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Liège, 28 Février 2012 1
Marc GEORGES
Laboratoire Laser et Contrôles Non Destructifs
Centre Spatial de Liège – Université de Liège
4031 Angleur (Liège) - BELGIUM
Tests non-destructifs (NDT) pour structures
en matériaux composites
Liège, 28 Février 2012 2
Résumé
Mesures dimensionnelles
• Projection de franges
• Corrélation numérique d’images
Mesures des champs de déplacement
• Interférométrie holographique-speckle
(1D-2D-3D)
• Interférométrie différentielle (shearographie)
Thermographie
Ultrasons sans contact par laser
Techniques de mesure
sans contact
Applications aux
composites
Comportement thermo-mécanique
• Dilatation
• Déformation sous contraintes thermiques
• …
Détection de défauts internes
• Détection indirecte en surface
• Cartographie en profondeur
Résultats obtenus dans des projets divers
Développements actuels et futurs
Liège, 28 Février 2012
Mesures thermo-mécaniques
3
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• Projection de franges
– Mesures des coordonnées des points d’un objet
– Instrument commercial GOM ATOS
• Volume mesurable 1 : 130x100x80 mm3 (résolution 10 µm)
• Volume mesurable 2 : 500x400x320 mm3 (résolution 50 µm)
Mesures dimensionnelles
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Mesures dimensionnelles
• Projet Engine Composite (E_COM) : Plan Marshall 2009-2013
• Caractérisation de coupons composites-hybrides
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Mesures dimensionnelles
• Projet Engine Composite (E_COM) : Plan Marshall 2009-2013
• Mesure de dilatation radiale d’une virole en composites
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Mesures dimensionnelles
• Projet Engine Composite (E_COM) : Plan Marshall 2009-2013
• Mesure de dilatation radiale d’un carter en composites
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Mesures dimensionnelles
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Z + 105mm
-0.4
-0.2
0
0.2
0.40 +X
2040
60
80
100
120
140160
180
200220
240
260
280
300
320340
Z + 215mm
-0.4
-0.2
0
0.2
0.40 +X
2040
60
80
100
120
140160
180
200220
240
260
280
300
320340
Z + 300mm
-0.2-0.1
00.10.20.30.4
0 +X
2040
60
80
100
120
140160
180
200220
240
260
280
300
320340
Carter #1: 20°-60°
Mesures dimensionnelles
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Carter #1 : 20°C - 60°C Carter #1 : 60°C - 100°C
Mesures dimensionnelles
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Holographie – 1 : Principe d’écriture
miroir
LASER
lentille
lentille
Séparateur
de faisceau
Support
holographique
FAISCEAU
REFERENCE
FAISCEAU
OBJET
Interférométrie holographique
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Interférométrie holographique
Holographie – 2 : Principe de lecture
LASER
miroir
Support
holographique
Séparateur
de faisceau
lentille
lentille
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Interférométrie holographique
Holographie – 3 : Lecture avec objet
LASER
Superposition de
-L’hologramme reconstruit
-L’image directe
miroir
Séparateur
de faisceau
Support
holographique
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Interférométrie holographique
Interférométrie holographique :
I(x,y) = I0(x,y).[1 + m(x,y) cosDf(x,y)]
Df(x,y) = S(x,y).L(x,y)
l/2 • Changement de position entre 2 instants
• Mesure du champ des déplacements
• Distance entre 2 franges reliée à la longueur
d’onde du laser l
• l /2 : 250-300 nm
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Interférométrie de speckle
Interférométrie de speckle (ESPI : Electronic Speckle Pattern Interferometry)
Semi-miroir
lentille
)2
),(sin(),(
yxyxSpSp ji
fD
Df(x,y) • Acquisition de specklegrammes Spi à différents instants
• Interférogrammes sont obtenus par différences numériques
entre 2 specklegrammes
lentille
Caméra CCD
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Interférométrie holographique
• Interprétation des mesures en terme de déplacements
• Déplacement Hors-Plan (1D)
• Déplacement 3 directions (3D)
.LS
.LS
.LS
cc
bb
aa
D
D
D
f
f
f
Source
Observation
Hologramme
k2
S k1
Source c
Source a
Observation
Hologramme
k2 Sa
k1,a
Source b
Sb
Sc
k1,b
k1,c
OPLl
f
4D
Df(x,y) = S(x,y).L(x,y)
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• Système commercial basé sur des cristaux photoréfractifs
• Développé au CSL – commercialisé par Optrion
Laser YAG DPSS
l = 532 nm
Gamme de mesure :
15 nm – 25 µm
Temps de réponse :
Qqs secondes - nanosecondes
Interférométrie holographique 1D
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Modes de Vibration
Métrologie
Détection de défauts
Interférométrie holographique 1D
• Applications
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• Applications : Détection de défauts (Plan Marshall E_COM)
Holographic
camera
Interférométrie holographique 1D
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• Extension à la mesure 2D
f1 f2
1
21
2sin22
l
ff IPL
1
2
21
cos42
l
ff OPL
In plane
Displacement
Out of plane
Displacement
Interférométrie holographique 2D
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• Applications – Mesures de dilatation (projet ESA)
Caméra
holographique
Bras à 2
illuminations
Chambre à vide
Caméra
thermographique
Fenêtre ZnSe Fenêtre verre
Caméra
holographique
Bras à 2
illuminations
Chambre à vide
Caméra
thermographique
Fenêtre ZnSe Fenêtre verre
Interférométrie holographique 2D
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• Applications – Mesures de dilatation (projet ESA)
Interférométrie holographique 2D
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• Extension à la mesure 3D (Projets RW + ESA)
Holographic
camera
4 illumination
system
Interférométrie holographique 3D
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• Applications : Mesures thermoélastiques sur structures
spatiales en SiC (projet ESA)
Displacement X [µm]
Test Data Simulation Data
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5X - Test X - Sim X - Diff.
Displacement Y [µm]
Test Data Simulation Data
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5Y - Test Y - Sim Y - Diff.
Displacement Z [µm]
Test Data Simulation Data
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Displacement Delta Z [mm]
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Z - Test Z - Sim Z - Diff.
Interférométrie holographique 3D
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Détection de défauts
25
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• Efficient Composite Technologies for Aircraft
Components (ECOTAC)
– Plan Marshall
– 2011-2014
NDT inspection
Détection de défauts
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• Inspection des composites
– Détection de défauts
– Structures complexes
• Phase 1: Comparaison de techniques CND émergentes:
– Shearographie
– Thermographie
– Ultrasons par laser (sans contact)
• Phase 2:
– Développement d’une technique (ou combinaison de techniques)
– Inspection des composites développés dans ECOTAC
• Echantillons de tests pour Phase 1
– Proviennent du projet APC (Avion Plus Composites) : Marshall 07-10
– Structures complexes
– Défauts répertoriés
ECOTAC
Liège, 28 Février 2012 28
1
2
3
ECOTAC
4
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Description des techniques :
La Shearographie
29
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Shearographie
• Shearographie de speckle
)),(
sin(),( xx
yxyxShSh ji D
fD
Dx
x
x
yx
D
),(f
x
yxL
),(
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Shearographie
• Holographie-ESPI vs. Shearographie
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Shearographie
• Shearographie de speckle
– Avantages :
• Technique auto-référencée : pas de faisceau référence extérieur
• Peu sensible aux perturbations de l’environnement
– Application principale : détection de défauts
Sollicitations :
• Thermique
– Lampes halogènes
– Lampes quartz
– Flash ou continu
• Vibratoire
• (Dé)Pression
• Mécanique
www.dantecdynamics.com
www.steinbichler.de
www.isi-sys.com
www.laserndt.com
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Description des techniques :
La Thermographie
33
Liège, 28 Février 2012
• Thermographie : mesure de la température
– Loi de Planck d’émission du « corps noir »
– Tout corps porté à une certaine température émet un
rayonnement
34
Thermographie
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Thermographie
120 Hz
120 Hz
260 Hz
120 Hz
300 Hz
30 Hz
60 Hz
60 Hz
Maximum
frame rate
35 mK
25 mK
25 mK
1024 x 1024
640 x 512
384 x 288
8 ... 9 µm
(small band)
AlGaAs/
GaAs
Cooled
QWIP
FPA
20 mK640 x 512
384 x 2888 ... 10 µm
HgCdTe
(MCT)
Cooled
IR-Photodiode
FPA
85 mK
50 mK
40 mK
1024 x 768
640 x 480
384 x 288
8 ... 14 µma-Si
VOx
Uncooled
Microbolometer
FPA
NETD
@ 30°C
Maximum
pixel numbers
Spectral
range
Detector
MaterialType
120 Hz
120 Hz
260 Hz
120 Hz
300 Hz
30 Hz
60 Hz
60 Hz
Maximum
frame rate
35 mK
25 mK
25 mK
1024 x 1024
640 x 512
384 x 288
8 ... 9 µm
(small band)
AlGaAs/
GaAs
Cooled
QWIP
FPA
20 mK640 x 512
384 x 2888 ... 10 µm
HgCdTe
(MCT)
Cooled
IR-Photodiode
FPA
85 mK
50 mK
40 mK
1024 x 768
640 x 480
384 x 288
8 ... 14 µma-Si
VOx
Uncooled
Microbolometer
FPA
NETD
@ 30°C
Maximum
pixel numbers
Spectral
range
Detector
MaterialType
• Imagerie thermique
– Différentes gammes infrarouges
– Différentes technologies de caméras
LWIR MWIR
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Thermographie
• La thermographie pour le CND
– Mesurer des différences de température entre différentes
parties de la pièces
– Permet de détecter des défauts
• Caractéristiques thermiques différentes
– « Thermographie Active »
• On provoque des changements de température selon diverses
modalités par des moyens contrôlés
• Stimulation thermique
• Stimulation mécanique-ultrasonore
• Stimulation par induction
• …
Liège, 28 Février 2012 37
Thermographie
• Thermographie : excitation lampe pulsée – Optical
Pulse Thermography (OPT)
Liège, 28 Février 2012 38
Thermographie
• Thermographie : excitation lampe pulsée – Optical
Pulse Thermography (OPT)
Observation du passage d’une impulsion thermique et de
son effet sur les défauts internes
Le défaut a des caractéristiques thermiques
différentes de celles du matériau environnant
2zt
L’instant d’observation t donne une image à la profondeur z
( : diffusivité thermique du matériau)
Liège, 28 Février 2012 39
Thermographie
( nn
N
k
n jNknjtfF ImRe/2exp)(1
0
D
ΔT(kΔt)tN
nfn
D
22 ImRe nnnA
n
n
nRe
Imtan 1f
• Thermographie : thermographie pulsée
– Pulse Phase Thermography (PPT)
Liège, 28 Février 2012 40
Thermographie
• Thermographie : thermographie pulsée
– Pulse Phase Thermography (PPT)
f1=0,06 Hz f7=0,44 Hz
z profond t élevé
f basse
Liège, 28 Février 2012 41
Thermographie
• Thermographie : halogène modulée + lock-in
– Optical Lock-in Thermography (OLT)
Liège, 28 Février 2012 42
Thermographie
• Thermographie : halogène modulée + lock-in
– Optical Lock-in Thermography (OLT)
Liège, 28 Février 2012 43
Thermographie
• Thermographie : halogène modulée + lock-in
– Optical Lock-in Thermography (OLT)
– Plus la fréquence de modulation est petite, plus profond
on observe
Liège, 28 Février 2012 44
Thermographie
• Thermographie : Vibrothermographie + Ultrasons
– Ultrasound lock-in Thermography (ULT)
– Ultrasound Burst Thermography (UBT)
Liège, 28 Février 2012 45
Thermographie
• Thermographie : Vibrothermographie + Ultrasons
– Ultrasound lock-in Thermography (ULT)
– Ultrasound Burst Thermography (UBT)
Burst Lock-in w Lock-in w1 > w2
Liège, 28 Février 2012
Description des techniques :
Les Ultrasons Laser
46
Liège, 28 Février 2012 47
Ultrasons Laser
• Ultrasons Laser = Combinaison de 2 principes
• Génération d’ultrasons par Laser
• Détection d’ultrasons par Laser
• Lasers distincts
• Caractéristiques:
– Sans contact (qqs cm à qqs mètres)
– Sans couplant (air)
– Spots laser : qqs millimètres, peut atteindre des endroits
anguleux, difficiles d’accès
Liège, 28 Février 2012
• Génération par laser impulsionnel
• Deux processus possibles
– Régime thermo-élastique : non destructif
– Régime ablatif : destructif
– Efficacité de génération dépend de
Du matériau
La longueur d’onde du laser
La densité d’énergie de l’impulsion (en restant < seuil d’ablation)
48
Ultrasons Laser
Liège, 28 Février 2012
• Détection par interféromètre laser
• Divers principes commercialisés
– Fabry-Perot confocal (F-P)
– Mixage d’ondes dans cristal photoréfractif (TWM)
• Fabry-Perot
49
Ultrasons Laser
Mouvement ultrasonique
de la surface
Shift Doppler de la
fréquence laser
Modulation de fréquence transformée
en modulation d’intensité
Liège, 28 Février 2012
• Systèmes existants
50
Ultrasons Laser
LUIS (Tecnocampus Nantes) LUIS (Sacramento, 1996)
LUCIE (Tecnocampus, 2011) Lockheed Martin (2000)
Liège, 28 Février 2012
• Détection par TWM
51
Ultrasons Laser
• Réponse plate en fréquence
• Meilleure réponse aux basses fréquences que FP
• Beaucoup plus compact
• Mieux adapté aux composites
• Modes très basse fréquence : « LASER TAPPING »
Liège, 28 Février 2012
• Les UT Laser s’appliquent comme des UT
• Nécessitent un balayage
52
Ultrasons Laser
A-scan
Profondeur du défaut
Epaisseur de la pièce
Liège, 28 Février 2012
• Application : détection de défauts dans structures
composites de formes complexes
53
Ultrasons Laser
Liège, 28 Février 2012
• Laser Tapping (basses fréquences)
54
Ultrasons Laser
Basses fréquences Hautes fréquences
Liège, 28 Février 2012
Investigations des techniques
55
Liège, 28 Février 2012 56
Investigations CND
• Investigations par thermographie
CTA Espagne
-Caméra refroidie
-FLIR MWIR
-320x250
OPT+OLT+ULT : Edevis
OLT OPT + PPT
ULT ULT
Liège, 28 Février 2012 57
Investigations CND
• Investigations par thermographie
CTA Montréal
-Caméra refroidie
-Telops MWIR
-640x512
OPT : VisioOImage
OPT
HEPL (ISIL) – Ph.Demy
-Caméra non refroidie
-Xenics LWIR
-386x288
Vibrothermo
OPT
GEL-MIVIM / VisioOImage (Québec)
-Caméra non refroidie
-Jenoptik LWIR
-640x480
OPT
Liège, 28 Février 2012 58
Investigations CND
• Investigations par shearographie
CSL - Optrion - Airbus
-Caméra Megapixel
-Univ. Cape Town
-Diode laser 70 mW
Chaufferette
Halogène
CTA Montréal
-Caméra Megapixel
-Dantec Q810
-Diode laser 8x120 mW
Lampes Quartz
Liège, 28 Février 2012 59
Investigations CND
• Investigations par Ultrasons Laser
CTA Montréal
- Génération : laser pulsé CO2
- Détection : laser pulsé YAG (1064 nm)
- Sonde TWM
- Taux répétition : 100 Hz
- Spot : 2 mm
- Balayage : 0,5 mm
- TECNAR
Liège, 28 Février 2012 60
Thermographie
• Echantillon 1
Vibrothermo OPT+ PCT
FB1
OLT ULT
HEPL CTA Espagne CTA Espagne HEPL
Liège, 28 Février 2012 61
Thermographie
• Echantillon 1
OPT+ PCT OPT+PCT
VisioOImage/FLIR refroidie CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 62
Shearographie
• Echantillon 1
Chaufferette Lampe Quartz
CSL CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 63
Ultrasons Laser
• Echantillon 1
CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 64
Thermographie - Shearographie
• Echantillon 2
OLT OPT+ PPT ULT
chaufferette
CTA Espagne CSL
Liège, 28 Février 2012 65
Ultrasons Laser
• Echantillon 2
Liège, 28 Février 2012 66
Ultrasons Laser
• Echantillon 2
Liège, 28 Février 2012 67
Thermographie
• Echantillon 3
Liège, 28 Février 2012 68
Thermographie
f1=0,1 Hz
f1=0,1 Hz
f1=0,1 Hz
(5 périodes)
• Echantillon 3
CTA Espagne
Liège, 28 Février 2012 69
Thermographie
• Echantillon 3
f1=0,1 Hz
f1=0,05 Hz
(2 périodes)
CTA Espagne VisioOImage
Liège, 28 Février 2012 70
Thermographie
• Echantillon 3
CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 71
Shearographie
• Echantillon 3
CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 72
Ultrasons Laser
• Echantillon 3
CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 73
Thermographie
• Echantillon 4
CTA Montréal CSL
Liège, 28 Février 2012 74
Thermographie
• Echantillon 4
CTA Montréal
0,7
mm
1,5
mm
2,4
mm
CSL
Liège, 28 Février 2012 75
Thermographie
• Echantillon 4
CTA Montréal
CSL
Liège, 28 Février 2012 76
Ultrasons Laser
• Echantillon 4
CTA Montréal
Liège, 28 Février 2012 77
Ultrasons Laser
• Echantillon 4
CTA Montréal
C-Scan
Temps
de vol
C-Scan
Amplitude
Liège, 28 Février 2012 78
Ultrasons Laser
• Echantillon 4
CTA Montréal
C-Scan
Temps de vol
C-Scan
Amplitude
Liège, 28 Février 2012 79
ECOTAC
Thermographie Shearographie UT Laser
Profondeur 1,5 mm > 1,5 mm >>> 1,5 mm
Dimensions 3-4 mm 3-4 mm 2 mm
Interprétation + - ++
Détermination
de profondeur
- - ++
Mise en œuvre + + -
(balayage)
Coût €€ € €€€€
Liège, 28 Février 2012
Développements actuels
80
Liège, 28 Février 2012 81
• FANTOM : FP7 (fini Déc 2012)
– CSL : coordinateur
– Combinaison Interférométrie de speckle-Thermographie
– Système portable – NDT chez Airbus
Caméra
Thermographique
CO2 laser l = 10 µm
l = 8-14 µm ,.)(xI ,.)(xI
Interférométrie de speckle
en Infrarouge thermique
Hologramme
Specklegramme
Thermogramme
Liège, 28 Février 2012 82
• Découplage des signaux de déformation et température
82
Wrapped phase Unwrapped phase
Temperature variation Helicopter panel
3D plot of deformation
FANTOM
Liège, 28 Février 2012 83
(a) (b) (c)FANTOM interferogram FANTOM deformation
SHEARO deformationFANTOM thermogramOLT phase thermogram(d) (e) (f)
FANTOM
Liège, 28 Février 2012
84
• Validation industrielle: Airbus (D41, Toulouse)
FANTOM industrial prototype
84
FANTOM
Liège, 28 Février 2012
• Défauts dans structure composite
85
DT
Df
time
Lamp start
After 2 seconds After 30 seconds After 6 minutes
FANTOM
Liège, 28 Février 2012 86
• ECOTAC Phase 2 (2013-2014) : Ultrasons Laser
– Développement des Ultrasons Laser
– Sonde TWM, inclus Laser Tapping
– Bras-robot
– Poursuites investigations par thermo-shearo
• De-Composit (Région Wallonne – Cwality):
– Optrion S.A. : développe tête shearo portable
– CSL : Post-processing pour détection automatique des défauts
– Délaminages – décollements
– Inspection aéronautique en maintenance
– Go/No Go
• FANTOM : FP7 (fini Déc 2012)
– CSL : coordinateur
– Combinaison Interférométrie de speckle-Thermographie
– Système portable – NDT chez Airbus
Liège, 28 Février 2012 87
DE-COMPOSIT
Liège, 28 Février 2012
Le Futur
88
• Thème à approfondir : Détermination des paramètres de
défauts assistée par simulation – Reverse Engineering
• R&D de nouvelles technologies NDT (ex. FANTOM,
De-Composit, Ultrasons Laser,…)
• Prestations
• Peut-être avec vous ?
Merci de votre attention !