ES2336166A1 - Metodo de inspeccion de defectos producidos en material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa durante el proceso de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Método de inspección de defectos producidos en material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa durante el proceso de fabricación, en el que se coloca una cámara termográfica (102) y lámparas (103) para calentar el material mediante un pulso de luz (termografía infrarroja pulsada) (109) frente al espécimen (101) a inspeccionar, y los datos se transfieren al ordenador o sistema de adquisición (104), y se determina la existencia de defectos por la aparición de contrastes en los termogramas obtenidos.
Description
Método de inspección de defectos producidos en
material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa durante
el proceso de fabricación.
La aplicación prioritaria de este método de
inspección no destructiva es la detección de defectos en material
compuesto fabricado con fibra de carbono debidos a pinchazos en
bolsas de vació utilizadas en dicha fabricación (tanto de partes
monolíticas como de partes sándwich con piel de compuesto de fibra
de carbono). Se trata de aplicar la técnica de termografía
infrarroja activa con excitación lumínica u óptica, para localizar
de forma no destructiva y sin contacto zonas del material compuesto
donde se encuentra el defecto. Las zonas defectuosas pueden ser
zonas críticas por las que comience una rotura por fatiga o por
otras solicitaciones estáticas así como por impactos.
El campo de aplicación de los materiales de
compuestos con fibra de carbono es muy extenso, siendo asimismo la
detección de los defectos mediante la técnica termográfica aplicable
a procesos de control de calidad en la fabricación de piezas y
componentes con este tipo de materiales (monolíticos y de tipo
sándwich):
- \ding{226}
- En aviones y helicópteros: los materiales compuestos de fibra de carbono se utilizan en fuselajes, alas y superficies de control (elevadores, flaps, timones, etc.)
- \ding{226}
- Coches: en automóviles de uso urbano y de competición deportiva (por ejemplo en Fórmula 1, rallies, etc.) en piezas de carrocería, carenados, asientos, cascos, cockpit, etc.
- \ding{226}
- Barcos: junto a la fibra de vidrio, se usan materiales con fibra de carbono en cascos, estructura interna, mástiles, timones, etc.
- \ding{226}
- Aerogeneradores: palas principalmente.
El método de inspección mediante termografía
infrarroja puede ser aplicado al control de calidad de las piezas y
productos fabricados en material compuesto con fibra de carbono
dentro de las industrias:
- \ding{226}
- Aeronáutica
- \ding{226}
- Automoción
- \ding{226}
- Naval
- \ding{226}
- Eólica.
\vskip1.000000\baselineskip
En el sector aerospacial principalmente, pero
también en el de automoción, en el eólico y en el naval, cada vez
son más utilizados los materiales compuestos con fibra de carbono.
Este uso es debido a la ventaja que ofrecen estos materiales
respecto a los tradicionalmente utilizados como son los metales
(aceros, aluminios,...). Esta ventaja radica en la reducción de peso
que ofrecen, junto con unas elevadas prestaciones mecánicas además
de una gran capacidad para ser moldeados como superficies de formas
complejas.
Estos materiales compuestos pueden ser de tipo
monolítico (únicamente formados por el laminado de telas de fibra de
carbono embebidas en resina) o de tipo sándwich (piel de laminado y
núcleo de diferentes materiales). Las técnicas de fabricación
empleadas son muy variadas, escogiéndose normalmente según la
responsabilidad estructural de la pieza. Una de las técnicas de
fabricación más importantes es la de los preimpregnados. En estos
casos el laminado se fabrica superponiendo tejidos o cinta de fibra
de carbono que se encuentran preimpregnadas en resina y que son
sometidas a un curado bajo presión (si el curado es en estufa no se
utiliza presión exterior, pero sí en curado en autoclave). En primer
lugar se cierra el conjunto de telas preimpregnadas con la forma
deseada en una bolsa de plástico que es sellada en su contorno, a la
que se une una bomba de vacío que extrae el aire de la bolsa
produciendo vacío. Entonces la pieza es sometida a un curado:
temperatura y presión externa. Si por cualquier motivo se rompe o
pincha la bolsa, en esa zona existirá una variación de presión a la
que está sometida la pieza. Esto puede provocar cambios en las
propiedades mecánicas del material, afectando a su resistencia y
comportamiento a fatiga.
El problema de perdida de vacío o lo que es lo
mismo de entrada de presión por rotura, grande o pequeña de la bolsa
de vacío, representa un riesgo para la pieza variable en función del
momento del proceso de curado en el que se produce y debido, a la
variación de presión y a la temperatura del aire que entra en
contacto con la pieza a través de la perforación.
La entrada de presión o rotura de bolsa puede
generar defectos, en algunos casos difíciles de detectar por
técnicas de inspección convencionales: desde falta o excesos de
resina y existencia de porosidad en la pieza hasta el quemado de la
resina en zonas más o menos amplias. En esas zonas puede llegar a no
existir o que esté debilitada la matriz que aglutine a las fibras
frente a cargas mecánicas, con lo que esas fibras no trabajan al
faltarles la matriz que transmite los esfuerzos de capa a capa de la
pieza.
Existen numerosas técnicas de ensayos no
destructivos (END) utilizadas en las industrias aeronáutica, naval y
de automoción. Las técnicas clásicas son los ultrasonidos,
rayos-x, eddy-currents, partículas
magnéticas, líquidos penetrantes, tap-coin, etc. De
los métodos tradicionalmente usados en materiales metálicos
solamente los ultrasonidos y la radiografía se aplican de forma
extensiva en el control de calidad de elementos fabricados con
materiales compuestos. En muchas ocasiones, los procesos de
inspección basados en estos métodos son lentos (sobre todo en la
inspección de grandes superficies como pueden encontrarse en la
industria aeronáutica, eólica y naval) y tienen un elevado coste,
siendo además ineficaces en estos materiales para algunos
defectos.
Los ultrasonidos son el métodos más utilizado en
el control de calidad de las piezas y componentes fabricados con
estos materiales compuestos de fibra de carbono. No obstante,
encuentran dificultades para detectar defectos en este tipo de
materiales. Otra desventaja de los ultrasonidos es que suelen
necesitar un medio acuoso para su aplicación y los composites
pierden sus propiedades si captan humedad.
En cambio, la termografía infrarroja activa, con
excitación óptica o lumínica, es un método de inspección no
destructiva que además de ser una alternativa eficaz a los métodos
de ensayo no destructivo clásicos aporta una serie de ventajas
como:
- \ding{226}
- Inspección sin necesidad de contacto.
- \ding{226}
- Tecnología limpia por lo que se reducen los riesgos de absorción de líquidos de los compuestos con el consiguiente deterioro de las características estructurales
- \ding{226}
- Rapidez de inspección
- \ding{226}
- Equipo sencillo y manejable
- \ding{226}
- Sin riesgo de radiaciones peligrosas (no como con los rayos-x); no necesita medidas especiales de seguridad.
- \ding{226}
- Capacidad de inspección de grandes superficies o zonas de pequeñas dimensiones.
- \ding{226}
- Registros en imágenes (sencilla interpretación) y en soporte informático (mayor capacidad de almacenamiento y procesamiento de datos, además de hacer que sea un método ideal para su automatización).
\vskip1.000000\baselineskip
La termografía infrarroja es eficaz para
laminados de fibra de carbono (como elementos monolíticos o como
piel de estructuras sándwich) hasta una profundidades pequeñas
(varios milímetros). Esto hace que sea un método apto para una gran
parte de las piezas y componentes fabricados en estos materiales, ya
que suelen tener un espesor reducido. Además la inspección puede
realizarse por ambas caras del material cubriendo un espesor
mayor.
Figura
1
Configuración de ensayo de termografía
infrarroja pulsada de acuerdo al invento.
Figura
2
Representación de la evolución de valor digital
(VD) o temperatura (T) respecto al tiempo (t) en dos puntos (uno en
zona sana y otro en zona con defecto) en un ensayo de termografía
pulsada según invento.
La línea continua significa sin defecto, la
línea de puntos significa con defecto y \DeltaDV/\DeltaT es el
contraste.
Figura
3
Configuración ensayo de termografía infrarroja
modulada según invento.
Figura
4
Representación del valor digital (VD) o
temperatura (T) o fase (F) o amplitud (A) o parte real (R) o parte
imaginaria (I) a lo largo de la longitud (1) de una línea que
atraviesa una zona sana y de otra que atraviesa una zona con defecto
según invento.
La línea continua significa ensayo sin defecto,
la línea discontinua significa ensayo con defecto indicándose por su
separación el contraste
(\DeltaVD/\DeltaT/\DeltaF/\DeltaA/\DeltaR/\DeltaI).
Los elementos de identificación son los
siguientes:
- (101)
- Pieza, espécimen
- (102)
- Cámara termográfica
- (103)
- Lámparas (excitación lumínica)
- (104)
- Ordenador (sistema de adquisición y tratamiento de datos)
- (105)
- Pantalla (visualización de datos en termogramas/imágenes)
- (106)
- Contraste (defecto)
- (107)
- Línea perfil en zona sin defecto
- (108)
- Línea perfil en zona con defecto
- (109)
- Representación de pulso de luz
- (301)
- Pieza, espécimen
- (302)
- Cámara termográfica
- (303)
- Lámparas (excitación lumínica)
- (304)
- Dispositivo Lockin (sincronización)
- (305)
- Ordenador (sistema de adquisición y tratamiento de datos)
- (306)
- Pantalla (visualización de datos en termogramas/imágenes)
- (307)
- Contraste (defecto)
- (308)
- Línea perfil en zona sin defecto
- (309)
- Línea perfil en zona con defecto
- (310)
- Representación de modulación de luz.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se detalla el método de
inspección de termografía infrarroja para la detección de
variaciones en el material por pinchazo en bolsa.
El equipo utilizado es el siguiente:
Cámara de termografía infrarroja (102, 302): una
matriz de sensores recoge la radiación infrarroja emitida por la
superficie observada, dependiente de la emisividad y la temperatura
de la superficie, y transforma la cantidad de energía recogida por
cada sensor en un valor digital, que a través de la aportación de la
emisividad de la superficie puede transformarse en valores de
temperatura. De este modo se obtiene un mapa del área vista en
niveles digitales o en valores de temperaturas, denominado
termograma (105, 306).
Lámparas (103, 303): las lámparas son el
elemento utilizado para excitar (en este caso calentar) el material
inspeccionado, lo que hace que sea una técnica activa. Para el
método de termografía infrarroja pulsada se utilizan lámparas de
tipo flash fotográfico de alta energía. Para el método de
termografía Lock-in se utilizan lámparas de luz
continua junto con un sistema para modular la potencia emitida
(310), de forma sinusoidal, a la que otro sistema de toma de datos
estará sincronizado (Lock-in) (304, 305).
Sistema de adquisición de datos (104, 305): los
datos son adquiridos por un computador que los almacena y los trata
mediante un software para su visualización (105, 306), cálculo de
imágenes de amplitud y fase, etc. (valores que son representados en
colores en los termogramas e imágenes de estos valores) y detección
de forma automatizada:
El método a seguir es el siguiente:
(a) Formación de personal en utilización del
equipo de inspección y en los procesos de fabricación de materiales
compuestos de fibra de carbono.
(b) Ensayo de inspección inicial sobre una pieza
tipo mediante las técnicas de termografía pulsada y modulada con
excitación óptica (Figuras 1 y 3), para caracterización de la pieza
y calibración de los parámetros del sistema y aprendizaje del
sistema inteligente para detección automatizada de los defectos.
(c) Tras finalizar el proceso de fabricación de
la pieza o componente, retirar la bolsa que envuelve la pieza (101,
301) tras el curado y situarla en una base que la soporte.
(d) En los criterios resultantes de la
inspección inicial (b):
Situar la cámara termográfica y las lámparas
frente al espécimen a inspeccionar.
Programar los parámetros de ensayo adecuados a
la pieza a inspeccionar: tipo de ensayo (pulsado o
Lock-in), amplitud, duración, frecuencia,
distancias, posicionamiento de cámara y lámparas, características
térmicas del material, etc.
(e) Calentar el espécimen mediante las lámparas
(de forma que no se superen temperaturas que puedan dañar el
material) y capturar la evolución de la temperatura de la
superficie:
(f) Para el método de termografía infrarroja
pulsada (Figura 1): emitir un flash de luz (calentamiento de
duración del rango de milisegundos) (109) grabando la evolución de
la temperatura de la superficie durante el calentamiento y el
enfriamiento de la misma.
(g) Para el método de la termografía infrarroja
Lock-in (Figura 3): calentar de forma modulada
(sinusoidal) (310) defiendo la amplitud y frecuencia de la
excitación y grabando el proceso de calentamiento de forma
sincronizada a la excitación.
(h) Procesar de forma automática los datos
adquiridos (104, 305). Para la termografía pulsada determinar
contrastes de valores (digitales o de temperatura) entre zonas sanas
y zonas con defecto, así como los tiempos de contraste máximo,
contraste medio, etc. que determinen las características del defecto
(Figuras 2 y 4). Alternativamente se podrán aplicar algoritmos de
Fourier para realizar un estudio matemático para la obtención de
imágenes de amplitud y fase. Para la termografía
Lock-in obtener las imágenes de amplitud y fase de
calentamiento, y alternativamente las de parte real e imaginaria
(obtenidas por la evolución de la desincronización entre excitación
y variación de temperatura superficial) (Figura 4).
(i) Determinar de forma automática la existencia
de zonas defectuosas por el contraste característico entre zona
defectuosa y zona sana en base a valores de niveles digitales,
temperatura, amplitud, fase, parte real y/o parte imaginaria
(valores que son representados en colores en los termogramas e
imágenes de estos valores) (Figura 4).
(j) Criterio de aceptación automática: la pieza
será aceptada si las imágenes resultantes (i) son homogéneas o al
menos no hay ninguna variación brusca de estos valores. En caso de
la existencia de un contraste que determine la existencia de
defecto, se aceptará o desechará la pieza en función del tamaño del
área afectada por el defecto según requisitos de fabricación.
(k) Archivo de las grabaciones para futura
referencia y mejora del aprendizaje del sistema (para una más
precisa identificación de los distintos defectos que puedan
detectarse en la misma inspección).
\vskip1.000000\baselineskip
En el proceso de la inspección termográfica
óptica pueden aparecer contrastes debidos a otro tipo de defectos
como delaminaciones, desencolados y uniones defectuosas, objetos
extraños (pedazos de film protector, teflón, metal, etc.), agua,
porosidad, aplastamiento de núcleo, falta o acumulación de resina,
etc. El tipo de defecto se determinará por la evolución
característica de la temperatura o del contraste de temperaturas
observada en la zona del contraste (Figuras 2 y 4), así como por
contrastes de los valores calculados de fase, amplitud, parte real
y/o imaginaría (Figura 4). Se podrán utilizar otros métodos de
ensayo no destructivo a posteriori en la zona en la que se ha
apreciado la existencia de defecto para validar de modo certificado
el tipo de defecto (sin tener que inspeccionar toda la superficie,
sino estrictamente la zona en la que ya se ha determinado la
existencia de defecto previamente).
Claims (3)
1. Método de inspección de defectos producidos
en material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa
durante el proceso de fabricación, que se caracteriza
porque:
(a) se retira la bolsa que envuelve la pieza
tras el curado (tras la finalización de la fabricación de la pieza),
y
(b) se coloca una cámara termográfica (102) y
lámparas (103) para calentar el material mediante un pulso de luz
(termografía infrarroja pulsada) (109) frente al espécimen (101) a
inspeccionar, y
(c) se calienta el espécimen mediante las
lámparas y se captura mediante la cámara termográfica la evolución
de la temperatura de la superficie durante su calentamiento y
enfriamiento, los datos se transfieren al ordenador o sistema de
adquisición (104), y
(d) se determina la existencia de defectos por
la aparición de contrastes en los termogramas obtenidos: contrastes
de valores digitales o en valores de temperaturas o en valores de
contrastes de temperaturas (valores que son representados en colores
en los termogramas).
2. Método de inspección de defectos producidos
en material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa
durante el proceso de fabricación, según reivindicación anterior,
que se caracteriza porque se agrega el tratamiento de los
datos valores digitales, temperaturas o contrastes de temperaturas
de forma que se obtengan valores e imágenes de amplitud, fase, parte
real y/o imaginaria, y/o sus contrastes, mediante análisis
matemático de Fourier calculados a partir de los datos adquiridos
desde la cámara termográfica al ordenador durante el ensayo.
3. Método de inspección de defectos producidos
en material compuesto de fibra de carbono por pinchazo en bolsa
durante el proceso de fabricación, que se caracteriza
porque:
(a) Se retira la bolsa que envuelve la pieza
tras el curado (tras la finalización de la fabricación de la pieza),
y
(b) se coloca frente al espécimen a inspeccionar
una cámara termográfica (302) y lámparas de luz continua (303)
moduladas en amplitud para diferentes posibles frecuencias para
calentar el material de forma sinusoidal (310) y mediante la cámara
termográfica se realiza la adquisición de forma
Lock-in (sincronizada) con la excitación
(termografía infrarroja Lock-in) (304) durante el
calentamiento. Los datos se transfieren al ordenador o sistema de
adquisición (305), y
(c) se determina la existencia de defectos por
la aparición de contrastes de valores de temperaturas en los
termogramas obtenidos y en los valores e imágenes de amplitud, fase,
parte real y/o parte imaginaria (y/o sus contrastes) calculados a
partir de los datos adquiridos desde la cámara termográfica al
ordenador durante el ensayo.
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