DETECTION OF LOW-VELOCITY IMPACT DAMAGE IN CARBON FIBER SANDWICH PANELS USING INFRARED THERMOGRAPHY

Abstract

An aircraft is subjected to a variety of different types of damage while in flight or undergoing maintenance on the ground, the need to quickly and efficiently detect the induced damage is necessary before it can evolve into a safety concern. Most modern day aircraft take advantage of composite materials to reduce the overall mass of a component, while adding strength and durability. Due to the nature of composite face sheet honeycomb panels, accidental impacts from tool drops, runway debris, hail and bird strikes can cause internal damage to the honeycomb core, while leaving no evidence of an impact on the surface. Innovative inspection methods are required to investigate damage and provide general checkups of these newer composite materials and structures. Infrared thermography has emerged as a promising non-destructive inspection method in many industries due to its relatively fast and inexpensive ability to detect subsurface anomalies and damage. This research looks at composite face sheet honeycomb panels and infrared thermography’s capabilities in detecting low velocity impact damage such as delaminations, disbonds, core crushing, water ingress and microcracking of the face sheet. Composite face sheet honeycomb test panels were manufactured using pre-impregnated carbon fiber plies with an aluminum honeycomb core material. Using a drop-weight impact tower, the test panels were subjected to a range of impact energies to simulate different types of damage due to low velocity impact. The impact locations were non-destructively inspected using 3D laser scanning, Eddy current testing and infrared thermography, and then destructively sectioned and observed using microscopy. Seven studies were conducted that focused on testing active infrared thermography’s capabilities in detecting different types of induced damage such as core crush, disbonds, ply delaminations and core separation. Passive infrared thermography was also investigated for its ability to detect water ingress within individual honeycomb cells. It was shown that IR thermography is capable of detecting small voids that exist within the face sheet or honeycomb core. These can range from a delamination occurring in-between plies, to a slice occurring in the honeycomb cell wall. It also performed exceptionally well at detecting trapped water or ice within the honeycomb cells using passive IR thermography.

Un aéronef subit divers types de dommages en vol ou en cours de maintenance au sol. Il est donc nécessaire de détecter rapidement et efficacement les dommages induits avant que ceuxci ne deviennent un problème de sécurité. La plupart des aéronefs modernes tirent parti des matériaux composites pour réduire la masse totale d'un composant, tout en lui apportant la résistance et la durabilité. En raison de la nature des matériaux composites sandwiches à nid d'abeilles, les impacts accidentels dus aux chutes d'outils, aux débris de piste, à la grêle et aux impacts d'oiseaux peuvent endommager l’âme du panneau à nid d'abeilles tout en ne laissant aucune trace d'impact en surface. Des méthodes d’inspection novatrices sont nécessaires pour étudier les dommages et effectuer des contrôles généraux de ces nouveaux matériaux et structures composites. La thermographie infrarouge est apparue comme une méthode d'inspection non destructive prometteuse dans de nombreux secteurs en raison de sa capacité relativement rapide et peu coûteuse à détecter les anomalies et les dommages sous la surface. Cette recherche examine les panneaux composites à nid d'abeilles et les capacités de thermographie infrarouge pour détecter les dommages par impact à basse vitesse tels que les délaminages, les décollements (décohésion), l’écrasement de l’âme, les infiltrations d'eau et la microfissuration des peaux. Des panneaux composites à nid d'abeilles de test ont été fabriqués à l'aide des peaux en couches de fibres de carbone pré-imprégnées avec l’âme en nid d'abeilles dont le matériau de base l’aluminium. À l'aide d'une tour de chute libre d'impact à faible poids, les panneaux d'essai ont été soumis à une gamme d'énergies d'impact afin de simuler différents types de dommages d’impact à basse vitesse. Les emplacements d'impact ont été inspectés de manière non destructive à l'aide d'un balayage laser 3D, de tests par courants de Foucault et de thermographie infrarouge, puis ont été sectionnés et observés de manière destructive à l'aide d'une microscopie. Sept études ont été menées sur les capacités de la thermographie infrarouge active à détecter différents types de dommages induits, tels que l'écrasement de l’âme, le décollement, le délaminage des plis et la séparation de l’âme. La thermographie infrarouge passive a également été étudiée pour sa capacité à détecter la pénétration d'eau dans des cellules individuelles du nid d'abeilles.

Il a été démontré que la thermographie infrarouge est capable de détecter les petits défauts existant dans la peau ou l’âme à nid d'abeilles. Ceux-ci peuvent aller d'un délaminage se produisant entre les couches à une coupure se produisant dans la paroi de la cellule du nid d'abeille. La thermographie infrarouge passive a également permis de détecter exceptionnellement l'eau ou la glace piégée dans les cellules du nid d'abeilles.