Analisi di porosità di polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) mediante micro-tomografia a raggi X

In many industrial sectors, including the aeronautical, naval and auto-motive fields, there is a growing use of components based on carbon fiber reinforced polymer (CFRP). These materials are therefore of great importance thanks to their stiffness and high resistance-to-weight ratio. The properties and characteristics of such polymers, however, are closely related to their porosity. Generally, porosity levels greater than 2-4% of the total volume do not conform to the construction of structural parts of aeronautical vehicles. The standard technique to check CFRP porosity or measure it, is the ultrasonic attenuation. This methodology requires a remarkable experience for the operator and very often its results are of difficult interpretation. This report will show how an X-ray micro-tomographic investigation made with the help of 3D visualization software is a suitable tool for analyzing and characterizing CFRP components. In particular, it will be shown how starting from the tomographic data set and by using image processing techniques, it is possible to carry out a thorough microstructural investigation of these materials and to characterize their internal porosity accurately. The existence of an optimal resolution for porosity analysis, where image quality is high and uncertainty about pore detection is minimal will also be demonstrated.

In diversi settori industriali, tra cui il settore aeronautico, navale e automobilistico si assiste ad un sempre più massiccio impiego di componenti basati su matrici polimeriche rinforzate con fibre di carbonio (CFRP). Sono materiali che rivestono, dunque, una notevole importanza grazie alla loro caratteristica rigidità e all’elevato rapporto resistenza-peso. Le proprietà e caratteristiche di tali polimeri, però, sono strettamente correlate al loro livello di porosità; generalmente, livelli di porosità superiori al 2-4% del volume totale non sono conformi alla realizzazione di parti strutturali di velivoli aeronautici. La tecnica standard per eseguire controlli e misure di porosità su CFRP è quella dei test ad ultrasuoni. Questo metodo d’indagine richiede una notevole esperienza da parte dell’operatore e molto spesso genera risultati di difficile interpretazione. In questo report mostriamo come l’utilizzo della micro-tomografia ai raggi X in combinazione con un software di visualizzazione 3D risulti essere uno strumento dall’enorme potenziale nell’analisi e caratterizzazione dei campioni CFRP. In particolare, a partire dai dataset tomografici, è possibile mediante tecniche di elaborazione di immagini riuscire ad effettuare una indagine dettagliata della porosità interna di questi materiali riuscendo a caratterizzarne la distribuzione dei pori. Mostreremo inoltre come esista una risoluzione ottimale per l’analisi di porosità, dove la qualità delle immagini ha un massimo e l’incertezza sull’individuazione dei pori un minimo.