Reconstruction of smooth shape defects in additive manufactured waveguides by laser-ultrasound

International audienceThe use of additive manufacturing (AM) processes, to produce components with complex geometries has grown significantly over the last decade. Complex 3D-printed structures can take the form of thin shells, plates of varying thicknesses, or having functional graded materials.Improving NDT methods using guided waves is a challenge in particular by local contactless all-optical methods. Elastic waveguides allow waves to propagate with complex dispersion, even if the waveguides have graded elasticity or non-uniform geometrical properties. This can lead to anomalous wave propagation. Several theoretical, numerical, or experimental studies [1] have investigated the guided waves in free elastic plate with differentcross-sections, or elastic graded materials (adiabatic modes, Maxwell’s fish-eye, trapped modes, phase conjugation effect, backward propagation modes, etc.) [2]. However, the study of ultrasound propagation in these peculiar waveguides remains original. In this presented work, numerical experiments were carried out using SFE simulation code developed in the Lab [3], which was adjusted to account for laser generation (thermal and optical effects have been neglected). The LPBF process has been used to print multiple aluminium plates with linear thickness losses along the plate h(x, y, z) or locally non-uniform cross-sections (h can increase or decrease in a Gaussian annular shape). Dispersion curves and ultrasonic wavefield were measured by laser ultrasonic technique (LUT) on millimetre inhomogeneous plates. Either with sub-millimetre local Gaussian shape cross-section or with slow linearly thickness variations in one or two directions, waves can propagate in this area due to their width relative to the acoustic wavelengths used. Absolute normal displacements were measured at different points using a broadband laser interferometer and then processed in the spatial and temporal Fourier domain, by filtering the 3D-dispersion curves (kx, ky, ω) of Lamb modes, to determine the thickness variations. Comparatively to thickness measurements using ZGV resonances, we then became interested in the limits and robustness of methods using propagative modes for reconstructing the smooth shape defects along such waveguides. To accomplish this, we used the instantaneous wave number (IWN) method using the A0-mode [4] or we exploited the A1-mode cut-off frequency [5]. By tracking the cut-off frequency of this mode, or local thickness-shear resonance and the associated Airy function, we reconstructed the width of the waveguides. The experimental and numerical results are in good agreement. Reference[1] V. Pagneux and A. Maurel, Royal Soc. London Proc. Series A 462, 1315–1339 (2006).J. Postnova and R. V. Craster, Wave Motion 44, 205–221 (2007).P. Marical, M. E.-C. El-Kettani et al., Ultrasonics 47, 1–9 (2007).[2] G. Lefebvre, M. Dubois et al., Appl. Phys. Lett. 106 (2015).F. Legrand, B. G´erardin et al., Sci. Rep. 11, 23901 (2021).[3] A. Imperiale and E. Demaldent, Int. J. Num. Meth. Eng. 119, 964–990 (2019).[4] R. G. Stockwell, R. P. Lowe et al., Wavelet Applications IV 3078, 349–358 (1997).O. Mesnil, C. Leckey et al., J. Abbrev. Proc. SPIE 9064 (2014).[5] A. Niclas and L. Seppecher, Inverse Problems 39, 055006 (2023).<br

Shape reconstruction of additively manufactured waveguides with smooth thickness variation using laser-induced Lamb modes

International audienceThe increasingly widespread use of the metallic additive manufacturing process enables the design of components with ``complex'' geometry, such as structures featuring waveguides, which may exhibit complex dispersion due to their inhomogeneous characteristics. There is a high demand to characterize the geometric defects associate with phenomena occurring during the manufacturing of the sample, such as the thickness variation. Through numerical and experimental investigations, we explore the propagation of ultrasonic waves in additively manufactured elastic plates, with a specific emphasis on accurately reconstructing its shape using two methods based on propagative Lamb modes induced by laser. Our results demonstrate strong agreement between the calculated profiles and the reference

Characterization of Guided Wave Propagation in Woven Composites of Varying Geometry

International audienceUltrasonic guided waves are particularly promising for the Structural Health Monitoring (SHM) in aerospace and other fields. However, setting up an SHM strategy requires a good understanding of the underlying physics to enable defect detection. A careful study of the elastic wave propagation characteristics is required prior to structure instrumentation in order to design a proper sensors network and plan a defect detection strategy, Essential choices include guided wave mode selection and the working frequency. Indeed, driven by the working frequency, the wavelength determines the minimum defect size that can be detected, while attenuation constrains the sensors positioning for complete area coverage. In complex structures, due to their either geometry or material, experimental measurements are necessary to determine these values, which vary with frequency are anisotropic and may depend on the local position in the sample. Propagation characteristics can be inferred through adequate post-processing of wavefields, i.e. C-scans recording the propagation of guided waves over an area of interest on the structure and over a frequency range.In this work, the wavefields are measured using a fixed 1D-laser vibrometer coupled to a pair of mirrors for 2D monitoring, while the waves are generated using a piezoelectric disc attached to the surface. The excitation signal is a chirp with large frequency bandwidth, and a convolution allows reconstructing the sample’s response to any desired input signal within this bandwidth, allowing a faster scanning process. This work presents wavefields analysis on 2 woven composite structures: 1) rectangular woven plane samples with constant thickness to characterize the material and 2) woven panels with curvature and varying thickness. Experimental wavefields allow distinguishing the fundamental modes and the computation of dispersion curves. Attenuation curves are calculated by fitting an exponential model to the signals amplitude in every directions. Several measurements are done on supposed identical samples to account for reproducibility. The presented method in two dimensions also inform on anisotropy and homogeneity of the material. Finally, a local wavenumber approach allow for the determination of the wavelength as a function of the local coordinate on the complex sample

Simulation de la propagation d'ondes guidées dans des conducteurs aériens

International audienceCette étude concerne la génération et la propagation d'ondes guidées dans le cœur en acier du câble aluminium-acier CROCUS 228 qui fait partie des câbles utilisés dans les réseaux de conducteurs aériens déployés par RTE pour le transport de l'énergie électrique. Le contrôle non destructif par ondes guidées n'est pas une technique opérationnelle pour le contrôle des câbles électriques aériens. Son emploi serait néanmoins intéressant pour compléter la panoplie de contrôles utilisables par un gestionnaire de réseaux en apportant notamment une plus-value pour le contrôle de portions de câbles non survolables.Le câble est composé d'un cœur en acier qui assure la tenue mécanique de l'ensemble, enrobé par une couronne bi-hélicoïdale en aluminium dont la fonction principale est de conduire l'énergie, mais qui n'est pas prise en compte dans le travail présenté. Le cœur en acier est composé d'un brin droit central entouré par six brins périphériques torsadés (ou brins hélicoïdaux) dont les sections sont toutes identiques. Compte tenu de la géométrie de la structure, des contacts entre les différents brins existent que ce soit entre le brin central et les brins périphériques ou encore entre deux brins périphériques adjacents. Ces contacts peuvent être de nature linéique ou surfacique en fonction du niveau de chargement de la structure.L'existence de modes guidés a été démontrée dans (Treyssède & Laguerre, 2010) sur une géométrie du même type sans contact entre brins périphériques adjacents. Ceci nécessite de choisir un paramétrage en géométrie dite « twistée » afin de garantir l'hypothèse d'invariance par translation sur laquelle repose l'existence des modes guidés. L'étude présentée s'appuie sur la modélisation proposée dans la littérature avec prise en compte de contacts entre les brins périphériques adjacents.La première partie de cette étude est dédiée au calcul des modes guidés par la méthode SAFE (Semi Analytical Finite Element) adaptée en géométrie twistée. Dans cette modélisation des contacts ponctuels dans la section (linéique dans la géométrie 3D) ont été considérés entre le brin central et les brins périphériques. Par ailleurs, nous avons illustré l'effet de différentes conditions de contact (libre, ponctuel et écrasé) entre brins périphériques adjacents, ce qui a permis de montrer sur les courbes de dispersion comment le mode fondamental (non dispersif) T01 était affecté. La seconde partie est consacrée au calcul de champ ultrasonore généré par une ou plusieurs sources localisées sur la surface latérale des brins périphériques. Les courbes de dispersion associées aux excitabilités modales ont été obtenues pour les différentes conditions de contact et les différentes sources (position, étendue spatiale, sollicitation). Finalement, nous avons synthétisé les formes d'ondes temporelles pour des signaux d'excitation dans différentes gammes de fréquences

Implementation of non destructive testing and in-line monitoring techniques on extra-large structures printed with WAAM technology.

International audienceGrade2XL is a European project funded by the H2020 program that gathers 21 academic and industrial partners. Started in March 2020 for 4 years, the principal objective is to print extra-large structures using the WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) method with a complete control of the fabrication process. Since WAAM is a relatively new technology for printing large specimens, it is important to develop quality assurance methods that can be used during the fabrication and once the structure has been built, which is the focus of CEA List in the project. Regarding methods applied built structures, CEA List has investigated Resonant Ultrasound Spectroscopy (RUS) for the material characterization and more specifically the evaluation of the elastic constants or more conventional ones for the inspection with phased-array ultrasonic techniques (PAUT) or eddy current (EC) for the detection of indications are implemented and optimised them for the inspection of the final structures. Concerning the development of in-line monitoring methods, CEA List has been working on laser Doppler vibrometry (LDV) and X-ray fluorescence (XRF) spectrometry, in order to get structural information during the printing but also detect the appearance of abnormal events and correlate them to the appearance of defects generated during the WAAM process.This proceeding presents the advantages of those methods for the inspection of extra-large structures made by WAAM and discusses the first results obtained in the framework of the project

Caractérisation d’un composite tissé de section variable par analyse du nombre d’onde locale d’ondes guidées

On présente une méthode pour caractériser les propriétés élastiques et imager les défauts dans un composite aéronautique tissé de section variable par analyse du nombre d’onde local d’ondes de Lamb et notamment l’estimation des longueurs d'ondes associées. Ce guide d’onde inhomogène est invariant dans le sens axial et présente une légère courbure dans le sens radial. Les ultrasons sont excités à l’aide d’une pastille piézo-électrique et le déplacement normal est mesuré par le vibromètre Doppler à balayage laser (SLDV) développé au laboratoire. Les déplacements mesurés en balayant différents points de la plaque sont ensuite traités dans le domaine de Fourier pour caractériser l’anisotropie élastique par analyse des courbes de dispersion 3D obtenues (kx, ky, f). Pour déterminer les variations d’épaisseur et imager les défauts, on applique un filtrage spatial et la méthode de la phase instantanée. L’atténuation viscoélastique en fonction de la fréquence pour différentes directions de propagation a également été quantifiée. Ensuite, on montre qu’il est possible de réaliser ces mesures et obtenir des résultats similaires bien plus rapidement : en utilisant une excitation non plus transitoire mais quasi-monochromatique. En appliquant un signal pseudopériodique modulé en fréquence sur le transducteur, l’acquisition se déclenchant toute les N périodes de la plus petite fréquence excitée, on réalise alors l’acquisition rapide du C-scan tout en conservant un bon rapport signal à bruit. Enfin, on montre qu’il est possible d’imager le champs d’onde ultrasonore et de réaliser la mesure des courbes de dispersion dans le plan (kx, ky) en effectuant un balayage laser non plus point à point dans l’espace planaire mais circulaire. Ainsi, la santé structurelle est déterminée en exploitant les informations spatiales pertinentes de la propagation des ultrasons et des modes qui se propagent suivant les directions privilégiées du matériau anisotrope