Cuando una pieza de aluminio para el automóvil se hace, por
ejemplo, en moldeo de baja presión, inmediatamente después de la prensa hay un
sistema de Rayos X que detecta al 100%, en ciclo con la máquina, defectos
estructurales de la pieza en cuestión
Los Rayos X están muy bien, pero exige una serie de
aprobaciones/permisos/aislamientos, que tiene su complejidad
En otros casos, se pueden instalar sistemas de detección de
defectos basados en infrarrojos
No soy especialista en pros y contras de ambas tecnologías;
solo pretendo con el presente post contribuir a la divulgación de este potente
método de detección de defectos, puro Poka-yoke LEAN donde los haya, por
responder a lo que el flujo pieza a pieza LEAN exigiría: tiempos de ciclo muy
cortos, flexibilidad ante los cambios de referencia y fiabilidad al 100% en
cuanto a la detección del tipo de defectos para los que han sido diseñados
Además, tiene otra enorme ventaja respecto a los Rayos X típicos:
es de una industrialización muy rápida, dado que no exige permisos especiales
Su desventaja es que solamente es fiable para la detección
de defectos poco profundos
Detección de
grietas no destructivas por ultrasonido-termografía
Los métodos de termografía se basan en la tecnología
infrarroja y pueden proporcionar datos sobre la estructura de la superficie de
un material mediante la observación de las diferencias en la emisión térmica de
la superficie utilizando cámaras infrarrojas para registrar los datos. La
emisión depende de la conducción de calor en el material. Dependiendo de la
forma en que se genere la transferencia de calor, los métodos de termografía se
dividen en pasivos y activos. En la termografía activa, la transferencia de
calor puede iniciarse mediante excitación de energía externa mediante radiación
electromagnética o ultrasonido y depende de las propiedades físicas del
material como conductividad térmica y difusividad, densidad, contenido de
humedad, etc. Si un defecto debajo de la superficie tiene mejores propiedades
aislantes que el resto del material, el defecto actúa como una barrera para la
transferencia de calor, por lo que la emisividad de la superficie por encima
del defecto es mayor (Meinlschmidt, 2005).
Read more: https://www.hielscher.com/es/non-destructive-crack-detection-by-ultrasound-thermography.htm
Termografía infrarroja como ensayo no destructivo:
detección de defectos en componentes aerospaciales
La cada vez mayor utilización de materiales avanzados en la
industria aeronáutica hace necesario una mejora de los métodos convencionales
de inspección no destructiva o el desarrollo de otros nuevos métodos que
complementen a los anteriores en los casos donde encuentren dificultades. Entre
estas nuevas técnicas destaca la termografía infrarroja (TIR) por su rapidez,
sencilla aplicación y versatilidad ya que puede ser utilizada tanto en línea de
producción como en mantenimiento.
La TIR es una técnica de ensayo no destructivo (END) sin
contacto que obtiene la temperatura de la superficie de un cuerpo a través de
la captación de la radiación infrarroja que ésta emite. El mapa térmico de la
superficie obtenido es llamado termograma.
Cuando el flujo de calor en un material es alterado por la
presencia de anomalías o defectos provoca contrastes de temperatura en su
superficie. El uso de la TIR como método no destructivo de inspección está
basado en la obtención y el análisis de las imágenes de esos patrones térmicos.
Las principales técnicas de TIR se resumen en este artículo
y se comentan algunas de sus aplicaciones. También se muestran algunos
resultados de ensayos de TIR en materiales compuestos y componentes metálicos
aeronáuticos.
Técnicas de TIR
Las principales ventajas [1, 2] de las técnicas de TIR son
las siguientes: es un método de inspección rápido y sin contacto que sirve para
localizar defectos por debajo de la superficie, la interpretación de
termogramas es muy sencilla (imágenes) y la radiación infrarroja no es nociva
(al contrario que los rayos-x). Además puede ser aplicado a un amplio rango de
materiales (tanto metálicos como compuestos) y áreas relativamente amplias
pueden ser inspeccionadas en un único ensayo.
No obstante, su principal desventaja es que es efectivo
únicamente en la detección de defectos poco profundos. También resulta
complicado producir un calentamiento uniforme al aplicar las técnicas activas y
pueden existir variaciones de emisividad en diferentes partes del cuerpo
estudiado.
Termografía pasiva
La TIR pasiva se refiere a aquellos casos en los que no se
usa ninguna estimulación de calentamiento o enfriamiento externo para provocar
un flujo de calor en el cuerpo inspeccionado. El objeto estudiado produce un
patrón de temperaturas típico por el hecho de estar involucrado en un proceso
(industrial) que produce calor. Unos pocos grados de diferencia respecto a la
temperatura normal de trabajo (referencia) del objeto muestra un comportamiento
inusual. La TIR es capaz de capturar esta información de temperatura en tiempo
real desde una distancia segura sin ninguna interacción con el objeto.
La TIR pasiva se usa, por ejemplo, para la monitorización
del producto en procesos de fabricación, monitorización de procesos de
soldadura o comprobación de la eficiencia de los discos de freno de
automóviles. También puede ser usada en mantenimiento predictivo, como en
rodamientos, turbinas y compresores, instalaciones eléctricas, tuberías
enterradas o fugas de gas [1, 2]. Existen otras muchas aplicaciones no
industriales como son las de tipo medicinal en detección de cáncer de pecho o
desordenes vasculares, detección de fuegos, detección de objetivos (militar) o
localización de pérdidas de calor y humedades en edificios [1, 2].
Termografía activa
En termografía activa se usa una estimulación externa para
provocar un flujo de calor interno en el objeto estudiado. Un defecto interno
afectaría al flujo calorífico produciendo un contraste térmico en la
superficie. Las técnicas de TIR activas principales son: TIR pulsada, step
heating y TIR lock-in.
La TIR pulsada (Pulsed Thermography) consiste en aplicar un
pulso corto de calor sobre el objeto (de 3 msg. a 2 s. dependiendo del
material) y grabar el enfriamiento del espécimen. El frente térmico aplicado se
propaga en el material y cuando encuentra un defecto el ratio de difusión es
reducido produciendo un contraste de la temperatura sobre ese punto. De esta
manera, el contraste de defectos más profundos aparecerá más tarde y con menor
diferencia de temperaturas [1] (ver figura 1. La TIR pulsada es usada, por
ejemplo, en la inspección de componentes estructurales de aviones, control de
calidad de soldadura por puntos, álabes de turbina, detección de desencolados,
delaminaciones, grietas o corrosión [2].
Figura 1. Configuración de típica de TIR activa (módulo
Lock-in solo para la técnica de TIR lock-in).
En la técnica de Step Heating o termografía de pulso largo,
el objeto es calentado continuamente a baja potencia y se monitoriza el
incremento de temperatura de la superficie. Aplicaciones del step heating son,
por ejemplo, la evaluación de espesores de recubrimientos y de uniones de
recubrimiento a substrato en estructuras compuestas y también la detección de
corrosión oculta en el fuselaje de aviones [1].
La TIR lock-in está basada en la generación de ondas de
calor dentro del espécimen inspeccionado (por ejemplo, depositando
periódicamente calor en el cuerpo por medio de una lámpara modulada) y
monitorizando de forma sincronizada el campo de temperaturas oscilante obtenido
mediante una computadora o un amplificador lock-in. Por transformación de
Fourier se obtienen las imágenes de fase y amplitud de la temperatura. Las
imágenes fase están menos afectadas por inhomogeneidades del calentamiento y de
la emisividad, y son más sensibles en profundidad que otras técnicas de TIR.
Sin embargo, requiere como mínimo la observación de un ciclo de modulación y
cada ensayo es realizado para una frecuencia estudiando una profundidad cada
vez, lo que aumenta el tiempo de inspección. [1, 2].
La TIR lock-in es usada, por ejemplo, en inspecciones de
componentes estructurales, detección de remaches sueltos, investigación de
estructuras de absorción de radar y detección de grietas, desencolados, etc.
[1,2]. Si en lugar de realizar un calentamiento mediante lámparas de luz
modulada se usa una vibración mecánica inducida externamente como excitación se
hablaría de vibrotermografía.
Una alternativa es la utilización de un transductor
piezoeléctrico como fuente de estimulación, que sería el caso de la denominada
TIR lock-in ultrasónica. Estas dos últimas técnicas están dirigidas a la
detección rápida de grietas en materiales metálicos, laminados y cerámicos,
corrosión en planchas metálicas remachadas o delaminaciones en laminados [4,
7]. Otra variación es la TIR lock-in termoinductiva que excita corrientes de
Eddy en materiales conductores mediante una bobina de inducción y la
resistencia de los materiales genera un calentamiento local. La mayor densidad
de corriente en las grietas provoca una temperatura mayor que es detectada por
la cámara termográfica. Esta técnica ha sido probada en detección de grietas
longitudinales en barras y tochos de acero aparecidas durante su moldeado en
caliente [5] y en álabes de compresores [6].
La TIR de fase pulsada (Phase Pulsed Thermography) es una
mezcla entre la TIR lock-in y TIR pulsada. La aplicación del ensayo es la misma
que en termografía pulsada pero la adquisición de datos es tratada mediante
transformada de Fourier para obtener la amplitud y la fase de la imagen a
diferentes frecuencias con un único ensayo, con la consecuente rapidez de
ensayo [1,2]. De igual manera, se puede conseguir una variación de la
termografía lock-in ultrasónica utilizando un pulso ultrasónico en vez de una
excitación continua. Esta técnica es denominada Ultrasound Burst Phase
Thermography [4].
Procesamiento de datos
Además de la elección de la técnica más adecuada, un
procesamiento de los datos adquiridos es, esencial para optimizar la
localización y visualización de defectos. El procesamiento adecuado puede, por
ejemplo, reducir el ruido, reflexiones parásitas o anisotropía de calentamiento
que pueden enmascarar y evitar la localización de algunos defectos. Incluso
este procesamiento de datos puede permitir obtener medidas de otros parámetros
aparte de las temperaturas absolutas de la superficie, como por ejemplo
profundidad a la que se encuentra el defecto, difusividad térmica, coeficiente
de calor transmitido, medidas de flujo térmico o análisis tensional.
Ejemplos de detección de defectos en materiales
aeronáuticos
La utilización de materiales compuestos es cada vez más
extendida en la fabricación de fuselajes de aeronaves. Una prueba de ello es el
gran aumento de los componentes fabricados con de estos materiales,
principalmente CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), en el Airbus A-380 y
Boeing-7E7.
La lanzadera espacial reutilizable X-37 de la NASA bajo
desarrollo tiene un 90% de la piel externa del fuselaje de grafito-epoxi, que
es inspeccionada mediante TIR pulsada. Realizan estas inspecciones antes y
después de ensayos de aplicación de carga full-scale para localizar la creación
y propagación de defectos como desencolados. Mediante esta técnica también son
llevadas a cabo inspecciones de daños en ensayos de impacto de espuma y hielo
en las alas, bordes de ataque y cola son llevados a cabo utilizando esta
técnica [7].
Los materiales metálicos están presentes en una gran
cantidad de componentes estructurales de aeronaves. Del mismo modo que se
desarrollan los materiales compuestos y en algunos casos en competencia con
éstos, los fabricantes de elementos metálicos, ofrecen cada vez metales más
avanzados como nuevas aleaciones de aluminio o de titanio. La TIR también es
utilizada para la inspección rápida de defectos típicos como las grietas o la
corrosión oculta en las estructuras metálicas.
El Centro de Tecnologías Aeronáuticas (CTA) está trabajando
junto a Gamesa Desarrollos Aeronáuticos (GDA), Taucon e investigadores de UPV
en un completo sistema de inspección para la detección de defectos típicos en
aeronaves, tanto en metales como en compuestos (delaminaciones, desencolados,
etc.) También incluye un procesamiento de imágenes de los defectos detectados
combinado con un modelo matemático de comportamiento térmico de defectos. El
objetivo final de este proyecto es conseguir un sistema de detección automático
aplicable no solo en mantenimiento, sino también en control de calidad en línea
de producción.
Las siguientes figuras muestran ejemplos de ensayos de TIR
en materiales metálicos y compuestos. En la figura 2 se muestra el resultado de
un ensayo de TIR sobre un componente de aeronave con piel de fibra de carbono.
Mediante esta técnica se localizó una delaminación causada por un impacto en
una zona con solape de laminados remachados que no pudo ser distinguida
mediante un examen de ultrasonidos.
Figura 2. Arriba a la izquierda: fotografía de la zona
inspeccionada. Arriba Probeta de fibra de carbono de 4 mm de espesor con
delaminaciones provocadas a 0.95 mm (A), 1.25 mm (B) y.1.55 mm (C) de
profundidad.
En la figura 3 se muestra el ensayo de TIR pulsada en una
lámina de aluminio con diferentes agujeros ciegos a diferentes profundidades.
Una reducción de espesor provoca que esa zona se vea más caliente y con mayor
contraste de temperaturas cuanto mayor sea esta reducción. El efecto térmico de
los defectos en materiales metálicos es muy rápido y es necesario realizar la
grabación de los ensayos a alta velocidad. Además, la generalmente baja
emisividad característica de los metales hace necesaria la aplicación previa de
un recubrimiento que aumente la emisividad superficial permitiendo la detección
de los contrastes térmicos causados por los defectos internos.
Figura 3. Probeta de aluminio. Fotografía de la probeta y
termograma visto desde la cara plana sin agujeros.
El siguiente caso, mostrado en la figura 4, es el de la
localización de dos grietas en un componente de una aeronave de aluminio con su
recubrimiento de pintura original. Al principio del enfriamiento (figura 4,
izquierda) se pueden apreciar las grietas entre las indicaciones térmicas
producidas por la textura de la pintura en esa zona. Posteriormente se aprecia
la respuesta típica de las grietas ante ensayos de este tipo (figura 4,
derecha): se produce un salto de temperatura entre ambos lados de la grieta, ya
que la grieta actúa como barrera al flujo de calor.
A continuación se muestra un ejemplo simple de la capacidad
de un adecuado tratamiento de los datos de temperatura capturados en un ensayo
de TIR para mejorar la visualización de los defectos, e incluso permitir
localizar defectos invisibles en los termogramas originales.
Figura 4. Termogramas en diferentes tiempos de
enfriamiento de dos grietas en una pieza de aluminio.
En la figura 5 a la izquierda y arriba, se ve la fotografía
de una probeta de laminado de fibra de carbono de 1 mm de espesor. Esta probeta
cuenta con cuatro agujeros ciegos mecanizados en una de sus caras a diferentes
profundidades. Mediante un ensayo de TIR pulsada, calentando y observando la cara
plana no taladrada, los cuatro agujeros se localizan con diferentes contrastes
de temperatura y tiempos de aparición según su profundidad (aparecen antes y
con mayor diferencia de temperaturas los más cercanos a a superficie ensayada).
Figura 5. Fotografía de probeta de laminado de fibra de
carbono con agujeros a diferentes profundidades, termograma obtenido en ensayo
de TIR pulsada e imagen optimizada mediante el tratamiento de datos.
Vemos un termograma resultante de este ensayo en la misma
figura a la izquierda y abajo. Si tratamos este mismo termograma, por ejemplo,
mediante un filtrado y un suavizado que reduzcan el ruido de fondo y una
optimización de contrastes, se consigue aislar las zonas de defectos y además se
aprecian delaminaciones a 45º partiendo de los agujeros mecanizados y de las
esquinas de la probeta (figura 5 a la derecha). Estas indicaciones de la
presencia de delaminaciones no son apreciadas en el termograma original.
Conclusiones
En el presente artículo se ha presentado una revisión de las
diferentes técnicas de TIR y algunas ejemplos de sus aplicaciones. Los buenos
resultados obtenidos con la TIR en materiales metálicos y compuestos utilizados
en la industria aeronáutica nos lleva a pensar que estas técnicas pueden ser
aplicadas con gran éxito en este sector. Las inspecciones de mantenimiento
pueden beneficiarse de las características de estas técnicas como son su
rapidez, la no necesidad de contacto, la capacidad de inspeccionar áreas
relativamente grandes en un único ensayo, la portabilidad de equipos y
sencillez de interpretación de los resultados. Del mismo modo, las técnicas de
TIR pueden ser implementadas de forma efectiva en control de calidad en línea
de procesos de producción.
Agradecimientos y referencias
Esta investigación ha sido llevada a cabo con el soporte del
Gobierno Vasco. Agradecemos así mismo a Gamesa Desarrollos Aeronáuticos la
cesión de componentes reales de aeronaves y su apoyo a este trabajo.
- Theory and practice of infrared technology for Non-destructive
Testing, Xavier Maldague, 2001
- Non-destructive Testing Handbook Third Edition - Volume 3 Infrared
and thermal testing, ASNT
- Short course on infrared thermography applications, ENS
Cachan 2002
- Ultrasound excited thermography – advances due to frequency
modulated elastic, Th. Zweschper,
Institute of Polymer Testing and Polymer Science (IKP),
EMPRESAS O ENTIDADES RELACIONADAS
Centro de Tecnologías Aeronáuticas
Por último, “last but not least” que dirían los
americanos…….¿qué hay detrás de esa magia que es trasformar la emisión de ondas
de calor infrarrojo en imágenes?.........mi nunca demasiado admirada
Transformada de Fourier
Ahí van algunos links que he dedicado, en mi blog
Mensajes amables de fin de semana: una ecuación de casi
200 años, la transformada de Fourier, en la punta de lanza para resolver
problemas de última generación del Siglo XXI:
Holguras en elementos rotativos
Mensajes amables de fin de semana: física de la música y
la transformada de Fourier:
Mensajes amables de fin de semana: los habanos, la
ecuación del calor de Fourier, las iguanas de Camaguey y yo:
Como siempre, he incluido estas reflexiones en mi blog
“Historias del LEAN”:
Que disfrutéis cada hora de este maravilloso puente
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
