Uso di metodi termografici per i CND in ambito aereonautico. Esempi di applicazioni

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Silvio Marini
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1 AT&T Manutenzione e processi - I metodi termici per la caratterizzazione meccanica dei materiali e della loro integrità Torino Uso di metodi termografici per i CND in ambito aereonautico. Esempi di applicazioni 20 Aprile 2016 Ing. Giacomo Maione Ing. Ciro Incarnato Ing. Antonio Ciliberto Finmeccanica Aircraft Division Finmeccanica Aircraft Division Finmeccanica Aircraft Division

2 Introduzione La Termografia è uno dei metodi di controllo non distruttivo che trova un discreto impiego nel mondo aereonautico. L utilizzo tipico previsto è: In-Service (es. Rilevazione di intrusioni d acqua, danni da impatto, validazione di riparazioni) Laboratorio (es. applicazioni di ricerca) Supporto Produzione (es. utilizzo del metodo per la messa a punto di tecniche di taglio, foratura, rivelazione materiale estraneo durante la laminazione automatica, rivelazione di distribuzione anomala di resina nei pre-impregnati, etc.) Un ulteriore utilizzo in ambito aereonautico che sta assumendo negli ultimi anni una notevole importanza è nella caratterizzazione di grinze in materiali compositi dovute a sacche di resina

3 Introduzione In ambito aereonautico l impiego di tale metodo dovrebbe essere eseguito da personale certificato REQUISITI PERSONALE ISPETTIVO METODO IRT (NAS 410/EN4179) Per Personale di Livello 1 e Livello 2 Requisiti minimi OJT Livello2 (Personale con certificazione di Livello1) 200 ore 600 ore 800 ore Requisiti minimi Classroom Training 20 ore 40 ore 60 ore Livello1 (Personale in addestramento) Livello2 (Passaggio diretto) Per ogni Livello di Certificazione è inoltre previsto il superamento di: Un esame Generale Un esame Specifico Un esame pratico Per Personale di Livello 3 Istruzione Esperienza di Livello 2 Nessuna 4 anni Diploma 2 anni Laurea 1 anno

4 Esempio Tecniche Termografiche Tra i principali campi di impiego della termografia, sono riportati alcuni esempi di impiego: In Service: Rilevazione della presenza di acqua in di parti sandwich con composito e nido d ape. Supporto in Produzione: Rilevazione delle temperature raggiunte durante operazioni di foratura con macchine a Controllo Numerico Metodo ausiliario: Rilevazione e Caratterizzazione di grinze in materiale composito dovute a presenza di sacche di resina Metodo principale: Rilevazione e caratterizzazione di difetti in parti in materiale composito.

5 Esempio Water Intrusion Problematica: Nelle strutture tipo sandwich composito-nido d ape la presenza di infiltrazioni di acqua può avere un effetto catastrofico se si pensa che durante il volo il ghiaccio espandendosi può arrecare ulteriori danni come lo scollamento di parti o altri tipi di rotture. Va pertanto previsto che durante le fasi di manutenzione vi sia un controllo termografico su suddette parti dell aeromobile tipicamente esposte (es. superfici mobili).

Esempio Water Intrusion La parte viene riscaldata con una sorgente di calore in modo uniformemente distribuito sulla superficie da ispezionare (lampade, pistole ad

6 Esempio Water Intrusion La parte viene riscaldata con una sorgente di calore in modo uniformemente distribuito sulla superficie da ispezionare (lampade, pistole ad aria calda, etc.). In seguito dopo un certo intervallo di tempo (poche decine di secondi) è possibile rivelare la presenza di eventuali intrusioni di acqua. FLIR A655sc

7 Processo di setup optimization per operazioni di Drilling Problematica: Talvolta il setup impostato sugli impianti a controllo numerico per il taglio (trim) o la foratura (drill) automatica non presenta parametri perfettamente ottimizzati; ciò può causare una non corretta usura dei tool di trim/drill o altresì causare danni nel materiale da tagliare e/o forare. L esempio preso in considerazione è relativo al processo di drilling che è stato monitorato in real-time mediante un controllo termografico al fine di stabilire se le temperature cui la punta arriva durante le operazioni in servizio sono tali da poter causare sia un usura anomala che un eventuale danno nella struttura.

8 Processo di setup-optimization per operazioni di Drilling Mediante l utilizzo di una termocamera, è stato predisposto un monitoraggio in tempo reale del processo di foratura. La termocamera utilizzata è stata una di tipo raffreddato per avere una migliore sensibilità termica Thermacam S65 FLIR Dal filmato acquisito, l analisi delle sequenze termografiche hanno evidenziato che durante le varie fasi di drilling, le temperature raggiunte dalla punta arrivavano a valori anomali che potevano portare ad anomalie di usura o a danneggiamenti della parte.

9 Processo di setup-optimization per operazioni di Drilling Sequenze temporali durante le operazioni di foratura. 1 la punta si avvicina alla zona da forare 2 la punta inizia a forare 3 Si generano polveri di lavorazione 4 la punta oltrepassa la parte

10 Processo di setup-optimization per operazioni di Drilling Sequenze temporali durante le operazioni di foratura. 5 Si generano polveri anche dal lato opposto 6 la punta inizia la risalita 6 Temperature elevate raggiunte dalla punta 7 La punta ha terminato

11 Processo di setup-optimization per operazioni di Drilling L analisi è stata poi ripetuta provando differenti setup (velocità di rotazione della punta, velocità di foratura, velocità di avanzamento, etc.). E stato dunque possibile procedere ad un ottimizzazione del setup dell impianto. Il monitoraggio mediante termografia ha consentito di validare il setup e quindi risolvere eventuali anomalie e/o danni nella struttura lavorata.

12 Wrinkle Measurement Problematica: Le parti in materiale composito talvolta presentano sacche di resina superficiali, tali difetto è tipicamente accompagnato dalla presenza di grinze nel materiale. I metodi CND comunemente adottati in produzione (UT) talvolta non sono stati in grado di caratterizzare completamente (in particolare la misurare la profondità) tale difetto. La necessità di riuscire a caratterizzare completamente tale difetto completa il processo di controllo nelle strutture in composito, e contribuisce ad una efficace RCCA per la risoluzione/mitigazione del problema.

Wrinkle Measurement L implementazione del controllo

termini di lunghezza, larghezza e soprattutto

A A Provino analizzato Vista in sezione A-A Tipica

13 Wrinkle Measurement L implementazione del controllo termografico ha consentito di poter quantizzare (in termini di lunghezza, larghezza e soprattutto profondità) tale difetto. A A Provino analizzato Vista in sezione A-A Tipica immagine termografica di fase La presenza della sacca di resina è associata ad una grinza nel composito

Wrinkle Measurement Con il metodo IRT, ed in particolare con la tecnica di lock-in è stato osservata e misurata la differenza di fase ( Ф) tra l area dove è presente la

14 Wrinkle Measurement Con il metodo IRT, ed in particolare con la tecnica di lock-in è stato osservata e misurata la differenza di fase ( Ф) tra l area dove è presente la sacca di resina e l area buona circostante Mediante caratterizzazione distruttiva sono state poi misurate larghezza (L) e profondità (p) reali. Vista in sezione della parte reale

15 Wrinkle Measurement Ripetendo la comparazione per tanti punti differenti e a differenti frequenze di eccitazione termica, è stata osservata una corrispondenza tra: La larghezza L della sacca di resina e variazione di fase Ф La Ф e la variazione di profondità della sacca di resina (p) Mediante algoritmi ad hoc è stato possibile stimare il valore della: Profondità (p) Larghezza (L) con una buona accuratezza (~0,1 mm) L analisi NDI vs. DI su un elevato numero di campioni, ha consentito inoltre di validare tale metodo di misura

16 Defect Caracterization Problematica: l ispezione di parti in composito, con metodi convenzionali come gli ultrasuoni talvolta presenta difficoltà in termini di rateo ispettivo o di setup; in particolare per quelle parti di geometria non piana con forme ad L, a Z, etc.. L utilizzo di una tecnica termografica potrebbe invece consentire l ispezione one-shot di tali parti, fornendo una soluzione relativamente veloce ed ecologica (assenza di mezzi accoppianti quindi di necessità di smaltire/depurare questi ultimi).

Defect Caracterization Le prove sono state svolte su

simulano i difetti tipici che tipicamente si trovano nelle

solido laminato con un set di difetti artificiali

artificiali Danni da impatti a differenti energie High

17 Defect Caracterization Le prove sono state svolte su differenti campioni contenenti difetti artificiali che simulano i difetti tipici che tipicamente si trovano nelle parti di produzione Termogramma di uno step wedge in solido laminato con un set di difetti artificiali Termogramma di una parte in composito con difetti artificiali Danni da impatti a differenti energie High depth Low depth Termogramma di una parte piana di 8 plies con differenti inserti artificiali

18 Sviluppi futuri Ricercare quali solo i limiti di impiego (tipologia di materiale, tipologia di difetti misurabili, spessori, geometrie, etc.) entro i quali poter validare il metodo termografico come metodo primario di ispezione; Ricercare una validazione dello stesso come metodo complementare (es. utilizzo in modalità integrata con altri metodi per una fast inspection che può consentire una preliminare accettazione della parte). Validazione il metodo IRT mediante analisi e confronto: con altri metodi CND Con una caratterizzazione Distruttiva (IRT vs. DI) Arricchire ulteriormente la normativa vigente (sia aziendale che internazionale)

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