Analisi Con Ultrasuoni (UT)
DIFETTI RILEVABILI IN STRUTTURE IN MATERIALE COMPOSITO
- Presenza e tipologia di delaminazioni
- Presenza di vuoti tra le fibre
- Corretto incollaggio delle strutture
- Uniformità dello spessore della stratificazione
- Compattazione delle fibre
- Uniformità delle proprietà meccaniche della struttura
- Eventuali inclusioni di materiale estraneo alla laminazione
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VANTAGGI
- Metodo non distruttivo
- Analisi estensiva delle strutture
- Dati oggettivi (proprietà fisiche della struttura)
- Strumentazione portatile
- Analisi su metalli e strutture composito
ULTRASUONI: PRINCIPI FONDAMENTALI
Che cos’è l’ultrasuono?
Il suono generato al di sopra della banda del suono udibile dall’orecchio umano (tipicamente 20KHz) è chiamato ultrasuono. La banda di frequenze normalmente utilizzate nei test non distruttivi con ultrasuoni è compresa tra 100KHz e 50MHz. L’ultrasuono si comporta come il suono udibile, ma dato che ha una lunghezza d’onda minore viene riflesso da superfici molto piccole come i difetti all’interno dei materiali. Questa proprietà viene sfruttata per i test non distruttivi.
Lo Spettro Acustico divide il suono in tre bande di frequenza; la banda dell’ultrasonoro è ulteriormente divisa in tre parti.
Frequenza, Periodo e Lunghezza d’Onda
Le vibrazioni ultrasonore si propagano sotto forma di onda, nello stesso modo in cui viaggia la luce. Però, a differenza della luce che si propaga anche nel vuoto, l’ultrasuono richiede un mezzo elastico come un liquido o un solido.
Nella Figura 1 sono mostrati i parametri principali che caratterizzano un’onda. Questi parametri sono la lunghezza d’onda (λ) e il periodo (T) di un ciclo completo.
Il numero di cicli completati in un secondo si chiama frequenza (f) ed è misurata in Hertz (Hz), ecco qualche esempio:
- 1 ciclo/secondo = 1Hz
- 1000 cicli/secondo = 1KHz
- 1000000 cicli/secondo = 1MHz
Il tempo impiegato per completare un intero ciclo è il periodo (T), misurato in secondi. La relazione tra la frequenza e il periodo di un’onda è:
La velocità dell’ultrasuono (c) in un materiale perfettamente elastico, a una data temperatura e pressione, è costante. La relazione tra c, f ,λ e T è:
λ= c/f ; λ= cT
I metodi comunemente utilizzati per l’analisi con ultrasuoni utilizzano le onde longitudinali o le onde trasversali. Esistono altre forme di propagazione dell’ultrasuono, tra cui le onde superficiali e le onde di Lamb.
L’onda longitudinale è un’onda di compressione in cui il moto delle particelle è parallelo alla direzione di propagazione.
Nell’onda trasversale il moto delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione.
Le onde superficiali (di Rayleigh) hanno un moto delle particelle ellittico e si propagano sulla superficie di un materiale. La loro velocità è pari a circa il 90% della velocità delle onde trasversali e lo spessore di materiale interessato dal fenomeno è circa pari ad una lunghezza d’onda.
Le onde di Lamb hanno un complesso modo di vibrazione e si manifestano quando lo spessore del materiale è minore della lunghezza d’onda dell’ultrasuono che lo attraversa
La Figura 2 mostra uno schema del moto delle particelle in funzione della direzione di propagazione per le onde longitudinali e trasversali.
Applicazione dell’Ultrasuono
Durante un test non distruttivo con ultrasuoni vengono inviate onde sonore ad alta frequenza in un campione per ottenerne informazioni senza alterarlo o danneggiarlo. Il valore misurato in un test a ultrasuoni è il tempo di volo ovvero il tempo impiegato dal suono per attraversare il campione. A partire dal tempo di volo (ts) e dalla velocità dell’onda (c) può essere misurato lo spessore del materiale (t):
PULSE-ECHO A. SCAN PER LA VERIFICA DELLA QUALITÀ DI PRODOTTI E PROCESSI PRODUTTIVI
Trattando di strutture che non vengono realizzate in modo industriale; al fine di possedere una valutazione obiettiva della qualità della struttura ed indirettamente della bontà del metodo di realizzazione dello stesso, è importante eseguire delle analisi estese, in quanto un metodo statistico non permette di valutare con certezza il grado di qualità del prodotto.
A questo proposito il metodo di analisi con gli ultrasuoni risulta particolarmente efficace, dato che è possibile rilevare quanti spettri si vogliono di altrettanti punti della struttura senza lasciarvi alcuna traccia dell’analisi avvenuta.
L’analisi degli spettri raccolti permette, con opportuni software e con l’esperienza, di definire la qualità della struttura secondo i seguenti parametri:
- presenza di delaminazioni
- tipologia delle delaminazioni
- uniformità dello spessore della stratificazione
- compattaggio delle fibre;
- uniformità delle proprietà meccaniche della struttura
- eventuali inclusioni di materiale estraneo alla laminazione
Seguendo la procedura qui descritta è possibile fornire al cliente un prodotto garantito da un metodo di analisi che si avvale di dati oggettivi ed inequivocabili quali velocità degli ultrasuoni, ampiezza del segnale ecc.… dimostrando oltre all’affidabilità del prodotto un background tecnologico invidiabile.
Non meno importante è la mole di informazioni che opportunamente sviscerate è in grado di permettere al settore produttivo e progettuale di crescere tecnicamente e qualitativamente.
La grande incognita delle strutture composite attualmente in uso nel mondo della nautica è il loro comportamento nel tempo.Conoscere a fondo cosa accade ad una struttura dopo un certo periodo d’uso garantisce al costruttore delle preziose informazioni che possono permettere di evitare il ripetersi di determinati errori; ma soprattutto dona al cliente la sicurezza di navigare senza dubbi sulla solidità della propria imbarcazione.
Infatti nel caso si riscontrassero difetti, questi verrebbero immediatamente riparati senza permetterne la propagazione.
Le più utili ed importanti informazioni ottenibili da uno scafo in uso sono senz’altro quelle ricavabili dall’analisi spettrale negli stessi punti e con lo stesso sistema del controllo post-produzione, in quanto il confronto diretto tra i nuovi dati e quelli precedenti permette di mettere in luce le differenze che sono intercorse durante il periodo di esercizio.
In particolare si andrebbero a verificare:
- variazione delle proprietà meccaniche
- propagazione di delaminazioni preesistenti
- nuove delaminazioni
Schema esplicativo
