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APLICACIÓN DE LA TÉCNICA TERMOGRÁFICA EN INSPECCIÓN DE ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS

Trabajo presentado en el XXVI CONAEND Congreso Nacional de Ensayos No-Destructivos e Inspección

ING. RODRIGO GAYA ING. ATTÍLIO BRUNO VERATTI

Contenido

1. Introducción

1.1. Técnica Termográfica 1.2. Materiales Compuestos 1.3. Técnicas de Inspección

2. Desarrollo 2.1. Metodología 2.2. Descripción del Equipo 2.3. Ajustes y Condiciones para la Inspección 2.4. Disposición Estructural 2.5. Convención de Localización 2.6. Características Termográficas

3. Ejecución

3.1. Resultados 3.2. Análisis

4. Comparación de las Técnicas 5. Conclusión 6. Autores

1. INTRODUCCI1. INTRODUCCIÓÓN N

Con la creciente aplicación de los materiales compuestos en la industria aeronáutica, se torna necesario que se utilicen nuevas técnicas de inspección, permitiendo que se puedan inspeccionar las estructuras constituidas por estos materiales de forma adecuada.

De una forma general, las superficies primarias de vuelo - alerones, timón de dirección, timones de profundidad, y carenajes son constituidas por materiales compuestos estructurales (laminados sólidos y paneles en sándwich).

Las aeronaves más modernas, tales como B787, tendrán el fuselaje constituido por Plásticos Reforzados por Fibra de Carbono (CFRP), de modo que los programas de inspección y análisis de daños pueden incluir técnicas de END capaces de identificar daños tales como delaminaciones, desprendimientos y la presencia dehumedad. Las aeronaves A310 tienen el timón de dirección constituido por un panel con capas de fibra de carbono, orientadas sobre las direcciones 0°, 45° y 90°, reforzadas por un núcleo de poliamida (NOMEX) en la configuración de panal (honeycomb).


Debido a la retención de humedad, a través de las agujeros de los tornillos de sujeción, ubicados en el borde de ataque y en el borde de fuga, y de los puntos de sujeción de la herramienta de remoción, Airbus definió un extenso programa de inspección, una vez que estos puntos de humedad cuando no detectados, llevan a la separación de las capas y de la capa del núcleo, afectando la seguridad de vuelo. Una aeronave modelo A310 ya perdió el timón de dirección en vuelo, en función de este tipo de daño.

A causa de esta cuestión del timón de dirección de la flota de A310, se han utilizado las técnicas de ultrasonido, rayos-X y termografía con el objetivo de detectar desprendimientos y puntos de humedad.

El presente trabajo demuestra las ventajas de la técnica termográfica sobre los Rayos-X, bien como un nuevo campo de aplicación para la primera.


1.1. Técnica Termográfica

La termografía infrarroja es la ciencia de adquisición y análisis de informaciones térmicas, a partir de dispositivos de obtención de imágenes infrarrojas, sin contacto.


1.2. Materiales Compuestos

Material Compuesto es cualquier material multifásico que exhiba una proporción significativa de las propiedades de ambas fases constituyentes, de tal modo que se obtiene una mejor combinación de propiedades.

El refuerzo de estos materiales se hace a partir de fibras, que presentan alta resistencia a la tracción, mientras que su matriz presenta ductilidad para proteger y unir las fibras, permitiendo una distribución uniforme de tensiones de la matriz para las fibras, resultando en el material reforzado.

Los materiales compuestos se dividen en tres categorías: reforzados por partículas, reforzados por fibras y los estructurales, siendo estos subdivididos en laminados sólidos y paneles en sándwich.


1.2. Materiales Compuestos

La ilustración abajo muestra ejemplos de materiales compuestos estructurales.

Figura a Figura b

Materiales compuestos Estructurales. (a) Laminado Sólido; (b) Panel en Sándwich


La ilustración abajo muestra ejemplos de materiales compuestos estructurales.

Figura a Figura b

Materiales compuestos Estructurales. (a) Laminado Sólido; (b) Panel en Sándwich

1.3. Técnicas de Inspección

En lo referente a materiales compuestos, es importante mencionar que entre las muchas técnicas de END disponibles, algunas se destacan. Para la inspección de los timones de la flota A310, la identificación de humedad se hace a través de la utilización de la Termografía y del Rayos-X. Las delaminaciones y las desprendimientos se identifican a través de la Prueba de Percusión y Ultrasonido.

Tap Test: - utilizada para identificar delaminaciones y desprendimientos;

Ultrasonido : utilizada para identificar delaminaciones y desprendimientos;

Termografía : utilizada para detectar puntos con presencia de humedad y puntos con inyección de resina.

Rayos-X : utilizada para detectar puntos con presencia de humedad, puntoscon inyección de resina y reparaciones existentes.


2. DESARROLLO 2. DESARROLLO

2.1. Metodología

Para que se ejecute la inspección del timón de dirección de forma correcta y precisa , se adoptó una metodología en conformidad con las directrices del manual de Ensayos No Destructivos de Airbus (A310 NTM), bien como la experticia adquirida por el equipo técnico de VEM, de acuerdo a los pasos a continuación:

a) Ejecución en hangar;b) Timón de dirección instalado en el avión;

c) Avión ubicado fuera del alcance de flujos de aire con alta o baja temperatura

(mantener la temperatura ambiente entre 10º C y 30º C (50º F - 86º F);

d) Reducción de la influencia de fuentes de calor en el alrededor (reflejadas);

e) Limpieza de la superficie por inspeccionarse;

f) Identificación de las áreas por inspeccionarse;


2.1. Metodología

Para que se ejecute la inspección del timón de dirección de forma correcta y precisa , se adoptó una metodología en conformidad con las directrices del manual de Ensayos No Destructivos de Airbus (A310 NTM), bien como la experticia adquirida por el equipo técnico de VEM, de acuerdo a los pasos a continuación:

g) Delimitación de la ventana de inspección;

h) Calibración del equipo;

i) Calentamiento de las áreas delimitadas;

j) Registro de los puntos con humedad;

k) Medida y análisis termográfica;

l) Ejecución del reparo (si necesario).


2.2. Descripción del Equipo Utilizado

Equipo utilizado: Cámara infrarroja FLIR ThermaCAM T400.

Características:

- Imagen en tiempo real - FPA 320x250 pixeles;

- Ajuste automático de amplitud y nivel (level y span);

- Sensibilidad térmica < 0,07°C a 30°C;

- Rango de medición de -20°C a 350°C;- 6 paletas de colores

- Paleta sugerida para esta inspección: gris;

- Campo de visión mínimo: 24° x 18°, máx. 34° x 25°

- Menor distancia de enfoque: 500 mm;


2.2. Descripción del Equipo Utilizado

Equipo utilizado: Cámara infrarroja FLIR ThermaCAM T400.

Características adicionales:

- Fusión de imágenes (PIP)

- Grabación de Vídeo Térmico

- Cámara digital 1,3 megapixel

- Capacidad de almacenamiento; +1000 imágenes


2.3. Ajustes y Condiciones para Inspección

- Ajuste de brillo y contraste: automático;

- Rango de temperatura: -20°C a 100°C (-4°F a 212°F);

- Emisividad: ε = 1;

- Paleta de colores: Gris (white hot);

- Manténgase la cámara perpendicular al área de inspección, a una distancia entre 800mm y 1000mm;

- Manténgase el área de inspección dentro del campo de visión del equipo;

- Enfoque la imagen, utilizando un borde, remache o punto de sujeción (hoisting point);


2.3. Ajustes y Condiciones para Inspección

El objetivo de este proceso es identificar, a través del calentamiento de la estructura del timón de dirección, puntos en donde existan anomalías térmicas que caractericen la humedad.

Debido a la constitución del timón de dirección, se necesita un calentamiento gradual para permitir un contraste térmico, posibilitando la diferenciación entre humedad y adhesivo, sin rebasar, sin embargo, la temperatura de 55 ºC (131º F).

Las figuras a continuación ilustran, respectivamente, la estructura del timón de dirección y los cortes transversales de las áreas por inspeccionarse.


2.4. Disposición Estructural

Vista y estructura del timón de dirección



(b) (a)

Cortes transversales. (a) Sujetadores del borde de fuga; (b) Puntos de sujeción.



(c) (d)

Figura 5 - Cortes transversales. (c) Soportes; (d) Perfiles en Z.


2.5. Convención de Ubicación

De modo a organizar la ejecución de las inspecciones, se ha dividido el timón de dirección en cuatro niveles, identificados por letras y números, de acuerdo a lo ilustrado abajo. Este sistema de coordenadas fue adoptado para identificar y registrar las anomalías

encontradas. Las inspecciones por rayos-X fueron ejecutadas en los puntos con anomalías, de forma a corroborar los resultados de la inspección termográfica.

Las posiciones son identificadas de la siguiente forma:

D / E: Costado derecho o izquierdo del avión;

D / T: Región frontal o trasera del timón de dirección;

A - B: Región inferior (A) y superior (B) del nivel 1;

C - D: Región inferior (C) y superior (D) del nivel 2;

E - F; Región inferior (E) y superior (F) del nivel 3;

G - H: Región inferior (G) y superior (H) del nivel 4;


2.6. Características Termográficas

Debido a la pintura decorativa del timón de dirección de los aviones, podrán existir diferentes tonos de colores y diseños, lo que requiere una evaluación de la emisividad de las superficies, con el objetivo de determinar la influencia de los diferentes tonos de colores en la medida final de temperatura. Abajo está dicha evaluación:

Se utilizó la cinta adhesiva entre los dos tonos de verde para definir si hay una diferencia relevante en sus emisividades.

Confirmación: Ambas superficies son similares y de alta emisividad.


2.6. Características Termográficas

Las anomalías se caracterizan por regiones de mayor inercia térmica y se presentan como áreas de mayor o menor temperatura en los termogramas, durante los transientes provocados por aire calentado.

3. EJECUCI3. EJECUCIÓÓN N

3.1. Resultados

DD1 - Costado derecho - Área frontal - Nivel 1 - Ejemplo de áreas íntegras.


3.1. Resultados

DT1 - Anomalía encontrada en el costado derecho, área trasera, nivel 1.


3.1. Resultados

ET1 - Anomalía encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 1.


3.1. Resultados

ET1 - Anomalía encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 1 - Detalle. Vídeo mostrando el proceso de detección de esta falla - no disponible en la versión PDF.


3.1. Resultados

ET2a - Primera anomalía múltiple encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 2.


3.1. Resultados

ET2b - Segunda anomalía múltiple encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 2. El vídeo muestra el proceso de detección de esta falla - no disponible en la versión PDF.


3.1. Resultados

ET3c - Tercera anomalía encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 3 . En la correlación de técnicas se exhibe el Rayo X correspondiente a esta anomalía.


3.2. Análisis

Los termogramas pertinentes a los puntos con anomalías térmicas fueron grabados para posterior análisis con el aplicativo QuickReport, de FLIR Systems.

Con el uso de este aplicativo, se ejecuta un proceso de análisis de imágenes sobre los termogramas con el objetivo de identificar los puntos más críticos de las áreas con anomalías.

Para corroborar e identificar con mayor precisión, el número de células contaminadas y el área total afectada, los puntos con anomalías fueron inspeccionados por Rayos-X, una vez que esta técnica permite una mejor definición de la estructura del núcleo del timón de dirección. La técnica de Rayos-X también ayuda en la diferenciación entre resina y humedad, en función de un mejor contraste.

La definición de la fecha límite del timón de dirección y su proceso de reparación dependen de la cantidad células contaminadas y el área máxima afectado.

En el caso del presente trabajo, los resultados de las inspecciones termográficas y por Rayos-X, mostraron una correlación del 100%.

4. Comparaci4. Comparacióón de Tn de Téécnicas cnicas

Conforme enfocado durante las inspecciones, las técnicas de termografía y Rayos-X son utilizadas en conjunto, con el objetivo de identificar con precisión, puntos de materiales compuestos estructurales con retención de humedad.

La técnica de los rayos-x es más antigua y ampliamente utilizada en los programas de inspección de estructuras aeronáuticas y no está limitada a los materiales compuestos.

La técnica termográfica es relativamente nueva en el medio aeronáutico, revelándose una poderosa herramienta para inspección de estructuras constituidas por materiales compuestos.

La Tabla I, resume de modo objetivo las ventajas y desventajas entre las técnicas mencionadas anteriormente.


TERMOGRAFÍA RAYOS-X

Realizada en tiempo real y sin contacto Realizada con contacto, requiriendo la interrupción del proceso.

Menor HH asociado, una vez que un profesional puede ejecutar las

inspecciones

Alto HH asociado a las inspecciones, en virtud de la cantidad de personas

involucradas para posicionamiento de la película y manejo del equipo

El costo está vinculado a la adquisición y mantenimiento del

equipo

Costo asociado a la adquisición y mantenimiento del equipo, película,

revelador, cámara de revelación.

Reducción de los riesgos del operador Exposición del operador a la radiación

Identificación de los puntos con humedad, sin precisión de contornos.

Identificación de los puntos con humedad, presentando alta definición de

los contornos

Tabla I - Comparación entre las técnicas Termográfica y Rayos-X


Punto de sujeción No 1 Adhesivo

Fluido

Rayos-X Infrarrojo


ET3c - Tercera anomalía encontrada en el costado izquierdo, parte trasera, nivel 3 . Rayos-X y Termograma.

5. CONCLUSI5. CONCLUSIÓÓNN

La termografía está revelándose una poderosa herramienta para la inspección de estructuras aeronáuticas constituidas por materiales compuestos enfocada en la detección de presencia de humedad. Esta técnica también permite la visualización de reparaciones existentes, una vez que las superficies calientes revelan datos de la estructura interna. Esta técnica es bastante viable, en función del bajo costo y manejo humano asociados a su aplicación.

Los Rayos-X, cuya aplicación en la inspección de estructuras aeronáuticas, metálicas y de materiales compuestos, viene de largo tiempo, se presenta como un complemento de la técnica termográfica en lo que se refiere a la inspección de materiales compuestos, sobresaliéndose en relación a la primera en lo referente mejor definición de contornos.

5. CONCLUSI5. CONCLUSIÓÓNN

Su aplicación está enfocada en la detección de la presencia de humedad, permitiendo todavía, la visualización de reparaciones existentes y estructura interna. Esta es una técnica cuyo costo y manejo humano son elevados en relación a las demás técnicas (IR y UT).

El ultrasonido, ampliamente utilizado en la inspección de estructuras aeronáuticas, metálicas y de materiales compuestos, abarca un gran rango de actuación, variando desde la medida de espesores, detección de grietas hasta la identificación de desprendimientos y delaminaciones. Análogamente a la termografía, presenta un bajo costo y manejo humano asociados.

6. Autores 6. Autores

Ing. Rodrigo Rio Novo Gaya Penha [email protected]

- Ingeniero Electricista graduado por la Universidad Veiga de Almeida en 2002.

- Del 2002 al 2006 trabajó en VEM (entonces VARIG Engenharia de Manutenção) en los sectores de Eléctrica de Instrumentos y Aviónica y Estructuras Aeronáuticas.

- En el 2007 trabajó en EMBRAER en el área de soluciones y soporte para provisión de materiales.

- Termografista Nivel I por ITC Suecia (norma 18436)

- Actualmente ingeniero de estructuras en VEM con experticia en los aviones B737 / 300/400/500, B767 200/300, DC10, MD11, B747 200, B707, B777, A300 y A310

- Responsable por la oficina de materiales compuestos de VEM

6. Autores 6. Autores

Ing. Attílio Bruno Veratti [email protected]

- Ingeniero Metalurgista graduado por FEI en 1977.- Especialista en sistemas termográficos con 29 años de experticia y cursos en Inglaterra,

Holanda, Estados Unidos y Suecia por Agema Infrared Systems, Cincinnati Electronics, Raytek y FLIR Systems.

- Implementó actividades de inspecciones termográficas en la empresa Optronics Sistemas Ópticos e Eletrônicos (representante AGEMA Infrared Systems), siendo posteriormente gerente de marketing de la misma empresa.

- Autor del libro Termografía - Principios y Aplicaciones (1984 y 1992).- Autor del CD "Termografía" primer trabajo multimedia en el rubro de la Termografía

(1997).- Autor de la metodología que originó las normas Petrobrás N-2475 y Eletronuclear- PN-T12 para clasificación de componentes eléctricos calentados (reg. CONFEA 001-

049/85).- Posee más de 2710 inspecciones termográficas, incluyendo los más diversos campos de

aplicación y desarrollo de la Termografía.- Autor del libro “Procedimientos de Seguridad en Inspecciones Termográficas de

Sistemas Eléctricos” (2005).- Actualmente director de la empresa ICON Tecnología y consultor de diversas empresas

en el área de desarrollo de nuevas aplicaciones de Termografía.- Responsable por el sitio de investigación y banco de informaciones

www.termonautas.com.br .- Termografista Nivel II (2006) y Nivel III (2007) por ITC – Boston, USA (Norma ASNT SNT-

TC-1).- Termografista Nivel II (2008) por ITC - Estocolmo, Suecia (Norma ISO 18436)- Miembro de las Comisiones de Certificación y Normalización de ABENDE.- En el área de cursos capacitó más de 2000 profesionales en el período del 1980 al 2006,

tras esta fecha actúa como miembro del equipo de Instructores Licenciados del ITC Infrared Training Center, Estocolmo.

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