UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE INTERFEROMETRIA HOLOGRÁFICA NA DETECÇÃO DE DEFEITOS EM COMPÓSITOS LAMINADOS

Abstract

Recibido 5 de abril de 2004, revisado 9 de noviembre de 2004, para publicación 25 de febrero de 2005) Resumo – No presente trabalho utilizam-se as técnicas de interferometria holográfica para a detecção de defei-tos em placas laminadas de carbono/epóxido. Foram analisadas placas com 16 camadas e duas orientações de fibras, sendo uma simétrica, [0,90,0,90]2s e outra antissimétrica [0,90]8. Impactos de baixa velocidade e energia foram utilizados para gerar defeitos no interior das placas. A presença dos defeitos é revelada por alterações no campo de deslocamentos à superfície. Esta informação foi obtida por ESPI (Electronic Speckle Pattern Interfe-rometry) e por Shearography. Para a análise dos resultados recorreu-se a algoritmos de processamento de ima-gem. Verificou-se que as placas com empilhamento antissimétrico oferecem uma maior resistência ao impacto do que as placas com empilhamento simétrico. Palavras chave – Compósitos, dano, interferometria holográfica.

Full text

Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica. Vol. 10, N.º 1, pp. 83-91, 2006
UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE INTERFEROMETRIA
HOLOGRÁFICA NA DETECÇÃO DE DEFEITOS
EM COMPÓSITOS LAMINADOS
ANA M. AMARO
1
, JOSÉ S. CIRNE
1
, NUNO F. RILO
1
, MÁRIO VAZ
2
, J. MONTEIRO
2
1
CEMUC – Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra, FCTUC, Portugal
2
LOME – Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental, FEUP, Portugal
(Recibido 5 de abril de 2004, revisado 9 de noviembre de 2004, para publicación 25 de febrero de 2005)
Resumo – No presente trabalho utilizam-se as técnicas de interferometria holográfica para a detecção de defei-
tos em placas laminadas de carbono/epóxido. Foram analisadas placas com 16 camadas e duas orientações de
fibras, sendo uma simétrica, [0,90,0,90]2s e outra antissimétrica [0,90]8. Impactos de baixa velocidade e energia
foram utilizados para gerar defeitos no interior das placas. A presença dos defeitos é revelada por alterações no
campo de deslocamentos à superfície. Esta informação foi obtida por ESPI (Electronic Speckle Pattern Interfe-
rometry) e por Shearography. Para a análise dos resultados recorreu-se a algoritmos de processamento de ima-
gem. Verificou-se que as placas com empilhamento antissimétrico oferecem uma maior resistência ao impacto
do que as placas com empilhamento simétrico.
Palavras chave – Compósitos, dano, interferometria holográfica.
1. INTRODUÇÃO
A utilização de materiais compósitos com matriz polimérica, reforçados com fibras de carbono, aumen-
tou significativamente no final do século passado. Iniciando-se nas industrias aeronáutica e espacial a sua
utilização tem vindo a ser progressivamente alargada a outras aplicações correntes onde estes materiais
apresentam fortes vantagens competitivas. O bom desempenho mecânico destes materiais, aliado a um
baixo peso e bom comportamento em ambientes agressivos justificam este crescimento. Apresentam, no
entanto, reduzida resistência a impactos de baixa velocidade, o que justifica o estudo do seu comporta-
mento quando submetidos a estas solicitações.
Após o impacto, os compósitos podem desenvolver defeitos no seu interior que reduzem a sua resistên-
cia mecânica e podem mesmo inibir a sua utilização. Desta forma é de primordial importância dispor de
técnicas de análise não destrutiva que permitam a detecção dessas descontinuidades. No presente trabalho
são utilizadas placas laminadas de carbono/epóxido com 16 camadas e diferentes orientações de fibras,
simétricas [0,90,0,90]
2s
, e antissimétricas [0,90]
8
, para estudar o comportamento destes materiais. Estas
placas foram submetidas a impactos com velocidades inferiores a 1,3 ms
-1
, associados a energias variando
entre os 1,5 J e os 3 J, e posteriormente ensaiadas com técnicas holográficas para detectar a presença de
defeitos.
Foram utilizadas duas técnicas de interferometria holográfica, ESPI e Shearography. Em ambas as téc-
nicas a presença dos defeitos internos é revelada por alterações provocadas no comportamento da superfí-
cie do objecto. Para isso é registada uma situação inicial, utilizada como referência em situações posterio-
res obtidas para diferentes situações de carga. Desta forma é possível analisar qualquer tipo de superfície
difusa sem contacto e sem preparação prévia da mesma. Os resultados são obtidos sob a forma de padrões
de franjas, que correspondem ao lugar geométrico dos pontos com igual deslocamento ou gradiente de
deslocamento, respectivamente. As descontinuidades no padrão de franjas correspondem geralmente a
deslocamentos localizados resultantes de descontinuidades no material.

84 A. M. Amaro, J. S. Cirne, N. F. Rilo, M. Vaz, J. Monteiro
2. AS TÉCNICAS DE INTERFEROMETRIA HOLOGRÁFICA
Os sistemas de interferometria utilizados no presente trabalho baseiam-se no interferómetro de Michel-
son [1], onde duas frentes de onda coerentes são combinadas para obter registos holográficos com gra-
vação simultânea de amplitude e fase. Neste aspecto as técnicas utilizadas, ESPI e Shearography, diferem
apenas no facto de na primeira uma das frentes de onda ser especular, isto é, tem fase constante, enquanto
na segunda ambas correspondem a padrões de speckle, fase aleatória. Combinando dois destes registos,
obtidos com o objecto em diferentes situações de carga, obtém-se padrões de interferência que se encon-
tram relacionados com o comportamento dos objectos.
Nos sistemas de Shearography, o princípio para a obtenção de franjas de interferência é apenas a
existência de correlação entre o padrão de franjas, granitado laser, antes e após a deformação. Este siste-
ma não requer a realização de diferenciação numérica, visto que permite a diferenciação óptica [2]. Lee et
al [3] realizaram estudos em materiais compósitos com duas técnicas de Shearography, tendo concluído
que as mesmas são adequadas para a detecção de defeitos e análise mecânica destes.
As técnicas de ESPI surgiram a partir do desenvolvimento das técnicas de interferometria holográfica,
substituindo as emulsões fotográficas por uma câmara de vídeo. Dependendo da configuração óptica do
sistema de ESPI este pode ser sensível a deslocamentos fora do plano ou a deslocamentos no plano. Para
que um sistema seja sensível a deslocamentos fora do plano, o objecto é iluminado por um feixe de luz e a
referência obtida através de um feixe especular proveniente da mesma fonte, como se pode ver na Fig. 1.
O alinhamento conveniente do feixe proveniente do objecto e do feixe de referência tornam a gravação de
registos holográficos compatível com a menor resolução dos sistemas vídeo (50 linhas/mm em vez de
3000 linhas/mm das placas holográficas). A montagem utilizada para medir deslocamentos no plano utili-
za dupla iluminação e não foi utilizada neste trabalho.
O sistema de ESPI utilizado consiste num interferómetro onde um feixe de luz coerente é dividido para
gerar os dois braços do interferómetro, feixe referência e feixe objecto. Um dos feixes é filtrado e utiliza-
do como feixe de referência, enquanto o outro ilumina o objecto em análise. A luz difundida pela superfí-
cie do objecto é captada pelas lentes do sistema óptico e combinada com o feixe de referência. O padrão
de granitado resultante da interferência dos dois feixes é captado por uma câmara CCD e armazenado
num sistema de processamento de imagem. Este padrão contém a informação que codifica a superfície do
objecto em análise. Após solicitação do objecto é gravado um segundo padrão de granitado que apresenta
modificações correspondentes às eventuais alterações da superfície. Correlacionando os dois padrões de
granitado é possível obter a distribuição espacial dos deslocamentos com uma resolução da ordem de
metade do comprimento de onda da luz utilizada [4].
Objecto
Divisor de feixe
Lente
microscópica
Espelho
+ PZT
CCD
Laser
Divisor de feixe
Lente
microscópica
Espelho
Fig. 1. Esquema do sistema de ESPI utilizado.

Utilização de técnicas de interferometria holográfica na detecção de defeitos em compósitos laminados 85
Outra configuração do interferómetro de Michelson pode também ser utilizado para detectar defeitos.
Designada por Shearography [5], esta técnica permite a obtenção directa da derivada dos deslocamentos
segundo a direcção normal ao plano [6, 7]. Esta informação assume maior interesse quando se pretende
detectar deslocamentos localizados. A Shearography foi inicialmente desenvolvida como técnica de de-
tecção de tensões residuais em metais, tendo posteriormente derivado para a detecção de defeitos. Habib
[8] recorreu a esta técnica para a determinação de deslocamentos e tensões, em função do tempo e da
temperatura, em diversos tipos de revestimentos, como por exemplo epoxy, material utilizado no presente
trabalho como matriz.
O sistema de Shearography utilizado no presente trabalho está esquematizado na Fig. 2. No sistema de
Shearography, tal como no sistema de ESPI utilizado, um único feixe ilumina o objecto. No entanto, na
montagem de Shearography a imagem da superfície é dividida em amplitude em duas imagens de igual
intensidade, sendo uma desviada (“sheared”) lateralmente da outra. Ambas as imagens são focadas no
sensor de imagem, funcionando cada uma delas como referência para a outra.
As imagens atingem o alvo percorrendo dois caminhos diferentes após o divisor de feixe: um incide no
espelho com o PZT e outro é encaminhado pelo espelho que, para gerar o shear em duas direcções, pode
rodar em dois eixos no seu plano. Assim, duas imagens do objecto espacialmente deslocadas são obtidas e
encaminhadas até ao detector de CCD.
A técnica de Shearography é vocacionada para a detecção de gradientes de deslocamentos [8,9] pois é
praticamente insensível a deslocamentos de corpo rígido ou deformações globais, que afectam de igual
modo ambos os braços do interferómetro. Os padrões de interferência obtidos desta forma permitem de-
tectar mais facilmente a presença de defeitos que provoquem alterações localizadas no campo de deslo-
camentos. O facto de utilizar um interferómetro em que o trajecto dos feixes é comum na maior parte do
seu caminho diminui também a sua sensibilidade a perturbações exteriores [10, 11]. Deve referir-se que
os campos de deslocamento obtidos por ESPI podem ser diferenciados numericamente por métodos de
processamento de imagem conduzindo a mapas de gradientes semelhantes aos obtidos directamente por
Shearography. Este processo é mais trabalhoso e sensível a ruído [12].
Ambas as montagens permitem a utilização de um modulador de fase num dos braços do interferóme-
tro. Este dispositivo consiste num espelho montado num transdutor piezoeléctrico (PZT) e permite regis-
tar um conjunto de imagens em que ao mesmo padrão de franjas é adicionado uma fase constante e con-
hecida. Este conjunto de imagens permite calcular os mapas de fase dos interferogramas utilizando algo-
ritmos de processamento de imagem. Os mapas obtidos aumentam a resolução da medida de aproxima-
damente uma ordem de grandeza.
θ
Abertura
Espelho rotativo
Espelho
+ PZT
Feixe Laser
Objecto
Divisor
de feixe
Lente
CCD
Fig. 2. Esquema do sistema de Shearography.

86 A. M. Amaro, J. S. Cirne, N. F. Rilo, M. Vaz, J. Monteiro
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Para este trabalho foram elaboradas placas de carbono/epóxido com duas sequências de empilhamento:
[0,90,0,90]
2s
e [0,90]
8
. Estas placas foram submetidas a impactos de baixa velocidade, com diferentes
energias. A máquina utilizada nos ensaios é uma máquina universal de impacto por gravidade, da marca
CEAST, modelo FRACTOVIS, conforme se ilustra na Fig. 3. Nesta máquina uma massa cai por gravida-
de sobre a superfície da placa a ensaiar. As características principais da máquina são permitir a obtenção
de velocidades variáveis entre os 1,5 e os 21,5 ms
-1
, energias a partir dos 1,5 Joules, e uma altura máxima
de queda de 1 m, sendo que os valores máximos de energia e velocidade são obtidos através de um siste-
ma de corda elástica. Este dispositivo dispõe de um sistema pneumático que impede impactos por repique
e de um fotodetector que mede com precisão a velocidade com que o impactor atinge a placa.
Foram utilizados provetes de forma quadrada com dimensões de 78x78 mm. Estes foram encastrados
segundo um círculo de 55 mm de diâmetro com centro no ponto de impacto. Foi utilizado um impactor
em aço de forma circular com diâmetro de 20 mm. A máquina possui um programa que permite seleccio-
nar o parâmetro de ensaio como: a energia de impacto, a velocidade de impacto ou altura de queda, uma
vez escolhida a massa. No caso dos ensaios efectuados foi utilizada uma massa de 3,62 kg e imposto ao
sistema um valor para a energia de impacto. Assim, foram ensaiadas placas impondo energias de impacto
de 1,5 J; 2 J; 2,5 J e 3 J, a que correspondem as velocidades de 0,91 ms
-1
; 1,05 ms
-1
; 1,18 ms
-1
e 1,29 ms
-1
,
respectivamente.
Os defeitos resultantes destes impactos foram posteriormente inspeccionados com recurso às técnicas
de análise não destrutiva anteriormente descritas. A fonte de luz coerente utilizada no sistema de ESPI foi
um laser de He-Ne, com uma potência de 32 mW e com comprimento de onda de 632,8 nm, enquanto
que, para o sistema de Shearography foi utilizado um laser do estado sólido (modelo Verdi da empresa
Coherent) que emite no verde, com comprimento de onda de 532 nm e 2 W de potência máxima. Os
padrões de interferência obtidos foram processados num sistema de análise de imagem disponível no
LOME.
Apesar de não ser o único laser a poder ser utilizado nos sistemas de Shearography, o laser de estado
sólido foi também usado por van den Bos [13], na realização de ensaios em materiais sandwich de alumí-
nio – carbono. Este autor recorre a um método de projecto estatístico dos provetes em análise, para opti-
mizar os resultados obtidos por Shearography. De referir que no presente estudo o carbono foi usado
como material de reforço da matriz epoxy.
Fig. 3. Máquina de impacto utilizada (Universidade Carlos III).

Utilização de técnicas de interferometria holográfica na detecção de defeitos em compósitos laminados 87
4. RESULTADOS OBTIDOS
Todas as placas inspeccionadas com as técnicas ópticas foram previamente montadas numa estrutura de
suporte e ligeiramente aquecidas com uma lâmpada de halogéneo para evidenciar as regiões com defeito.
Na Fig. 4 são apresentados os resultados obtidos no ensaio de uma das placas com o sistema de ESPI. Na
primeira imagem está representado o mapa de fase onde um padrão de franjas paralelas corresponde a
uma rotação de corpo rígido segundo uma das diagonais da placa. Este movimento foi propositadamente
induzido para mostrar a sua influência nos resultados da medição. Na segunda imagem pode ver-se o
mesmo mapa de fase após remover parte da rotação utilizando um programa numérico que ajusta uma
superfície aos resultados da medição. Como se pode ver após esta operação o defeito no centro da placa
torna-se mais evidente. A última imagem corresponde à derivada horizontal dos deslocamentos com
grande realce da região defeituosa.
Nas figuras 5 e 6 apresentam-se alguns dos resultados obtidos para as placas com sequência de empil-
hamento simétrica, [0,90,0,90]
2s
, e antissimétrica [0,90]
8
, respectivamente, sendo visível em qualquer uma
das figuras a presença de defeitos. Nestas figuras e para todas as imagens são apresentadas sequências
com o padrão de franjas de ESPI, mapa de fase e o mapa de fase filtrado com um detalhe em falsa cor
indicando a região defeituosa, obtidos a partir de um padrão de Shearography gravado na mesma região.
Nestas figuras são apresentados os resultados obtidos para os valores extremos da gama de energia de
impacto considerada. Como seria de esperar constata-se que a grandeza dos defeitos obtidos para o mes-
mo tipo de placa depende da energia de impacto, observando-se um acréscimo nas dimensões do defeito
com o aumento da energia aplicada.
Na Fig. 6 verifica-se ainda que a resposta da placa antissimétrica à solicitação de 3 J de energia é dife-
rente do observado para a mesma placa com energias inferiores. Ensaios realizados posteriormente com
outras placas com idênticas sequências de empilhamento, e com as mesmas solicitações, quer em ener-
gias, quer em velocidades, permitiram concluir que este tipo de resposta pode ser justificado pelo facto
das placas com sequência de empilhamento antissimétrico estudadas poderem apresentar o seu limite de
rotura para energias de impacto entre os 2,5 J e os 3 J. Os autores pensam que tal pode-se se dever ao
facto das placas antissimétricas apresentarem uma menor resistência à flexão do que as placas simétricas.
Na realidade, ensaios realizados posteriormente [14], para caracterizar a resistência à flexão deste tipo de
placas, demonstrou que as placas simétricas apresentam uma melhor performance, neste tipo de ensaios,
do que as placas antissimétricas.
De referir que se existirem duas camadas contíguas com a mesma orientação, a interface entre as mes-
mas deixa de ser propensa à ocorrência de dano, podendo ser as duas camadas tratadas como se de apenas
uma se tratasse com o dobro da espessura.
(a) (b) (c)
Fig. 4. Resultados obtidos por ESPI. (a) - Mapa de fase; (b) - Mapa de fase com remoção de rotação de corpo rígido; (c) -
Derivada horizontal do deslocamento.

88 A. M. Amaro, J. S. Cirne, N. F. Rilo, M. Vaz, J. Monteiro
A Fig. 7, apenas com os resultados obtidos por Shearography e com representação em falsa cor, mostra
que, para o mesmo valor de energia de impacto, na placa simétrica os defeitos detectados são de dimens-
ões superiores aos correspondentes para as placas antissimétricas. Nesta figura é apenas apresentado um
caso, no entanto, o referido observou-se para todos os valores de energia ensaiados, excepção feita para o
valor de 3 J, conforme já mencionado. Na mesma pode ainda observar-se que a sequência de empil-
hamento interfere com a definição das franjas de interferência obtida, e com a forma do defeito originado.
Por isso a detecção de defeitos em placas com camadas dispostas de forma antissimétrica revelou-se mais
difícil.
5. CONCLUSÕES
As técnicas de interferometria holográfica apresentadas revelam-se extremamente úteis na inspecção de
laminados de materiais compósitos. Estas são utilizadas sem preparação prévia das superfícies e sem con-
tacto, permitindo identificar facilmente gradientes de deslocamentos. Constata-se que estes gradientes
estão normalmente associados a regiões com defeitos. Estas técnicas têm a capacidade de efectuar mediç-
ões com uma resolução submicrométrica, detectando defeitos internos desde que se manifestem no campo
de deslocamentos à superfície. A utilização de técnicas de processamento de imagem na análise dos padr-
ões de interferência permite tratar a informação recolhida em cada medição realçando as regiões com
interesse.
(a) (i) (ii) (iii)
(b) (i) (ii) (iii)
Fig. 5. Defeitos visualizados para as placas simétricas – Energia de impacto. a) E = 1,5 J; b) – E = 3 J. i) Padrão de franjas de
ESPI; ii) – Mapa de fase de um padrão de Shearography iii) – Mapa de fase de um padrão de Shearography com represen-
tação em falsa cor.

Utilização de técnicas de interferometria holográfica na detecção de defeitos em compósitos laminados 89
Todas as placas foram também inspeccionadas por técnicas baseadas em propagação de ultra-sons, no-
meadamente por C-Scan, tendo-se verificado o mesmo tipo de defeitos, e a mesma discrepância na di-
(a) (i) (ii) (iii)
(b) (i) (ii) (iii)
Fig. 6. Defeitos visualizados para as placas antissimétricas. – Energia de impacto a). E = 1,5 J; b) E = 3 J. i) – Padrão de
franjas de ESPI; ii) – Mapa de fase de um padrão de Shearography; iii) – Mapa de fase de um padrão de Shearography com
representação em falsa cor.
(a) (b)
Fig. 7. Energia de impacto de 2 J. a) – Placa simétrica; b) – Placa antissimétrica.

90 A. M. Amaro, J. S. Cirne, N. F. Rilo, M. Vaz, J. Monteiro
mensão dos defeitos verificada para as placas antissimétricas quando solicitadas com energias de 3 J.
A utilização de técnicas baseadas nos ultra-sons tem a vantagem de permitir identificar a posição dos
defeitos ao longo da espessura das placas. Para que os defeitos possam ser detectados, têm que apresentar
dimensões superiores ao comprimento de onda da radiação, o que inibe o uso destes métodos na detecção
de defeitos de pequenas dimensões. De referir que quanto mais pequeno for o defeito, menor deverá ser o
comprimento de onda da radiação emitida, a que corresponde uma frequência mais alta, e uma maior
dificuldade na detecção de defeitos.
Para a detecção de defeitos as técnicas baseadas na interferometria holográfica, apresentadas neste tra-
balho, são bastante eficazes, tendo a Shearography a vantagem de, como é um sistema compacto, poder
ser utilizado fora do laboratório. Por outro lado, se além da detecção de defeitos se pretender localizá-lo
ao longo da espessura, ou mesmo quantificá-lo, deve-se recorrer a outros métodos de análise não destruti-
va, como por exemplo ao C-Scan por ultra-sons.
Em relação ao tipo de material utilizado constata-se que para a placa com sequência de empilhamento
de [0,90]
8
pode existir um limiar da energia de impacto, entre os 2,5 J e os 3 J, a partir do qual aumenta
significativamente a dimensão do dano. Em todos os ensaios foram detectados defeitos de dimensões
elevadas nas zonas correspondentes aos impactos de 3 J. Para as placas com sequência de empilhamento
[0,90,0,90]
2s
, não se observa a presença de defeitos de dimensões elevadas, sendo que, para este tipo de
placas, a presença e localização dos defeitos é perfeitamente visível com qualquer uma das técnicas utili-
zadas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Prof. Carlos Navarro da Universidade Carlos III em Madrid pela disponibili-
dade na utilização da máquina de impacto.
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HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRY TECHNIQUES FOR
DEFECT DETECTION IN LAMINATED COMPOSITES
Abstract – In this work non-destructive techniques, based on holographic interferometry, are used to analyse
laminated composites containing defects caused by low velocity and low energy impacts. Two kind of carbon-
epoxy laminated structures were tested [0,90,0,90]
2s
, symmetrical plates, and [0,90]
8
anti-symmetrical plates. It
should be pointed out that anti-symmetrical plates offers higher impact strength than symmetrical ones. The de-
fects are detected by two interferometric techniques; ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) and
Shearography.
Keywords – Composites, damage, holographic interferometry.