<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Quantifier la porosité et son effet sur la détection de défauts par ultrasons Matriciels

Amanda To¹, Ricardo Fernandez¹*

¹ dolhitech

*co-auteur e-mail: ricardo@dolphitech.com

## Sommaire

La porosité diffuse est un problème bien connu dans la fabrication des composites. Même si la teneur globale en porosité reste en dessous d'un seuil qui cause une réduction significative des performances mécaniques, sa présence peut masquer la détection d'autres éléments de subsurface et de défauts plus critiques tels que les décollements et les délaminations. Pour étudier ce phénomène, une étude a été réalisée avec la dolphicam2 de dolhitech sur des panneaux en CFRP ayant des niveaux de porosité différents.

Les résultats montrent que l'intensité du signal dans la profondeur du réflecteur diminue considérablement avec la porosité, mettant en évidence son effet de couverture d'autres défauts. Ces résultats incluent des images détaillées et des données numériques, aidées par C-scan en temps réel de dolphicam2 et l'analyse statistique intégrée.

## 1. Introduction

La microporosité diffuse reste un problème important pour la fabrication des composites. Elle peut se produire en raison d'une géométrie de pièce trop complexe, d'une sélection de matériaux inappropriée ou de cycles de cuisson incorrects [1-3]. Bien que son principal effet soit d'affaiblir le matériau [4], sa présence peut masquer la détection d'autres éléments de subsurface.

Compte tenu de la variation de la détectabilité des défauts avec la porosité, il est également important d'identifier les panneaux présentant une porosité plus élevée. Par conséquent, cette étude couvrira à la fois la variation de la détectabilité des défauts avec la porosité et la manière de distinguer les échantillons plus poreux.

Il existe plusieurs études sur la détection des défauts en fonction de la porosité [5] et de nombreux travaux sur la quantification de la porosité [6, 7]. Cependant, ce travail a pour but de compléter les études actuelles en fournissant des résultats quantitatifs sur la porosité et son effet sur la détection des défauts à l'aide du contrôle par ultrasons matriciel (MAUT), définis dans la norme ASTM E3370 – 22.

Le MAUT fait référence aux essais par ultrasons qui utilisent un réseau 2D d'éléments ultrasonores [8]. La plateforme dolphicam2 y parvient en émettant des ultrasons le long des lignes d'électrodes et en recevant le signal de retour à travers les électrodes perpendiculaires. Comme le système utilise uniquement des ondes à 0° (regardant directement vers le bas dans le matériau), il est

conceptuellement simple à comprendre.

Le réseau matriciel fait que la dolphicam2 est unique dans la production de C-scans en temps réel et que les cartographies C-scan sur de grandes surfaces peuvent être construites en utilisant une combinaison de C-scans individuels, sans avoir besoin d'outils supplémentaires. Ces C-scans et les importantes quantités de données qui en résultent permettent une analyse statistique, qui sera utilisée dans cette étude pour fournir des résultats quantitatifs.

## 2. Méthodologie

### 2.1. Échantillons

Pour démontrer la variation de cette détectabilité en fonction de la porosité, des panneaux en polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) ayant différents niveaux de porosité ont été fabriqués avec des trous à fond plat par Flying S Inc. pour être inspectés avec la dolphicam2. Ces trous à fond plat simulent la réponse d'un décollement ou d'une délamination.

Les panneaux en CFRP sont fabriqués à partir d'un préimprégné en fibre de carbone T700S à tissage simple, qui contient 42% de résine époxy en pourcentage du poids. Trois panneaux ont été fabriqués et la polymérisation a été effectuée à trois niveaux de vide différents (50%, 75% et 100%). Le vide à 100 % représente le cycle de cuisson nominal, les vides à 75 % et 50 % étant utilisés pour introduire intentionnellement des niveaux de porosité plus élevés. Chaque panneau a été fabriqué selon les mêmes spécifications et correspond au panneau illustré dans la figure 1.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1:** Photographies montrant l'aspect des panneaux. Le panneau polymérisé dans un vide à 100% est montré à titre d'exemple. (a) montre la "face d'inspection" et (b) montre la "face arrière" du panneau.</figcaption></figure>
Chaque panneau comporte cinq trous à fond plat (TFP), que l'on peut voir sur la "face arrière" de la figure 1. Les dimensions des TFP sont indiquées sur la figure 2. Dans cette étude, les trous seront étiquetés en utilisant leur diamètre nominal et leur profondeur au millimètre près.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2:** Schéma du panneau. Les dimensions sont données en millimètres.</figcaption></figure>

## 2.2. Configuration

Les panneaux ont été contrôlés à l'aide d'une dolphicam2+ avec un module transducteur TRM-BF-2.5MHz. Ce TRM a une fréquence centrale de 2,5 MHz et une ligne de retard en Aqualene. Il est adapté à l'inspection des matériaux composites de qualité plus réduite, y compris les matériaux présentant des niveaux de porosité plus élevés.

Une carte assemblée composée de dalles 5x5 a été acquise sur la face d'inspection de chaque panneau. Les cartographies assemblées sont une capacité unique rendue possible par les scans C en temps réel de dolphicam2. Elles sont formées en positionnant à main levée le transducteur et en assemblant les données de chaque emplacement.

Un gel ultrasons standard a été utilisé comme couplant et la vitesse a été maintenue à sa valeur par défaut (3000 m/s). Le gain analogique a été réglé à un niveau tel qu'aucun des réflecteurs n'a donné une réponse >100% de la hauteur de l'écran dans aucun des trois panneaux.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 3:** Photographie de l'installation sur un panneau utilisant une dolphicam2+ et un module transducteur TRM-BF-2.5MHz.</figcaption></figure>

Comme indiqué, cette étude portera à la fois sur la variation de la détectabilité des défauts avec la porosité et sur la manière de distinguer les échantillons plus poreux. L'outil signal/référence de la dolphicam2 sera utilisé pour quantifier la différence entre le signal souhaité et le bruit de fond afin de montrer la variation de la détectabilité des défauts avec la porosité. On s'attend à ce que l'amplitude de l'écho de fond diminue avec la porosité, ce qui peut être utilisé comme un moyen quantitatif de distinguer des

panneaux de porosités différentes. Cela est dû au fait que les "pores" diffusent les ultrasons lorsqu'ils traversent le matériau, ce qui réduit la quantité d'énergie sonore reçue sous forme d'écho de la surface opposée du matériau.

Les valeurs utilisées dans ces calculs pour le rapport signal/référence et l'amplitude de l'écho de fond sont issues de la moyenne des mesures effectuées sur une plus grande région. L'utilisation de données sur une grande zone permet d'obtenir une mesure plus représentative et, par conséquent, une meilleure fiabilité. Ceci est particulièrement avantageux pour les matériaux anisotropes tels que les composites où les mesures ponctuelles peuvent varier de manière significative sur de petites zones. La plateforme dolphicam2 rend cela simple car elle peut effectuer des statistiques à tout moment et même sur des données en temps réel sur son ouverture de 128x128 éléments, ce qui permet une évaluation rapide des dégradations.

Il sera également démontré comment l'imagerie et le seuillage des données peuvent être utilisés pour représenter les zones de plus grande porosité, où la zone couverte peut être un autre indicateur quantitatif de la porosité de l'échantillon.

## 3. Résultats

L'outil signal/référence a été utilisé sur l'ensemble de données assemblées manuellement, les données étant sélectionnées pour contenir le réflecteur correspondant, comme le montre la figure 4. La zone à partir de laquelle la valeur de référence a été calculée est restée cohérente, couvrant une zone d'une taille légèrement supérieure à 3600 mm² et comportant environ 58 000 balayages A-scan. Les valeurs signal-référence résultantes sont présentées à la figure 5.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 4:** Procédé de calcul du signal de référence pour chaque réflecteur.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 5:** Signal/référence des réflecteurs. Les réflecteurs sont étiquetés en utilisant leur diamètre nominal et leur profondeur à partir de la surface d'inspection au millimètre près.</figcaption></figure>

Sur la figure 5, on peut voir que le rapport signal/référence diminue avec des niveaux de vide plus faibles, le rapport signal/référence moyen pour le panneau à 100% de vide étant de 17,2 dB, contre 14,4 dB et 11,4 dB pour les panneaux à 75% et 50% de vide respectivement. Les niveaux de vide inférieurs correspondent à des porosités plus élevées, où la réduction du rapport signal/référence est le résultat de la diffusion des ultrasons par la porosité, ce qui entraîne des niveaux de bruit plus élevés et moins de signal provenant des défauts eux-mêmes.

Dans le cadre du processus de détermination du signal de référence, le signal moyen sur le réflecteur a été enregistré et le résultat est présenté à la figure 6. Ici, on peut voir que l'amplitude du réflecteur diminue lorsque le niveau de vide est plus faible, ce qui correspond à une porosité plus élevée. C'est particulièrement le cas pour les réflecteurs situés plus en profondeur dans le panneau.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6:** Signal moyen des réflecteurs. Les réflecteurs sont étiquetés en utilisant leur diamètre nominal et leur profondeur à partir de la surface d'inspection au millimètre près.</figcaption></figure>

Si, au contraire, pour chaque réflecteur, une région de 25 mm x 25 mm est délimitée et que la moyenne de cette région est utilisée pour la valeur du signal, la tendance résultante est toujours présente de manière globale, le rapport signal/référence moyen pour le panneau à 100% de vide est de 13,2 dB, contre 7,8 dB et 6,7 dB pour les panneaux à 75% et 50% de vide respectivement. Cela montre que la réduction du rapport signal/référence n'est pas un artefact de la taille de l'échantillon. La tendance est cependant plus

faible car une grande partie de la zone incluse dans les statistiques n'est pas liée au défaut lui-même.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7:** Signal/référence des réflecteurs utilisant une région de 25 mm x 25 mm. Les réflecteurs sont étiquetés en fonction de leur diamètre nominal et de leur profondeur par rapport à la surface d'inspection, au millimètre près.</figcaption></figure>

La réduction du rapport signal/référence souligne la nécessité de s'assurer que la porosité est faible pour garantir la détection des défauts. Il existe différentes façons d'identifier les panneaux présentant une porosité plus élevée. Comme nous l'avons vu, l'une de ces méthodes est la réduction de l'amplitude de l'écho de fond car on s'attend à ce que les panneaux à porosité élevée soient plus atténués aux ultrasons. L'amplitude est prise sur la même zone que la région de référence de la figure 4, mais avec seulement la paroi du fond. Les résultats sont présentés à la figure 8.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Figure 8:** Amplitude de l'écho de fond des panneaux durcis à différents niveaux de vide.</figcaption></figure>

Dans la figure 8, l'amplitude de l'écho de fond diminue avec un vide réduit et donc une porosité plus élevée. Cela confirme que l'amplitude de l'écho de fond diminue avec l'augmentation du niveau de porosité. Le changement est significatif et les panneaux de différentes porosités peuvent donc être clairement distingués.

Pour visualiser les zones de porosité plus élevée, les images C-scan peuvent également être seuillées en amplitude. La figure 9 montre le résultat pour un seuil d'amplitude de 20% en utilisant l'outil Defect Detection du logiciel dolphicam2. Cette approche peut être utilisée pour une sélection rapide des composites, lorsque le pourcentage d'amplitude qui correspond à un niveau excessif de porosité est connu.
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 9:** Vue de l'amplitude des données assemblées manuellement sur des panneaux polymérisés sous (a) 50%, (b) 75% et (c) 100% de vide.</figcaption></figure>

Les panneaux polymérisés sous un vide plus faible, afin d'augmenter leur porosité, présentent une plus grande surface surlignée en rouge, ce qui correspond à de plus grandes zones de faible amplitude. Ceci peut également être quantifié avec la fraction de surface tracée dans la figure 10. Ceci est utile pour les procédures qui stipulent une porosité maximale autorisée par fraction de surface.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Figure 10:** Zone couverte par la région seuillée pour les panneaux polymérisés sous différents niveaux de vide.</figcaption></figure>

Il peut cependant y avoir des situations où des défauts doivent être détectés sur des échantillons plus poreux. Heureusement, la capacité à détecter les réflecteurs est meilleure que ce que certaines valeurs de signal-référence peuvent suggérer. La figure 11 montre le relevé manuel sur le panneau à 50% de vide, qui représente le panneau le plus poreux et donc le plus difficile à inspecter. Dans la figure 11, la vue C-scan en épaisseur (ToF) est montrée avec la paroi arrière incluse dans la sous-figure (a), et la vue ToF est montrée avec le gating interne et un seuil appliqué pour aider à mettre en évidence les trous à fond plat dans la sous-figure (b).

Les cinq défauts sont clairement visibles dans cette vue C-scan en épaisseur (ToF). Ainsi, les balayages C-scan réduisent le problème à une reconnaissance des formes, ce qui convient bien aux personnes. Cela signifie qu'il est possible de détecter des défauts dans des échantillons plus poreux, si nécessaire. Cela rend les C-scans en direct de dolphicam2 très avantageux par rapport à la réalisation de la même tâche en utilisant uniquement un affichage A-scan.
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>(a)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>(b)</figcaption></figure>

**Figure 11:** Vue C-scan (ToF) de l'épaisseur d'un point manuel pris sur un panneau à 50% de vide. (a) montre les données avec la paroi de fond incluse, et (b) montre les données avec le déclenchement interne et le seuil d'amplitude fixé à 12,5 %.

## 4. Conclusion

Avec ses C-scans en temps réel et son analyse statistique intégrée, la dolphicam2 produit à la fois des images très précises et des données numériques. La dolphicam2 est unique en ce qu'elle est capable de générer des C-scans en direct à partir de son ouverture de 128x128 éléments, ce qui permet d'assembler les scans manuellement. Cela permet une cartographie rapide des données.

La dolphicam2 a également la fonctionnalité d'effectuer des statistiques sur son appareil. Ainsi, l'intensité du signal de défaut a pu être quantifiée, et l'on a constaté que le rapport signal/référence à la profondeur du réflecteur diminuait considérablement avec la porosité. Le rapport signal/référence moyen pour le panneau sous vide à 100 % est de 17,2 dB, contre 14,4 dB et 11,4 dB pour les panneaux

sous vide à 75 % et 50 % respectivement, ce qui signifie qu'un vide plus faible correspond à une porosité plus élevée. Cela met en évidence la nécessité de s'assurer que la porosité est faible, soulignant les "dangers" de la porosité dans leur capacité à masquer d'autres caractéristiques de subsurface et des défauts plus critiques tels que les décollements et les délaminations. Si des défauts doivent être détectés et caractérisés dans des échantillons plus poreux, la dolphicam2 peut générer des C-scans avec facilité, facilitant l'interprétation par rapport aux affichages A-scan conventionnels.

Pour quantifier le niveau de porosité lui-même, l'amplitude moyenne de l'écho de fond peut être surveillée ou l'outil de détection des défauts peut être appliqué aux données, ce qui permet un contrôle qualité rapide de type "Pass/Fail" en fonction d'une variété de critères distincts.

## Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier **Ishmael Carbajal** de dolphitech pour la conception des panneaux et **Cody Yager** de **Flying S Inc** pour la fabrication des panneaux.

## Références

[1] Fernlund, G., et al. "Causes and remedies for porosity in composite manufacturing." IOP conference series: materials science and engineering. Vol. 139. No. 1. IOP Publishing, 2016.

[2] Bhat, M. R., et al. "Non-destructive evaluation of porosity and its effect on mechanical properties of carbon fiber reinforced polymer composite materials." AIP Conference proceedings. Vol. 1430. No. 1. American Institute of Physics, 2012.

[3] Hernández, S., et al. "Optimization of curing cycle in carbon fiber-reinforced laminates: void distribution and mechanical properties." Composites Science and Technology 85 (2013): 73-82.

[4] Smith, R. A. "Composite defects and their detection." Materials science and engineering 3.1 (2009): 103-143.

[5] Eren, E., Kurama, S., and Solodov, I. "Characterization of porosity and defect imaging in ceramic tile using ultrasonic inspections." Ceramics International 38.3 (2012): 2145-2151.

[6] Daniel, I. M., Wooh, S. C., and Komsky, I. "Quantitative porosity characterization of composite materials by means of ultrasonic attenuation measurements." Journal of nondestructive evaluation 11.1 (1992): 1-8.

[7] Birt, E. A., and Smith, R. A. "A review of NDE methods for porosity measurement in fibre-reinforced polymer composites." Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring 46.11 (2004): 681-686.

[8] Standard Practice for Matrix Array Ultrasonic Testing of Composites, Sandwich Core Constructions, and Metals Used in Aerospace Applications. ASTM E3370-22, ASTM International, 2023.