Procedimiento de evaluación de palpadores Phased Array para la inspeción por ultrasonidos de elementos fabricados con materiales compuestos

En el desarrollo y fabricación de elementos de material compuesto de matriz polimérica reforzados con fibra, y en especial de fibra de carbono en la industria Aeronáutica, una de las principales razones que encarecen la producción es la inspección de estos lotes de piezas para asegurar la ausencia de defectos. Por esta razón, es de enorme importancia la reducción de costes asociados la inspección no destructiva por ultrasonidos, siendo la disminución del tiempo de inspección por pieza un método de gran efectividad para conseguirlo. Para ello se empezaron a utilizar instalaciones automáticas y, más recientemente, implementando la nueva tecnología Phased Array, optimizar aún en mayor medida el tiempo empleado para estas inspecciones. Los palpadores de ultrasonidos han de garantizar que el 100% de la superficie de los elementos fabricados con materiales compuestos, tanto de geometría sencilla como compleja (estructuras de revestimientos de alas, estabilizadores, costillas, largueros, etc.), quede inspeccionada y libre de defectos para su posterior uso de forma completamente segura. Debido a la posible pérdida con el tiempo de características ultrasónicas de los palpadores Phased Array, que pueden afectar a los resultados de las inspecciones, este Proyecto Fin de Carrera tiene como propósito el desarrollo de un Procedimiento concreto que describa, paso a paso, el proceso de evaluación de estos palpadores de nueva tecnología para la inspección por ultrasonidos de elementos fabricados con materiales compuestos. De este modo se permite aislar y evaluar los fallos detectados, y con ello mejorar la calidad de las inspecciones a realizar. Al mismo tiempo se llena un hueco prácticamente vacío en la literatura en castellano sobre el tema. Este proyecto se llevó a cabo en su totalidad en las instalaciones del Laboratorio de Ensayos No Destructivos del departamento de Materiales y Procesos de la factoría de Airbus Operations S.L, situada en Getafe (Madrid). Hasta ahora, en la empresa sólo existía un procedimiento para la evaluación de palpadores convencionales, tanto de contacto como de inmersión, pero dada la gran evolución de la tecnología Phased Array surge la necesidad de la creación de un procedimiento específico para estos palpadores. Para llegar al Procedimiento definitivo de evaluación de palpadores de Phased Array se dedicó un período de, aproximadamente, cuatro meses en horario laboral. Se realizaron muy numerosos y diferentes ensayos y pruebas hasta lograr entender el software de evaluación y el comportamiento concreto de este tipo de palpadores (que difieren bastante respecto a los de tipo convencional, por la dificultad que entrañan por su elevado número de elementos), optimizar los parámetros de trabajo, redactar la memoria del propio Procedimiento oficial y crear el modelo de informe de los resultados de la evaluación de los palpadores. Entre los ensayos realizados destacan los dedicados al Análisis en Frecuencia de los palpadores. Para ello se estudiaron las dos posibilidades existentes: en cuanto al intervalo de frecuencia a utilizar, banda ancha (de 2 a 30 MHz) y banda estrecha (a 5 MHz) y en lo referente al material, se realizaron sobre acero, metacrilato (PMMA), aluminio y material compuesto de matriz polimérica reforzado con fibra de carbono (CFRP). A partir de estos ensayos se concluyó que las condiciones para realizar las evaluaciones de palpadores serían en banda ancha y sobre una probeta patrón de PMMA. El siguiente grupo de ensayos fueron los destinados a estudiar el diámetro y simetría del haz ultrasónico generado por estos palpadores. Para ello se realizaron numerosas pruebas para analizar cómo se comportaba este haz: si provenía de un elemento individual o de varios en conjunto. Como conclusión de este ensayo, la apertura óptima para un palpador de un determinado número de elementos es aquélla que maximiza la señal con la menor ganancia posible, normalmente usándose una apertura (grupo) de ocho elementos. Dentro de este grupo de ensayos también se encuentran los destinados a elegir la distancia de trabajo óptima para realizar las pruebas, concluyendo que sería aproximadamente el punto de máxima presión acústica del palpador. La creación de este Procedimiento de evaluación de palpadores Phased Array ha supuesto numerosas aportaciones para la empresa Airbus Operations S.L, siendo algunas de ellas: mayor calidad en el suministro del material, adelanto tecnológico dado que antes sólo existía un Procedimiento para evaluar palpadores convencionales, ventaja competitiva frente a otras empresas por ser un Procedimiento totalmente novedoso y puntero, ahorro de costes asociado a la reducción significativa de tiempos de inspección, etc. ___________________________________________________In the development and manufacturing of polymer matrix composite material reinforced with fiber elements, and especially with carbon fiber in the Aeronautical industry, one of the main reasons that rises the price of the production is the inspection of these batches to assure the absence of flaws. For this reason, the reduction of costs associated with the ultrasonic inspection is enormously important, and the most efficient method to obtain it is decreasing the time of inspection per piece. For this reason, the automatic facilities and, more recently, the new Phased Array technology has been implemented to optimize the time necessary for these inspections. With the use of ultrasonic transducers it must be guaranteed that 100% of the parts made with composite materials, (simple as well as complex-geometry structures of wing skins, stabilizers, ribs, spars, etc.), are inspected and free of flaws for their later use in a completely safe way. Eventually, the ultrasonic characteristics of the Phased Array transducers might be deteriorated, which can affect the results of the inspections. The aim of this Final-year project is the development of a detailed procedure that describes the process of evaluation of these ultrasonic transducers of new technology for the inspection of parts manufactured with composite materials. This allows to isolate and evaluate detected failures, and consequently to improve the quality of the inspections. As an additional achievement, an empty gap in the Spanish literature about the topic is filled with this dissertation. The entire project was carried out in the Non-destructive Testing laboratory facilities belonging to the department of Materials & Processes in the Airbus Operations S.L. factory, located in Getafe (Madrid). Until now, only a procedure for the evaluation of conventional transducers (contact as well as immersion transducers) existed in the company, but given the great development of the Phased Array technology, the need of the creation of a specific procedure for these transducers comes up. The definitive Procedure of evaluation of Phased Array transducers took approximately four months in working hours to be completed. Very numerous and different tests were performed in order to understand the software of evaluation and the specific behaviour of these transducers (that differs quite a lot from the conventional transducers, due to the difficulty that the high number of elements involve). For the hole of that period the parameters of work were optimized, the official procedure was written and a template of the results report was created. One of the most important tests performed was the transducer Analysis of Frequency. There are two possibilities regarding the frequency interval to be used: broad band (from 2 to 30 MHz) and narrow band (5MHz); both of them were studied. Regarding the material, the tests were performed on standards made of steel, aluminium, methacrylate (PMMA) and Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). According to the results, the best conditions to evaluate the Phased Array transducers are broad band frequency and a PMMA reference standard. The next group of tests were intended to study the diameter and beam symmetry of these transducers. To achieve that, a great amount of tests were carried out to analyse the behaviour of the beam when it came from a single element or from several elements firing together. To conclude this test, the best aperture for a transducer of several elements is the one that maximizes the signal with the lowest gain possible. The usual aperture chosen is eight elements. Within this group of tests, there are also tests set aside for the choice of the optimum working distance, concluding that it is approximately the maximum acoustic pressure of the transducer (Yo +). The creation of this procedure to evaluate Phased Array transducers means great contributions to Airbus Operations S.L., such as: better quality in the material supply, technological advance since before there was just one procedure to evaluate conventional transducers, which is a competitive advantage compared to other companies because this is a completely new and leading procedure, cost savings associated to significant reduction in the inspection times, etc.Ingeniería Industria