MATERIALI COMPOSITI: quali richieste per i cnd? Claudio Cappabianca. Keywords: delaminazione, radiografia, ultrasuoni, shearografia

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1 MATERIALI COMPOSITI: quali richieste per i cnd? Claudio Cappabianca Associazione Italiana Prove non Distruttive e Monitoraggi, via Foresti Brescia claudiocappabianca.cc@gmail.com 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 Aeronatico Automotivo Civile, edilizia Nautico Sportivo Applicazione Parti di ala, code, fusoliere, pannelli interni, pale di elicottero Parti di carrozzeria, spoiler, cabine per camion, pannelli porta strumenti Condotte sotterranee, elementi di rinforzo per il recupero, recinzioni Scafi, vele, ponti, profili strutturali, alberi, cordame 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. 1

2 Fig.1 Tessuti mono e biassiali 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. Fig.2 Cricche 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 2

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

4 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 microfuoco 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. Fig. 7 A sinistra CT dislocazione di fibre, adestra compositi 5 Metodi ultrasonici Sicuramente i metodi ad ultrasuoni sono i più utilizzati per controllare compositi fibrorinforzati: 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.8 Ispezione ci componenti aeronautici con squirter e robot antropomorfo 4

5 Fig.9 Difetti da impatto Diversi tipi di visualizzazione A,B,C-Scan e Phased Array 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 nobonding di circa 25x25 mm può essere rivelata nella parte inferiore di una struttura honeycomb, figura 10 e 11. Fig.10 Metodo MIA 5

6 Piano impedenza Modalità MIA RF con split scan Fase, ampiezza e curve di riferimento Fig.11 Visualizzazioni relative ai vari metodi di ispezione Pitch catch in RF 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 1 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 2 Fig.12 Metodo risonanza 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 6

7 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 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. Fig.13 Variazione temperatura in funzione del contenuto di fibre 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. 7

8 La selezione della frequenza dell'onda termica è determinante per potere rivelare difetti piccoli e rilevarne la loro dislocazione, figura 14. Fig.14 Visualizzazione di difetti artificiali con termografia lock-in 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 Fig.15 Aree di difettosità individuabili con metodi ultrasonori e termografici Fig.16 Inclusioni di acqua 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 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. 8 Fig.17 Danni da impatto

9 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. Fig.18 Ologramma di area senza difetti 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.19 Schema di funzionamento di un sistema shearografico 9

10 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. Fig. 19Visualizzazione di difetti Fig.20 Struttura in Honeycomb 700x500 mm tempo di ispezione circa 20 sec. Pressurizzazione dall interno 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 Pressione Scollamenti delaminazioni in laminati solidi o nel core di strutture honeycomb metalliche 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, buona specie in in genere alta scarsa scarsa Basso/ inclusioni,cricche, sistemi alto 10

11 allineamento fibre automatici RX c.s. buona buona buona media Basso/ alto Termogr. delaminazioni, buona media per buona media medio/ adesione, delaminazioni o alto delaminazioni inclusioni Sherogr. delaminazioni, buona buona alta media medio/ EA inclusioni cricche, delaminazioni, propagazione cricche alto buona buona alta media alto Tab.4 - Metodi, difetti rivelabili, peculiarità 11