Caracterización de materiales mediante el método de Shearografía Digital

Abstract

Ante la necesidad de mejorar la calidad de componentes estructurales críticos se observa un alto interés en el desarrollo y aplicación de varios métodos para la caracterización y evaluación de materiales durante la manufactura o servicio. Dentro de este marco aparece el método óptico de Shearografía Digital (DS) como método de ensayo de no contacto, para la localización y detección de defectos superficiales y subsuperficiales en tiempo real en áreas relativamente grandes con una sola medición. Sin embargo, la cuantificación y caracterización de los defectos es un tema abierto en la comunidad científico-tecnológica. El presente trabajo analiza tres propuestas de dispositivos experimentales y su desempeño, no solo en la detección de defectos sino también en su cuantificación. Para esto se utiliza aquí la técnica de extracción de información denominada variación de fase espacial, o SPS por sus siglas en inglés, con los tres dispositivos. El primero de los dispositivos es la configuración tradicional que utiliza un interferómetro de Michelson (IM) para realizar el desdoblamiento de una imagen. A éste se lo denomina shearógrafo básico o DS básico. Se consideran además dos alternativas para este sistema, ya que no aumentan demasiado la complejidad del sistema óptico. En la primera se incorpora una fuente de iluminación móvil de manera de generar un corrimiento de fase conocido sobre la muestra iluminada. A esta técnica se la llama Generación de Franjas Portadoras o brevemente GFP. La segunda variación analizada agrega una configuración de lentes conocida como sistema 4f, la que le da el nombre al dispositivo. También, se estudian diversos métodos de procesamiento de las imágenes adquiridas para facilitar la extracción de la información de interés. Para las tres configuraciones analizadas, se realizan mediciones sobre diversas muestras de material disponible. Se comienza utilizando un dispositivo de prueba a fin de poner a punto la técnica y tener una referencia. Posteriormente, se ensayan materiales compuestos, tipo sandwich, los cuales presentan diversos defectos preexistentes conocidos: agujeros, delaminación, ausencia de adherencia, irregularidades geométricas, insertos metálicos. También se inspecciona un tubo bobinado de fibra de carbono y resina. Para revelar estos defectos se somete al material a variaciones de temperatura. En todos estos ensayos se busca determinar los alcances y limitaciones de los distintos dispositivos experimentales propuestos. La implementación y análisis de dichas variantes, permite determinar en una primera instancia cuál es la más viable para su uso en distintas condiciones de ensayo. Por último, se hace una breve comparación entre los dispositivos de laboratorio y un equipo comercial, encontrando que el shearógrafo básico, aunque limitado en recursos en comparación con el comercial, tiene un buen desempeño en la detección y localización de defectos.

The need to improve the quality of critical structural components has led to a high interest in developing and applying various methods for material characterization and evaluation during manufacturing or service. To address this need, the optical method of Digital Shearography (DS) has emerged as a non-contact testing method capable of detecting the displacement gradient field on a component’s surface. This technique provides good results for real-time detection of surface and subsurface defects in relatively large areas with a single measurement. However, the quantification and characterization of defects remain an open topic in the scientific-technological community. This thesis analyzes three proposals for experimental devices and their performance, not only in defect detection but also in quantification. For this purpose, the information extraction technique called Spatial Phase Shifting, or SPS for short, is used with the three devices. The first device is the traditional configuration that uses a Michelson interferometer (IM) to perform image splitting, also known as the basic shearograph or DS basic. Two alternatives are also considered for this system, which do not greatly increase the complexity of the optical system. The first incorporates a mobile lighting source to generate a known phase shift on the illuminated sample, known as Carrier Fringe Generation or GFP for their initials in Spanish. The second variation adds a lens configuration known as a 4f system, giving the device its name. Various image processing methods were studied to facilitate the extraction of the information of interest. Measurements were made on various available material samples for the three analyzed configurations. A test device was initially used to fine-tune the technique and establish a reference. Subsequently, composite materials of sandwich-type were tested, which presented various pre-existing known defects such as cracks, holes, delamination, lack of adhesion, geometric irregularities, and metal inserts. A carbon fiber and resin wound tube was also inspected. To reveal these defects, the material was subjected to temperature variations. The implementation and analysis of these variants allowed for determining, initially, which one is the most viable for use in different test conditions. Finally, a brief comparison is made between the laboratory devices and a commercial shearography device, specifying the device being compared. The basic shearograph, although limited in resources compared to the commercial device, has good performance in defect detection and localization.