Sviluppo e sperimentazione di un sistema di misura ad ultrasuoni per il controllo non distruttivo di materiali compositi di forma complessa

In this work the problem of Non-Destructive Testing (NDT) on composite components with complex shapes for civil constructions and transport infrastructures was analyzed. In such applications at the state of the art main challenges are related to the inspection of thick sandwiches with low density cores (below 80 kg/m3) and curved panels. After a review of suitable NDT techniques, an original set-up for low frequency (100 kHz) ultrasonic inspection is proposed, which combines different solutions in through transmission mode. The set-up is based on a hybrid configuration coupling a contact emitting probe with a non-contact air-coupled receiver. The use of a contact probe in emission is necessary to have enough energy to analyze thick components with low density core. The contact between probe and surface is made punctual and smooth using an appropriate spherical cap interface which is inserted over the contact transducer to increase lateral resolution at low frequency and to allow scan on irregular surfaces. The non-contact probe in reception allows a better inspection flexibility on curved and thick components, where pulse echo is not feasible at all. The system is mainly developed for inspection after production in an industrialized production process, where through transmission testing is possible. However inspection must be guaranteed in a flexible test, with lateral resolution of few millimeters and possibly without use of squirter water. The analysis of results on two different samples (one thick sandwich with low density 40 kg/m3, 50 mm thick PUR core and one curved laminate panel) shows that the proposed methods can efficiently inspect construction composites of complex shape with satisfactory Signal-to-Noise Ratio (usually SNR>15 dB) and lateral resolution (2-3 mm). This paper proposes also an evaluation of an alternative set-up for this particular inspection configuration using a finite element numerical model. The numerical model is used to simulate a rolling ball contact adapter of the emitting transducers in such a way as to evaluate potential improvement of the set-up to generate higher energy transmission. The experimental reconstruction of the pressure field generated from the transducer, achieved by a 3D imaging interferometric measurements, has been used to validate the model of the ultrasonic transducer. The numerical simulation and the preliminary experimental results show the effectiveness of the proposed approach. The research is partly funded within the FP7 European Project TRANS-IND (New Industrialised Construction Process for Transport Infrastructures based on Polymer Composite Components).

In questo lavoro è stato analizzato il problema dei controlli non distruttivi su materiali compositi con forme complesse impiegati in costruzioni civili e in infrastrutture per i trasporti. In tali applicazioni allo stato dell’arte la sfida principale è quella di ispezionare componenti sandwich spessi e con core a bassa densità (inferiore a 80 kg/m3) e pannelli curvi. Dopo una revisione delle tecniche NDT adatte, è stato proposto un originale set-up di misura per ispezioni con ultrasuoni a bassa frequenza (100 kHz), che combina diverse soluzioni attraverso modalità in trasmissione. Il set-up di misura si basa su una configurazione ibrida ottenuta accoppiando una sonda a contatto in emissione con una a non-contatto in ricezione. L'utilizzo di una sonda a contatto in emissione è necessario per avere energia sufficiente al fine di analizzare i componenti spessi e con core a bassa densità. Il contatto tra la sonda e la superficie è stato reso puntuale mediante un'opportuna interfaccia costituita da una calotta sferica, che viene inserita sul trasduttore a contatto per aumentare la risoluzione laterale e per consentire la scansione su superfici irregolari . La sonda senza contatto in ricezione permette una migliore flessibilità di controllo su elementi curvi e spessi, in cui la modalità Pulse-Echo non è sempre possibile. Il sistema è stato sviluppato principalmente per l'ispezione a fine linea di produzione in un processo industriale, dove si possono effettuare test con configurazione in trasmissione. Tuttavia l’ispezione deve essere garantita attraverso un test flessibile, con risoluzione laterale di pochi millimetri e possibilmente senza uso di acqua squirter. L'analisi dei risultati su due campioni diversi (un grosso sandwich con bassa densità 40 kg/m3, 50 mm di spessore PUR core e un pannello in laminato curvo) mostrano che i metodi proposti possono ispezionare in maniera efficiente compositi di forme complesse con soddisfacente segnale- rumore (SNR > 15 dB) e risoluzione laterale (2-3 mm). Il presente lavoro propone anche la valutazione di un’alternativa a questa particolare configurazione utilizzando un modello numerico agli elementi finiti. Il modello numerico è stato usato per simulare il dispositivo sferico posto davanti al trasduttore, al fine di valutare i possibili miglioramenti da apportare al set-up di misura per aumentare l’energia trasmessa. E’ stato utilizzato un dispositivo con sfera mobile sia per avere un unico punto di contatto facilmente spostabile su superfici irregolari e curve sia per focalizzare il fascio ultrasonoro. E’ stato ricostruito sperimentalmente il campo di pressione generato dal trasduttore, attraverso tecnica basata su interferometria laser tomografica, per validare il modello del trasduttore ad ultrasuoni. La simulazione numerica e i risultati sperimentali preliminari mostrano l'efficacia dell'approccio proposto. La ricerca è in parte finanziata nell'ambito del progetto europeo FP7 TRANS il cui obiettivo è di sviluppare un nuovo processo industrializzato per la realizzazione di infrastrutture per i trasporti, mediante l’impiego di materiali compositi.