New Tests non-destructifs (NDT) pour structures en matériaux … · 2013. 10. 25. · Tests...

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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

Liège, 28 Février 2012 4

• 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

Liège, 28 Février 2012 5

Mesures dimensionnelles

• Projet Engine Composite (E_COM) : Plan Marshall 2009-2013

• Caractérisation de coupons composites-hybrides

Liège, 28 Février 2012 6

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

Liège, 28 Février 2012 8

Mesures dimensionnelles

Liège, 28 Février 2012 9

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

Liège, 28 Février 2012 10

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

Liège, 28 Février 2012 12

Interférométrie holographique

Holographie – 2 : Principe de lecture

LASER

miroir

Support

holographique

Séparateur

de faisceau

lentille

lentille

Liège, 28 Février 2012 13

Interférométrie holographique

Holographie – 3 : Lecture avec objet

LASER

Superposition de

-L’hologramme reconstruit

-L’image directe

miroir

Séparateur

de faisceau

Support

holographique

Liège, 28 Février 2012 14

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

Liège, 28 Février 2012 15

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)

Liège, 28 Février 2012 17

• 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

Liège, 28 Février 2012 18

Modes de Vibration

Métrologie

Détection de défauts

Interférométrie holographique 1D

• Applications

Liège, 28 Février 2012 19

• Applications : Détection de défauts (Plan Marshall E_COM)

Holographic

camera

Interférométrie holographique 1D

Liège, 28 Février 2012 20

• 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

Liège, 28 Février 2012 21

• 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

Liège, 28 Février 2012 22

• Applications – Mesures de dilatation (projet ESA)

Interférométrie holographique 2D

Liège, 28 Février 2012 23

• Extension à la mesure 3D (Projets RW + ESA)

Holographic

camera

4 illumination

system

Interférométrie holographique 3D

Liège, 28 Février 2012 24

• 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

Liège, 28 Février 2012

Détection de défauts

25

Liège, 28 Février 2012 26

• Efficient Composite Technologies for Aircraft

Components (ECOTAC)

– Plan Marshall

– 2011-2014

NDT inspection

Détection de défauts

Liège, 28 Février 2012 27

• 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

Liège, 28 Février 2012

Description des techniques :

La Shearographie

29

Liège, 28 Février 2012 30

Shearographie

• Shearographie de speckle

)),(

sin(),( xx

yxyxShSh ji D

fD

Dx

x

x

yx

D

),(f

x

yxL

),(

Liège, 28 Février 2012 31

Shearographie

• Holographie-ESPI vs. Shearographie

Liège, 28 Février 2012 32

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

Liège, 28 Février 2012

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

Liège, 28 Février 2012 35

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

Liège, 28 Février 2012 36

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 !