Air-coupled ultrasonic inspection of fiber reinforced composite materials

Abstract

El aumento en el uso de materiales compuestos en los últimos años ha llevado a la industria al desarrollo de nuevos procesos de fabricación de maetriales compuestos, como la pultrusión ultravioleta 3D. Estos nuevos procesos de fabricación, generalmente reducen los costes, el tiempo de ciclo o ambos. Garantizar la calidad de las piezas fabricadas con estos nuevos procesos es fundamental. Por lo tanto, es necesario obtener conocimiento sobre estos procesos de fabricación, especialmente sobre el comportamiento del material durante el curado. Para monitorizar estos procesos, se requiere el desarrollo de nuevas técnicas de inspección no destructivas. Para la pultrusión ultravioleta 3D, es necesario el uso de pruebas no destructivas sin contacto. Además, para las partes estructurales, garantizar las propiedades mecánicas requeridas da un valor añadido a la parte. En esta tesis, se evalúa la viabilidad de los ultrasonidos con acoplamiento por aire para la fabricación de piezas reforzadas con fibra de tipo placa. Al principio, se evalúan los materiales isotrópicos, considerando el curado ultravioleta de una resina viniléster. Los ultrasonidos con acoplamiento por aire han demostrado ser lo suficientemente rápidos como para seguir el curado ultravioleta, por medio de espectroscopía ultrasónica en angulo quasi-normal. Después, se evalúan las propiedades mecánicas en los polímeros reforzados con fibra con ultrasonidos con acoplamiento por aire. Se define la configuración óptima para generar ondas de Lamb por aire, en placas con diferentes propiedades. Los ultrasonidos con acoplamiento por aire demostraron que es lo difícil generar modos de Lamb con diferentes velocidades, aunque fue posible con una configuración mixta de ultrasonidos láser y con acomplamiento por aire. Por último, las ondas de Lamb por aire se han utilizado con los ultrasonidos con acoplamiento por aire para evaluar las propiedades de un polímero reforzado con fibra durante el curado térmico. El tensor de rigidez del material compuesto se midió durante el curado observando las mayores variaciones al final del curado. La principal conclusión de esta tesis es que el potencial de los ultrasonidos con acoplamiento por aire para monitorear los procesos de fabricación reforzados con fibra es elevado. Puede presentar tanto la velocidad requerida para monitorizar procesos de curado rápido como el curado ultravioleta, con mediciones en menos de un segundo; y la capacidad de caracterizar la matriz de rigidez ortotrópica de un polímero reforzado con fibra, mediante el uso de modelos micromecánicos. Los ultrasonidos con acoplamiento por aire se pueden usar para caracterizar las propiedades de materiales con diferentes geometrías, tanto curvas como huecas.