999 con una tesi di laurea su un banco di provaper freni. Fino al 2005 ha lavorato nel settore mo-torsport, curando lo sviluppo e sperimentazione diautomobili da corsa; è stato impegnato nella rea-lizzazione di sistemi di misura per prove speri-mentali al banco e su strada. Attualmente inVetorix engineering si occupo di tecniche innova-tive di analisi non distruttiva applicate ai materialicompositi e di prove meccaniche di caratterizza-zione dei materiali.

Angelo Colla, born in Jesolo (VE) Italy on28/09/72, graduate in mechanical engineering atuniversity of Padova - Italy on 1999 with a doc-toral dissertation on a testing bench for brakingsystems. Untill 2005 he was working in motor-sport, involved in development and testing of rac-ing cars; his job was engineering data acquisitionsystems for experimental tests on bench and onthe racetrack. Now in Vetorix Engineering heworks on innovative techniques of non destructivetesting on composite materials and mechanicaltesting of materials.

C U R R I C U L U M V I T A E