ES2846373T3 - Sistema de inspección por ultrasonidos y procedimiento de control de calidad ultrasónico - Google Patents

Abstract

Rodillo de inspección por ultrasonidos provisto de una rueda (1), que comprende, al menos en su cubierta, un material deformable, un sistema de detección por ultrasonidos (3) y un soporte (2) para retener el sistema de detección dentro de la rueda, apoyándose el sistema en una cuña (4) conectada al sistema de detección por ultrasonidos (3) por un extremo y provisto de un perfil curvado por su otro extremo mirando hacia la rueda (1), adaptado a la forma curvilínea de la rueda (1) de modo que, cuando el rodillo es presionado contra una pieza a inspeccionar, la propia cuña ejerce la presión necesaria, y un líquido (5) colocado dentro de la rueda (1) de modo que el sistema de detección (3) se acople acústicamente a la cuña (4) y la cuña (4) se acopla acústicamente a la rueda (1) mediante el líquido (5), en el que el material tiene una dureza de entre 4 y 55 puntos de dureza Shore A, y el líquido (5) tiene una densidad superior a 9,9.102 kg/m3.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de inspección por ultrasonidos y procedimiento de control de calidad ultrasónico

Campo de la invención

La presente invención se refiere a técnicas de inspección no destructivas para realizar un control de la calidad en tiempo real, en particular, pero sin limitación, de procedimientos de fabricación de material composite con fibras, procedimientos de curado fuera de un autoclave y procedimientos convencionales, tales como en autoclave. Más en particular, la invención se refiere a una nueva técnica basada en un sistema de inspección ultrasónica.

Estado de la técnica

Tradicionalmente el mayor volumen de piezas que se fabrican hoy en día para la industria aeronáutica en material composite se realiza según procedimientos de curado en autoclave. Entre los principales puntos débiles de esta tecnología conviene citar:

- la ineludible fuerte inversión, no solo por todo el equipamiento necesario, sino también por toda la infraestructura asociada al procedimiento en autoclaves (espacio necesario, instalaciones, utillaje, materiales auxiliares, mantenimiento, etc.);

- la necesidad de disponer de un tamaño físico de autoclave suficiente para albergar la pieza a fabricar, lo cual claramente impone una limitación en el diseño de las piezas a fabricar, reduciendo la flexibilidad en la fabricación;

- el reducido rendimiento energético del procedimiento que encarece el precio de piezas de material composite fabricadas según esta tecnología de curado.

Entre las opciones que se barajan para superar estos inconvenientes, estarían el uso de tecnologías alternativas para el curado/reticulado de la resina sin necesidad de autoclave. Algunas de estas tecnologías son: curado por haz de electrones, curado por microondas, curado por radiofrecuencia y curado por inducción. Cada una de estas tecnologías presenta sus ventajas e inconvenientes, así como su grado de madurez para diversas aplicaciones, y todas presentan en común la eliminación de la autoclave para el curado final de la pieza. Desde el marco de la necesidad de inspección no destructiva de las piezas de material composite, y en especial piezas fabricadas según nuevos procedimientos, es obvio que estos nuevos procedimientos se tienen que dotar de una solución / tecnología de inspección que sea capaz de adaptarse a los requerimientos específicos de estos procedimientos, pero que a su vez como mínimo mantengan las capacidades de la inspección de los sistemas actuales para inspección de piezas fabricadas en autoclave. Las técnicas de pruebas por ultrasonidos no destructivas (NDT) actuales realizan un control de la calidad en la pieza, una vez que la pieza se ha fabricado y que el material ha sido curado completamente. Las NDT se han utilizado durante décadas para detectar defectos materiales y estructurales. La idea básica es simple: un sistema electrónico excita un transductor ultrasónico generando un pulso de onda mecánica de alta frecuencia que se introduce y se propaga en el material sometido a inspección. Cuando el pulso ultrasónico encuentra una heterogeneidad dentro del material, parte de la energía incidente es reflejada en forma de eco que vuelve al transductor, en el que las vibraciones se vuelven a convertir en señales eléctricas. Después de la amplificación, los ecos indican la presencia de un defecto, su posición y estimación de tamaño.

Estas técnicas se han desarrollado mucho y tienen muchas aplicaciones en diferentes áreas industriales. Son particularmente indispensables en los campos de la aeronáutica, generación de energía, prospección de petróleo, transporte ferroviario y obras públicas en los que la verificación de estructura y los márgenes de seguridad de las piezas son una obligación y se realizan con técnicas NDT. Asimismo, la mayoría de las industrias de fabricación (metalúrgica, automovilística, máquina herramienta, etc.) usan técnicas NDT para asegurar la calidad de sus productos.

Los sistemas NDT a menudo se han automatizado asociándolos con robots que escanean mecánicamente las piezas para asegurar la integridad estructural a lo largo de su dimensión.

Los avances tecnológicos en los últimos años en el campo de la electrónica y las tecnologías de transducción de ultrasonidos han permitido realizar inspecciones con una precisión y velocidad nunca antes vistas. Actualmente el estado de la técnica de la tecnología permite construir sistemas electrónicos muy complejos de decenas a varios cientos de canales, esto es posible como resultado de la integración masiva de funciones de procesamiento de hardware proporcionadas por la tecnología.

La tecnología basada en matriz ultrasónica facilita la deflexión arbitraria y el enfoque del haz ultrasónico en emisión y recepción sin necesidad de mover o alterar el transductor por medio de un control electrónico. La composición de los rastros recibidos permite construir imágenes 2D y 3D del interior de los materiales sometidos a inspección. De hecho, el ultrasonido se ha utilizado en medicina durante casi tres siglos con notable éxito.

Desde la aparición en el mercado del primer sistema exitoso de NDT con matrices [FOCUS-TomoScan ©, por Rd Tech, Canadá] en 1996, esta tecnología está siendo demandada por un número creciente de usuarios en diferentes sectores industriales, ya que las ventajas que aporta compensan su alto coste.

Uno de los problemas que limita la aplicabilidad de la inspección mediante ultrasonidos en piezas de fibra de carbono es la necesidad de acoplar los transductores a los materiales. Debido a las grandes diferencias de impedancia acústica, se producen grandes pérdidas de inserción entre emisión y recepción si no se dispone de un medio de acoplamiento adecuado. Esto se resuelve, por ejemplo, realizando inmersiones completas o parciales mediante chorros de agua o micro-pocillos, que es un procedimiento engorroso, como en el documento EP1914544A2, o necesita películas de agua en contacto con el material sometido a inspección para acoplar ultrasónicamente el transductor con dicho material. El documento US2004/0045358 describe un rodillo de inspección por ultrasonidos provisto de una rueda que comprende en su cubierta un material similar al caucho que tiene una dureza entre 10 y 40 puntos de dureza Shore A, un sistema de detección por ultrasonidos y un soporte para retener el sistema dentro de la rueda; el soporte incluye una cuña conectada por un extremo al sensor sistema de modo que el sistema de detección se acople acústicamente a la cuña, que está provista de un perfil curvado en su otro extremo mirando hacia la rueda y está adaptado a la forma curvilínea de la rueda; la cuña se acopla acústicamente a la rueda mediante glicerina colocada en el interior la rueda.

Sumario de la invención

El objeto de la presente invención consiste en permitir la detección temprana de problemas durante la fabricación de composites y la realización de medidas correctoras en tiempo real, así como garantizar u buen acoplamiento entre los transductores y el material sometido a inspección en condiciones secas. En particular, el procedimiento y el dispositivo de inspección de la invención garantizan:

• Capacidad de acoplarse a una superficie en movimiento, con una velocidad de procesamiento capaz de analizar el componente en tiempo real a medida que la herramienta de fabricación va añadiendo las capas de fibra de carbono que componen el conjunto de material composite.

• No utilizar materiales/líquidos que puedan contaminar o degradar el material preimpregnado antes del curado. • Resolución adecuada para la detección de defectos en el material que supongan una degradación de las propiedades mecánicas del componente.

• Intervalo dinámico adecuado a la inspección de materiales de elevada atenuación tales como materiales composite.

Para este fin, la invención proporciona un rodillo de inspección por ultrasonidos según se define en la reivindicación 1, siempre con una rueda que comprende, al menos en su cubierta, un material elastomérico, un sistema de detección por ultrasonidos y un soporte para retener el sistema de detección dentro de la rueda, en el que una cuña está alojada dentro del rodillo conectado al sistema de detección por ultrasonidos por un extremo y siempre con un perfil curvado en su otro extremo mirando hacia la rueda, estando adaptado el perfil curvado a la forma curvilínea de la rueda. Dentro de la rueda, un líquido de densidad superior a 9,9 102 kg / m3 habilita el sistema de detección, la rueda y la cuña para que se acoplen acústicamente. El material de la parte exterior (el elastómero) tiene una dureza de entre 4 y 55 puntos de dureza Shore A, por lo que se deforma suficientemente al aplicar una presión moderada en la pieza sometida a inspección. El material de la cuña comprende ventajosamente rexolita y el líquido puede ser glicerol. Preferentemente, el grosor de la rueda (1) Er, el grosor de una pieza sometida a inspección Ep y el grosor de la cuña (4) Ec siguen las relaciones:

Er>Vr/Vp*Ep

Ec>2*Vc/Vp*Ep

en las que Vr es la velocidad de propagación de la onda en la rueda; Vp es la velocidad de propagación de la onda en la pieza y Vc, la velocidad en la cuña. El rodillo está especialmente diseñado para evaluar la calidad de los materiales composite con fibra de carbono durante su fabricación por medio de procesos de curado fuera de autoclave.

La invención también proporciona un procedimiento según se define en la reivindicación 4.

Tanto el procedimiento como el sistema de la presente invención también facilitan la optimización de los parámetros de fabricación, ya que el efecto de la variación de estos parámetros en la pieza fabricada puede determinarse al instante. Las ventajas de la invención se traducen en:

• Una reducción del tiempo de fabricación y del coste del material, ya que permite la detección temprana del defecto cuando es se genera realmente y por lo tanto detener el procedimiento antes de agregar más valor a la pieza defectuosa.

• Una rápida mejora de los procedimientos de fabricación, ya que proporciona un sistema que permite detectar instantáneamente la influencia de cada uno de los parámetros de fabricación en el material final.

• Incremento de la fiabilidad de las piezas fabricadas como resultado de la optimización del procedimiento de fabricación más eficiente, así como la reducción de interferencias para inspección como resultado de la geometría y acabado final de la pieza.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar un mejor entendimiento de la invención, se proporciona un juego de figuras. Dichas figuras ilustran una realización preferente de la invención, la cual no debe interpretarse como limitante del ámbito de la invención, sino solo a modo de ejemplo acerca de cómo se puede llevar a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras

La figura 1 muestra el sistema de inspección por ultrasonidos de acuerdo con la invención.

La figura 2 muestra un sistema para la fabricación de materiales laminados con polímero reforzado con fibra de carbono con curado fuera de autoclave que incorpora el sistema de inspección de la invención.

La figura 3 muestra un detalle del rodillo de inspección de la presente invención.

Descripción de la invención

Con referencia a las figuras 1 y 3, la invención desarrollada es un rodillo de inspección con una rueda de inspección (1) que comprende, al menos en su cubierta, un material elastomérico relleno de un líquido de alta densidad (5), lo que de este modo permite el acoplamiento acústico con el material sometido a inspección sin la necesidad de un líquido de acoplamiento adicional en contacto con el material que se va a analizar. El material elastomérico de la rueda (1) es compatible preferentemente con un material fresco preimpregnado con polímero reforzado con fibra de carbono y es inocuo en relación con el mismo para impedir que se contamine. El sistema de detección por ultrasonidos (3) se une a una estructura de soporte (2). Este sistema descansa sobre una cuña (4) con perfil curvado en su cara externa que se adapta a la forma curvilínea de la rueda de elastómero (1). Por último, el sistema (3) está acoplado acústicamente a la cuña, y esta última a la rueda, mediante un líquido de alta densidad (5), con una densidad al menos superior a la del agua a temperatura ambiente, es decir, superior a 9,9102 kg/m3 para reducir los reflejos mediante desacoplamiento de impedancia. En una realización preferida, el líquido es glicerol. El sistema es estanco (6) para evitar dichas pérdidas de líquido. Como puede verse en la figura 2, cuando el rodillo presiona contra la pieza sometida a inspección, se establece una trayectoria acústica entre transductores ultrasónicos, líquido de alta densidad, cuña con perfil circular, líquido de alta densidad, rueda deformada, pieza sometida a inspección. La presencia del líquido (5) de alta densidad en el interior actúa también como lubricante lo que permite el deslizamiento al movimiento del rodillo (1). Además, este líquido (5) no tiene que estar a presión porque es la propia cuña (4) la que ejerce la presión necesaria, la cual mejora apreciablemente el acoplamiento mecánico e influye favorablemente en la resolución e intervalo dinámico obtenido con el sistema. El rodillo se puede unir a resortes en el lado que mira hacia la pieza sometida a inspección, de modo que esté en estrecho contacto con la pieza en todo momento cuando esta última, pase por la línea de inspección.

El sistema sensorial formado por uno o varios transductores opera en modo de pulso-eco adquiriendo durante el procedimiento de rodaje sobre el componente la onda de eco resultado de la propagación del ultrasonido a través del componente en fabricación. Esta señal es procesada para obtener información de la presencia de discontinuidades en el material, poros, faltas de material, diferencias en el grado de curado del material que desvelen información sobre las propiedades mecánicas del componente. El rango de frecuencia de este sistema sensorial es el habitual a los sistemas de imagen (105-107Hz), viniendo los límites determinados por las condiciones de la aplicación, por debajo las dimensiones de los defectos a detectar y por encima las características dispersivas del material. Para la aplicación objeto de esta patente esto es entre 2 MHz y 10 MHz.

Las señales adquiridas en un instante de tiempo dado están asociadas a una determinada posición sobre el componente y a una determinada configuración del mismo en función al número de capas colocadas y a su estado de curación. El correcto etiquetado de las mismas permite evaluar la progresión del procedimiento de curado y de fabricación del componente manteniendo un histórico que permite prever la futura aparición de defectos y de esta forma ejercer las acciones correctivas necesarias para evitar el degrado del componente.

Las dimensiones de la rueda, su diámetro y su banda de rodadura vienen determinadas por las características del componente, el espesor total de la pieza a examinar y la anchura de las telas del material usado en la fabricación respectivamente. El espesor máximo del componente determina igualmente el espesor de la cuña (4) que debe ser aquel que garantice que el segundo eco del frente de onda ultrasónico con la cara externa de la cuña esté localizado más allá del eco que se produce en el fondo de la pieza. Más concretamente, y para evitar problemas de reflexiones indeseadas durante la fase análisis de la señal, el tiempo de vuelo de la onda a través de la rueda (Tr) ha de ser preferiblemente superior al tiempo de vuelo en la pieza a ensayar (Tp). Asimismo, el tiempo de vuelo de ultrasonidos a través de la cuña (Tc) será preferiblemente superior al tiempo de vuelo en la rueda más el tiempo de vuelo de ultrasonidos de la pieza:

Tr>Tp

Tc>Tr+Tp

Por tanto, Tc>2Tp

A partir de estas especificaciones, podemos obtener la relación entre espesores de los materiales (Er, espesor del rodillo; Ep, espesor de la pieza, y Ec, espesor de la cuña) en función de las velocidades de propagación de la onda en los mismos (Vr, velocidad en el rodillo; Vp, velocidad en la pieza, y Vc, velocidad en la cuña):

Er>Vr/Vp*Ep

Ec>2*Vc/Vp*Ep

Respecto a la electrónica, en emisión, el voltaje al que opera el circuito de excitación del transductor debe garantizar la capacidad de penetración del ultrasonido en el componente y la etapa de recepción debe permitir el cambio de ganancia de recepción con el tiempo para garantizar la detección del fondo del componente. Los transductores pueden ser excitados en forma conjunta o separada y las señales de eco pueden adquirirse sobre el mismo transductor que realizo la emisión o sobre otro. En cualquier caso, es necesario que el sistema sea capaz de asociar cada señal con el transductor, o los transductores, de excitación y de recepción para el correcto procesamiento de los datos. El procesamiento de los datos conlleva la generación de una imagen tipo B-scan, que pueden ser generadas por técnicas de conformación de haz si se decide la acción coordinada de varios elementos, y las correspondientes C-scan y D-scan dentro de una o varias ventanas de interés seleccionadas según el criterio del evaluador. Y deben poder ser contrastadas con el histórico de anteriores pasadas de deposición del material.

En una realización particular, el sistema de detección por ultrasonidos se elige para trabajar a una frecuencia de 5 MHz que es la frecuencia "estándar" en los procedimientos de control de calidad por ultrasonidos en la industria aeronáutica. Esta frecuencia proporciona un compromiso adecuado entre resolución y capacidad de penetración de los materiales utilizados. La frecuencia de prueba es sin duda una variable dependiente de la aplicación que debe seleccionarse de un intervalo normal de 1-10 MHz. El sistema de detección por ultrasonidos de elementos múltiples está organizado en una matriz piezoeléctrica de 128 elementos, aunque el número de elementos puede adaptarse a la aplicación específica. La matriz está acoplada a una pieza de rexolita plana convexa, un material polimérico de baja atenuación. La sección plana está unida a la matriz y la sección convexa entrará en contacto con el rodillo a través de una capa delgada de fluido de acoplamiento de alta densidad (en este caso, glicerol). El contacto entre el material plástico y el rodillo permite presionar el mismo sobre la pieza de polímero reforzado con fibra de carbono, mejorando el acoplamiento mecánico.

En cuanto a la rueda, su cubierta externa puede fabricarse a partir de diferentes materiales elastoméricos. Una de las características más importantes para obtener un buen acoplamiento mecánico es que se deforme suficientemente aplicando una presión moderada sobre la pieza sometida a inspección (aproximadamente 0, 7 bar). En elastómeros habitualmente se mide este parámetro como la dureza "shore" del material, siendo deseables unos valores del orden de entre 4 y 55, preferentemente, 18 puntos de dureza shore A. Para permitir el giro de la rueda sobre el eje que contiene la "matriz" ultrasónica, se dispusieron unos rodamientos acoplados a piezas que mantengan la estanqueidad del interior del rodillo.

El sistema de detección por ultrasonidos va sujeto a una estructura metálica, que, a través de un eje, va sujeta a unos actuadores neumáticos, los cuales a su vez van atornillados al panel móvil de la máquina de fabricación. Cuando comienza el procedimiento de inspección, los actuadores neumáticos bajan, poniendo el rodillo en contacto con el material a inspeccionar. A la vez, el resto de los elementos de la máquina de fabricación van añadiendo las telas con resina, compactando y curando el material. Cada vez que queda colocada una nueva tela, los sistemas neumáticos levantan el rodillo, permitiendo desplazar lateralmente el sistema de fabricación para proceder a la colocación de la siguiente tela.

Conforme la rueda se va moviendo por el material se van disparando alternativamente de forma independiente los 128 transductores que forman el sistema sensorial. En cada disparo se adquieren las señales de al menos dos transductores consecutivos, incluido el de emisión. Cuando se han adquirido un número determinado de ellas, elegido por el operador del sistema, estas señales se procesan como si se tratara de una apertura trabajando en barrido lineal, formando una línea dentro de una imagen B-scan. El conjunto de señales que se componen a partir de los 128 disparos consecutivos forma la imagen B-scan asociada a la posición relativa de la rueda sobre el componente. Las diferentes B-scan obtenidas en la deposición de cada capa de material se agrupan para ser procesadas conjuntamente en una ventana de interés determinada por el operador. Se producen así una imagen tipo C-scan y otra D-scan que mostrarán la posible presencia de discontinuidades en el material.

El procedimiento permite obtener información del material composite capa por capa durante el procedimiento, no solo con la capacidad de inspeccionar el material sino ayudar la optimización del procedimiento o incluso retroalimentarlo al sistema de fabricación para tratar de corregir los defectos, como por ejemplo la falta de compactación, producida en las capas anteriores.

El procedimiento de inspección también permite, en conjunto con la tecnología de matriz de fase, variar los parámetros de inspección para que puedan optimizarse no solo según el grosor que se vaya a inspeccionar, sino incluso según el defecto por detectar (porosidad, arrugas, delaminaciones, falta de curado, etc.) Estas potencialidades se obtienen en función de las características asociadas a la tecnología de matriz en fase: enfoque dinámico, apertura variable y capacidades de dirección.

Con la implementación de transductores de recepción en el otro lado de la pieza, que podría integrarse en la herramienta de fabricación adherida al mismo o incrustarse directamente en él sería posible trabajar en modo de transmisión (TT) en lugar de ultrasonido de pulso-eco (PE). La técnica de transmisión amplía el intervalo dinámico de grosores por inspeccionar ya que para ese caso de que el parámetro ultrasónico sometido a controlar no sea la reflexión de eco, afectada por las interfaces intermedias y sus rebotes secundarios, sino la señal transmitida.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Rodillo de inspección por ultrasonidos provisto de una rueda (1), que comprende, al menos en su cubierta, un material deformable, un sistema de detección por ultrasonidos (3) y un soporte (2) para retener el sistema de detección dentro de la rueda, apoyándose el sistema en una cuña (4) conectada al sistema de detección por ultrasonidos (3) por un extremo y provisto de un perfil curvado por su otro extremo mirando hacia la rueda (1), adaptado a la forma curvilínea de la rueda (1) de modo que, cuando el rodillo es presionado contra una pieza a inspeccionar, la propia cuña ejerce la presión necesaria, y un líquido (5) colocado dentro de la rueda (1) de modo que el sistema de detección (3) se acople acústicamente a la cuña (4) y la cuña (4) se acopla acústicamente a la rueda (1) mediante el líquido (5), en el que el material tiene una dureza de entre 4 y 55 puntos de dureza Shore A, y el líquido (5) tiene una densidad superior a 9,9.102 kg/m3.

2. Rodillo de inspección por ultrasonidos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el líquido (5) es glicerol.

3. Uso de un rodillo de inspección por ultrasonidos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el grosor de la rueda (1) Er, el grosor de una pieza a inspeccionar Ep y el grosor de la cuña (4) Ec siguen las siguientes relaciones:

Er>Vr/Vp*Ep

Ec>2*Vc/Vp*Ep

en las que, Vr es la velocidad de propagación de la onda en la rueda; Vp es la velocidad de propagación de la onda en la pieza y Vc, la velocidad en la cuña.

4. Procedimiento de evaluación de la calidad de materiales composite con fibra de carbono durante su fabricación por medio de procedimientos de curado fuera de un autoclave, caracterizado porque se realiza por medio de un rodillo de inspección por ultrasonidos de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, o bien porque incluye el uso de un rodillo de inspección por ultrasonidos de acuerdo con la reivindicación 3.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la inspección del material se realiza capa por capa durante el procedimiento.

6. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque la inspección ultrasónica opera en modo de pulso-eco.

7. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque la inspección ultrasónica opera en modo de transmisión.