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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18041 (2022) Citer cet article

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Nous avons utilisé la vibrométrie holographique numérique (DHV) comme méthode non destructive pour détecter les zones de décollement dans les stratifiés en aluminium et polymère (polylactide, fluorure de polyvinylidène ou polycarbonate). Aux basses fréquences (jusqu'à 30 kHz) \(A_0\) les ondes de Lamb ont été excitées et l'amplitude et les modèles de phase de la vibration de l'échantillon ont été enregistrés simultanément pour les côtés métal et polymère du stratifié. Sur la base de ces modèles, les zones de décollement dans les stratifiés ont été localisées. Les propriétés de transmission aux basses fréquences ont également été étudiées en termes de : la gamme de fréquence pour laquelle des ondes de Lamb régulières ont été observées, les amplitudes des ondes de Lamb et la vitesse de propagation des ondes de Lamb en fonction de la fréquence. Nous avons montré que ces propriétés changent également lorsqu'un défaut survient dans le stratifié. Même lorsque nous ne pouvions pas localiser le défaut, il était toujours possible de détecter si un échantillon était endommagé en se basant sur le comportement des ondes de Lamb.

L'utilisation de stratifiés polymère-métal au cours des dernières années a gagné en popularité. Cela est dû au fait qu'ils sont plus légers et ont de meilleures propriétés physiques telles que le module d'élasticité, la résistance à la traction et à la flexion, la ténacité, etc. par rapport aux composants en métal pur ou en polymère1. Ils peuvent en outre être facilement adaptés à des applications et besoins spécifiques.

Ces stratifiés sont utilisés dans diverses industries, notamment l'aviation, l'automobile, l'équipement médical, les appareils électroménagers et autres. De plus en plus d'entreprises de l'industrie automobile tentent actuellement de réduire le poids des véhicules afin d'améliorer leurs paramètres de fonctionnement et de réduire les coûts de production. La même tendance peut être observée dans l'aviation et l'industrie de la construction navale. Le métal et le polymère, lorsqu'ils sont créés correctement, peuvent former un élément qui peut être facilement monté dans des structures mécaniques.

Le choix des matériaux pour les deux partenaires du stratifié doit être basé sur des propriétés telles que des différences limitées de dilatation thermique, le respect des conditions environnementales, la conductivité électrique et thermique, la capacité d'amortir les vibrations structurelles et autres.

L'assemblage des deux matériaux est aujourd'hui réalisé directement pendant le traitement sans aucune étape supplémentaire, en utilisant des procédures courantes telles que le moulage par injection avec des inserts métalliques2,3,4,5,6,7. De telles méthodes d'assemblage sont particulièrement attrayantes en raison de la possibilité d'un recyclage facile et complet des composants polymères et métalliques. Des cycles de production courts des joints métal-polymère peuvent cependant conduire à des défauts de connexion.

Malgré la familiarité croissante avec les méthodes de production des stratifiés polymère-métal, la susceptibilité à la formation de défauts cachés ou à peine visibles reste une préoccupation majeure. De tels défauts peuvent apparaître à la fois, lors de la production et de l'exploitation d'un élément donné et peuvent rester cachés par des contrôles standards1. Les défaillances de ce type peuvent augmenter progressivement au cours de l'exploitation si elles ne sont pas détectées et, à terme, avoir des conséquences catastrophiques pour l'ensemble de la structure1.

Alors que les défauts de surface de ces matériaux peuvent être assez facilement localisés, les défauts internes (cachés), dont la présence peut avoir un impact significatif sur la résistance du produit final, sont difficiles à détecter. Même si elle est détectée, sa localisation est également nécessaire afin de retirer ou de remplacer uniquement le panneau ou une partie de la structure défectueux.

Les essais non destructifs (END) sont un outil utile pour vérifier les composants individuels pour d'éventuels défauts cachés. De nos jours, plusieurs techniques CND sont utilisées, telles que les tests par ultrasons8,9,10 (y compris la vibrométrie ultrasonique11), la radiographie12,13,14, la vibrométrie Doppler laser à balayage15,16 et la cisaillement, entre autres17,18. Des méthodes de test non destructif standard et bien connues utilisant des ondes de Lamb sont utilisées pour les objets volumineux et les fréquences d'excitation élevées, jusqu'à 6 MHz1,19,20. Dans nos travaux précédents, en utilisant la vibrométrie holographique21,22, nous avons pu étudier les défauts cachés dans les stratifiés acier-polyamide assemblés avec une fine couche d'adhésif époxy et les stratifiés aluminium-polyamide assemblés uniquement par adhésif (sans aucune colle). Nous avons comparé les modèles d'amplitude et de phase sur un échantillon excité par des vibrations avec des fréquences comprises entre 200 et 30 kHz. Dans les deux cas, une zone de décollement a pu être détectée et localisée en mesurant les différences dans les modèles de vibration des deux côtés de l'échantillon.

Dans cette étude, nous avons étendu notre méthode et entrepris l'observation d'ondes de Lamb antisymétriques \(A_0\) à différentes fréquences de vibration d'échantillons de stratifiés d'aluminium avec trois polymères différents et avons utilisé leur comportement pour étudier la présence de défauts cachés1,23. La propagation des ondes de Lamb dans un milieu isotrope est bien définie pour les hautes fréquences (100 kHz et plus). Ce n'est pas le cas pour les stratifiés et pour une gamme de fréquence relativement basse (jusqu'à 30 kHz dans notre cas). Nous voulions nous concentrer dans notre étude sur l'effet du défaut sur les stratifiés dans la gamme des basses fréquences (y compris la gamme audio) pour les vibrations qui se produisent dans la vie quotidienne, par exemple dans les appareils couramment utilisés tels que les appareils électroménagers comme les machines à laver24 ou les répulsifs pour animaux à ultrasons25 et aussi dans les lieux publics comme les gares ou même les bibliothèques (en raison, entre autres, de l'alarme vocale et des transports25,26,27,28).

Nous avons utilisé la vibrométrie holographique numérique (DHV) pour déterminer la propagation des ondes de Lamb simultanément sur les côtés métal et polymère du stratifié. L'observation des deux côtés est très utile, en particulier pour les stratifiés. De cette façon, la qualité de la connexion des stratifiés constitués de mélanges d'aluminium et de polymères a été évaluée. Notre méthode nous permet de tester des échantillons avec des dimensions adaptées à d'autres tests de résistance. Ceci est utile pour les tests de composants de routine en laboratoire, ainsi que dans un environnement de production industrielle.

Dans le cas de matériaux d'assemblage avec une grande disparité dans les coefficients de dilatation thermique, comme l'aluminium et les polymères (voir tableau 1). Yamada et al. ont observé que le module d'Young diminuait lors de l'apparition du décollement29.

Nous avons fabriqué trois ensembles de stratifiés polymère-métal, reliés uniquement par adhésif lors du moulage par compression. Chaque ensemble contenait des échantillons avec et sans défauts. Les défauts variaient en taille : 10 à 15 mm de large sur toute la largeur de l'échantillon (voir Fig. 1).

Chaque set contient des spécimens avec différents polymères :

Polylactide (PLA, Ingeo Biopolymer 6400D) - un biopolymère écologique, biodégradable et biocompatible utilisé pour l'emballage de produits à courte durée de conservation et un matériau prometteur pour les applications biomédicales30.

Fluorure de polyvinylidène (PVDF, Arkema Kynar Flex 3312 C) - excellentes propriétés piézoélectriques, résistance mécanique et stabilité thermique, bonne aptitude au traitement et résistance chimique, applicable, par exemple, dans les capteurs et les actionneurs, les dispositifs à vanne de rotation, les matériaux magnétoélectriques, les applications de récupération d'énergie et tissus31.

Polycarbonate (PC, Lotte Advanced Materials Infinio SC-1229UR)—caractérisé par une bonne aptitude au traitement, une résistance élevée aux chocs et la sécurité, utilisé par exemple dans les verres de sport et les lunettes de sécurité32.

Sideview d'un échantillon avec un défaut indiqué ; les tailles sont en mm.

Pour tous les stratifiés, une feuille d'aluminium PA11 de 1 mm d'épaisseur (AW-5754) avec les dimensions d'une seule tôle 100 \(\times\) 10 mm\(^2\) (longueur \(\times\) largeur) a été utilisée , une taille d'échantillon standard pour tester les stratifiés.

Avant le processus de connexion, les granulés de polylactide et de polycarbonate ont été séchés à 80 \(\,^{\circ }\text {C}\) pendant 24 h, à l'aide d'un sèche-linge.

Les tôles ont été placées dans le panier d'un nettoyeur à ultrasons, immergées dans de l'acétone pendant une durée de cycle de 15 min, puis rincées à l'eau distillée et nettoyées à l'alcool éthylénique avant la procédure d'assemblage pour éliminer la contamination de surface.

Les stratifiés métal-polymère ont été produits par moulage par compression à l'aide d'une presse hydraulique. Nous avons utilisé un moule rectangulaire avec des dimensions de cavité de 100 \(\times\) 100 mm\(^2\) et 4 mm de hauteur pour préparer les échantillons.

Des plaques d'aluminium ont été placées dans la cavité à 10 mm de distance les unes des autres. Des bandes de PTFE ont été placées directement sur la plaque métallique pour mettre en œuvre des défauts de liaison métal-polymère dans les échantillons. L'espace restant a été rempli de granulés de polymère. Les inserts métal et polymère ont été maintenus dans le moule fermé pendant 10 min à température de :

200 \(\,^{\circ }\text {C}\) pour PLA,

230 \(\,^{\circ }\text {C}\) pour le PVDF,

280 \(\,^{\circ }\text {C}\) pour PC.

Ensuite, une pression d'environ 15 MPa a été appliquée pendant 15 min, suivie d'un refroidissement du stratifié dans le moule sous pression jusqu'à solidification complète. Les bandes de PTFE ont été retirées lors du post-traitement.

Tous les échantillons ont été mesurés avec un vibromètre holographique numérique Optonor Vibromap 100033 pour examiner la vitesse de phase des ondes de Lamb. Cette configuration peut enregistrer les vibrations d'un motif de 640 \(\times\) 480 points simultanément.

Le montage que nous avons conçu nous a permis d'observer simultanément une zone d'environ 10 \(\times\) 60 mm\(^2\) de la surface supérieure et inférieure de l'échantillon au cours d'une seule mesure21 (voir Fig. 2). Le vibromètre holographique numérique est essentiellement un interféromètre de Michelson configuré avec un laser Nd:YAG avec une longueur d'onde de 532 nm comme source lumineuse. Le bras de référence est une fibre optique enfermée dans le Vibromap et le bras de mesure utilise l'échantillon comme réflecteur. La moyenne de plusieurs hologrammes est stockée dans un fichier .mat, contenant l'amplitude et la phase de l'hologramme. Une description détaillée de la configuration est donnée dans la Réf.21.

Montage expérimental avec le porte-échantillon et le transducteur piézo : 1 : échantillon, 2 : transducteur piézo, 3 : porte-échantillons, 4 : Vibromap, A : le miroir réfléchissant la lumière de la surface supérieure de l'échantillon, B : le miroir réfléchissant la lumière de la surface inférieure de l'échantillon réfléchie dans le miroir21.

Vue de dessous d'un échantillon avec position des deux types de transducteurs piézo utilisés : 1 : échantillon, 2 : transducteur piézo ; gauche : KingState KPE-827, droite : PI P-010.00P ; les tailles sont en mm.

Un transducteur piézo (PZT) a été placé sur le côté polymère du stratifié en contact direct avec la surface de l'échantillon et serré avec l'échantillon - le stratifié a été serré aux deux extrémités. Nous avons utilisé deux types de PZT (voir Fig. 3) : un PI P-010.00P (avec une fréquence de résonance de 129 kHz) et un simple transducteur audio piézo KingState KPE-827 fonctionnant dans une plage de fréquences de 200 Hz à 60 kHz ( voir figure 3). Nous avons comparé les données obtenues pour les deux types de transducteurs, et les résultats que nous avons obtenus étaient cohérents. Les échantillons ont été continuellement excités pendant la mesure, à une vibration harmonique d'une amplitude de quelques à 50 nanomètres. La fréquence a été variée de 1 à 30 kHz par pas de 100 Hz. Cela nous a permis d'observer des ondes de Lamb \(A_0\) antisymétriques, ce type d'onde est dominant en dessous de 100 kHz34. Avec le logiciel open source Dispersion Calculator 2.0 fourni par le DLR (Centre aérospatial allemand) pour le calcul des courbes de dispersion, nous avons obtenu pour l'aluminium et le polycarbonate des résultats similaires à nos expériences35.

Un logiciel spécial, écrit par nous dans le langage de programmation R36, a été utilisé pour comparer les oscillations des deux côtés de l'échantillon. Le logiciel extrait les matrices d'amplitude et de phase des données brutes produites par le logiciel Vibromap (version VibroMap_B4_nov15) du vibromètre et visualise ces données de différentes manières (voir Figs. 9, 10). Il peut également filtrer les données pour réduire le bruit, découper les parties pertinentes de l'image et aligner les images des parties opposées des échantillons. De plus, le signe de l'amplitude du côté inférieur est inversé. Ainsi, une amplitude positive indique un mouvement ascendant des deux côtés. La vibromap définit une amplitude positive en direction du détecteur, dans notre configuration loin du plan central de l'échantillon. Les données fournies par DHV nous donnent l'amplitude d'un réseau de points vibrants à la surface d'un échantillon ainsi que la phase d'oscillation de chaque point à un certain instant (arbitraire) de la période de vibration. Grâce à ces informations, nous pouvons reconstituer le comportement des ondes de Lamb en surface.

Nous avons testé, en utilisant du DHV, des échantillons d'aluminium et de polymère uniquement et trois ensembles de stratifiés (voir la section "Matériaux"). Au total, 30 échantillons ont été testés et chaque échantillon a été testé plusieurs fois, selon l'échantillon, mais au moins trois fois. Nous avons étudié le comportement des échantillons vibrants aux basses fréquences (jusqu'à 30 kHz) en termes de :

la gamme de fréquence pour laquelle des ondes de Lamb régulières ont pu être observées,

les amplitudes des ondes de Lamb,

la vitesse de propagation de l'onde de Lamb en fonction de la fréquence.

Nous avons également utilisé des diagrammes d'amplitude et de phase pour localiser les défauts de liaison dans les stratifiés.

Toute la gamme de fréquences entre 200 Hz et 30 kHz a été balayée pour tous les types d'échantillons (y compris une plaque d'aluminium de 1 mm d'épaisseur uniquement et un échantillon de polymère de 3 mm d'épaisseur uniquement). La largeur et la longueur de ces échantillons étaient les mêmes que dans les échantillons de stratifié. La gamme de fréquences d'observation des ondes de Lamb (LFOR, voir Fig. 4) est la gamme de fréquences pour laquelle les ondes de Lamb étaient clairement visibles (voir Fig. 9 et 10). Les échantillons présentant un défaut spécialement conçu ont été codés avec un D dans l'étiquette ( voir la première colonne de la figure 4 et des figures 6, 7, 8).

Fréquences pour lesquelles des ondes de Lamb ont pu être observées pour des échantillons d'aluminium et de polymère uniquement et des stratifiés sans et avec défaut.

Aluminium seulement resp. seuls les polymères ont été testés avant les tests de stratifié. Pour une plaque d'aluminium pur, nous avons pu observer des ondes de Lamb sur toute la gamme allant d'environ 5 kHz à 30 kHz. Les échantillons de polymère uniquement avaient un LFOR différent selon le matériau, ne couvrant qu'environ 20 kHz : 10 à 28 kHz pour le PLA, 3 à 22 kHz pour le PVDF et 5 à 25 kHz pour le PC (voir Fig. 4).

Pour le PVDF, la transmission d'ondes régulières n'a eu lieu que pour des fréquences proches de 5 kHz, 15 kHz ou 20 kHz. Pour les échantillons de PLA et de PC, les écarts dans le LFOR étaient beaucoup plus petits.

Dans le cas des stratifiés polymère-aluminium, nous avons remarqué que la connexion du polymère pur avec l'aluminium conduisait à un élargissement du LFOR. Les écarts dans les LFOR étaient également plus petits. Ces effets étaient bien visibles pour les stratifiés PVDF_Al et PC_Al. Nous avons observé que ces échantillons transfèrent des fréquences plus élevées que ceux en PVDF pur ou en PC. Pour les stratifiés PLA_Al cependant, le LFOR n'a guère changé par rapport au LFOR des échantillons de PLA pur, mais a commencé à partir de fréquences plus élevées (environ 10 kHz). La présence de défauts dans les stratifiés a diminué le LFOR par rapport à ceux des stratifiés entièrement collés. Il y avait une légère tendance des LFOR à revenir aux gammes observées pour les polymères purs.

Sur la base de l'amplitude des ondes de Lamb, nous avons trouvé les propriétés de transmission suivantes des échantillons purs et des stratifiés. Le transducteur piézo a été placé du côté du polymère comme mentionné dans la section "Méthodes" et l'excitation était toujours la même. Comme prévu, la meilleure transmission des vibrations a été démontrée par des échantillons en aluminium uniquement, avec l'amplitude de vibration la plus élevée d'env. 20 nm. Pour les échantillons de polymère uniquement, les amplitudes de vibration étaient respectivement de 12 nm pour le PLA, 5 nm pour le PVDF et 15 nm pour le PC.

Les amplitudes des ondes de Lamb pour les stratifiés étaient différentes des deux côtés de l'échantillon, en particulier pour les stratifiés PLA_Al et PVDF_Al. Les vibrations des parties polymères PLA et PVDF semi-cristallines des stratifiés étaient resp. environ 10 à 20% et 40 à 50% plus faible que pour la partie métallique de l'échantillon. L'apparition d'un défaut dans le stratifié a augmenté la disproportion entre les vibrations du métal et du polymère, allant même jusqu'à 60-70 % pour le PVDF_Al_D et jusqu'à 25 % pour le PLA_Al_D. Ce n'est que dans le cas des stratifiés PC_Al que les amplitudes de vibration de la partie en polymère amorphe étaient presque égales à celles de la partie en aluminium (max. 5 à 10 % différentes), même pour les stratifiés présentant un défaut (PC_Al_D). Pour tous les types de stratifiés présentant un défaut, il y avait cependant un déphasage entre les vibrations du métal et de la partie polymère.

Nous avons également enregistré les courbes de vitesse en fonction de la fréquence de la vitesse de phase de l'onde de Lamb (voir les figures 5, 6, 7, 8) pour vérifier comment un défaut de stratifié affecte ces courbes. La vitesse du mode antisymétrique \(A_0\) a été déterminée à l'aide des tracés d'amplitude 2D de la partie visible de l'échantillon (environ 54 mm) (voir Fig. 9). À partir de la figure 9b, l'amplitude moyennée sur toute la largeur de l'échantillon, nous pourrions mesurer la longueur d'onde de Lamb et parce que nous connaissons la fréquence d'excitation, nous pouvons calculer la vitesse.

Nous avons utilisé une plage d'amplitude fixe dans notre visualisation des Fig. 9 et 10 pour comparer facilement les images pour différentes fréquences. Dans certains cas, cela a rendu les motifs d'amplitude moins visibles en raison de la faible valeur de l'amplitude. Nous aurions pu utiliser des plages d'amplitude variables, mais aussi lorsque l'amplitude était petite par rapport à la plage d'amplitude, le modèle de phase indiquait que nous pouvions utiliser les données d'amplitude (voir Fig. 9). L'utilisation d'une plage d'amplitude fixe a facilité la comparaison de différentes mesures.

Bien qu'il ne soit pas toujours possible de calculer la vitesse de l'onde de Lamb pour les fréquences auxquelles le défaut est visible (voir Fig. 10), nous avons pu observer qu'il existe toujours une différence entre la vitesse de l'onde de Lamb pour les échantillons avec et sans défaut dans toute la large gamme de fréquences (voir Figs. 6, 7, 8).

La figure 5 montre les courbes de vitesse en fonction de la fréquence pour des échantillons de polymère pur (3 mm d'épaisseur). De plus, une courbe est fournie pour un échantillon d'aluminium pur (1 mm d'épaisseur). Comme on peut le voir sur la Fig. 5, les vitesses d'onde sont dans la gamme de fréquences jusqu'à 30 kHz inférieures dans les échantillons avec semi-cristallin, PLA et PVDF, que dans l'amorphe, PC, échantillon et dans le métal, qui sont plus proches les uns des autres.

Comparaison des vitesses de phase d'onde de Lamb pour des échantillons de polymère pur et d'aluminium.

Dans les Fig. 6, 7 et 8 les résultats pour les stratifiés métal-polymère sans et avec défaut de collage sont présentés.

Un changement dans le comportement des ondes de Lamb a été observé en raison du couplage des ondes se propageant dans les pièces métalliques et polymères permis par la connexion d'adhérence entre elles. Pour les échantillons sans défaut, les ondes de Lamb sont fortement couplées, contrairement aux ondes de Lamb dans les échantillons avec défaut.

Pour les stratifiés aluminium-polymère sans défauts de liaison, nous avons observé que la vitesse des ondes de Lamb est principalement déterminée par la partie métallique de l'échantillon et peu dépendante du type de polymère utilisé.

Pour les stratifiés avec un défaut spécialement fabriqué, les vitesses d'onde de Lamb dans le métal et le polymère commencent dans le cas des stratifiés PLA_Al_D et PVDF_Al_D à différer significativement l'une de l'autre (voir Figs. 6, 7). Les plus grandes différences entre les vitesses dans la couche de métal et de polymère sont observées pour PVDF_Al_D. Ceci est cohérent avec les résultats que nous avons obtenus à partir de la comparaison des amplitudes de vibration.

Vitesses de phase des ondes de Lamb pour les stratifiés PLA_Al sans et avec défaut :_D_ ; erreurs de mesure : \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Les vitesses des ondes de Lamb sont marquées : en noir (v_m) pour la partie métallique, en rouge (v_p) pour la partie polymère, \(\triangle\) pour les stratifiés sans et \(\losange\) pour les stratifiés avec un défaut.

Vitesses de phase de l'onde de Lamb pour les stratifiés PVDF_Al sans et avec défaut :_D_ ; erreurs de mesure : \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Les vitesses des ondes de Lamb sont marquées : en noir (v_m) pour la partie métallique, en vert (v_p) pour la partie polymère, \(\triangle\) pour les stratifiés sans et \(\losange\) pour les stratifiés avec un défaut.

Vitesses de phase des ondes de Lamb pour les stratifiés PC_Al sans et avec défaut :_D_ ; erreurs de mesure : \(\Delta\)f = 1 Hz, \(\Delta\)v = 10 m/s. Les vitesses des ondes de Lamb sont marquées : en noir (v_m) pour la partie métallique, en bleu (v_p) pour la partie polymère, \(\triangle\) pour les stratifiés sans et \(\losange\) pour les stratifiés avec un défaut.

Dans le cas des stratifiés PC_Al_D, nous n'avons pas pu observer de différences dans la vitesse de phase de l'onde de Lamb pour les parties polymères et métalliques. Les différences de comportement des stratifiés sans et avec défaut étaient cependant clairement visibles (voir Fig. 8). Les vitesses de phase d'onde de Lamb pour une fréquence donnée étaient plus élevées dans le cas d'un stratifié avec un défaut par rapport à un sans défaut. Nous avons observé pour tous les stratifiés présentant un défaut que la vitesse de l'onde de Lamb dans la partie polymère devenait similaire à la vitesse dans le polymère pur (voir Fig. 5).

D'un point de vue pratique, les mesures de vitesse dans les deux parties d'un échantillon de stratifié métal-polymère à des fréquences proches de 20 kHz peuvent être un guide suffisant pour la détection de défauts de 10 à 15 mm de large.

Afin de détecter et de localiser un défaut, les schémas d'amplitude et de phase des vibrations du stratifié ont été étudiés. Pour les échantillons sans défaut, les vibrations des parties métalliques et polymères de l'échantillon sont conformes, les deux côtés de l'échantillon se déplacent ensemble et dans le même sens. Une onde de Lamb antisymétrique A\(_0\)19,20,23 peut être observée (un exemple est montré sur la Fig. 9b). L'onde de Lamb peut être représentée en amplitude ainsi qu'en modèle de phase.

(a) Modèle d'amplitude et de phase d'un échantillon de stratifié PLA_Al sans défaut. (b) Les données d'amplitude de (a), moyennées le long de la direction y ; bleu—aluminium, rouge—polymère. Les barres de couleur indiquent l'amplitude en nm, la phase en rad. La taille de la partie visible de l'échantillon est de 54 \(\times\) 9,5 mm\(^2\). Le défaut se situe autour de 28 mm.

Nous avons pu détecter et localiser les défauts pour tous les stratifiés mesurés par DHV. Pour les stratifiés présentant un défaut, l'onde de Lamb perd sa régularité ; dans certains cas, des vibrations de torsion dans la zone du défaut ont pu être observées (voir Fig. 10). L'apparition d'un défaut peut en outre augmenter les différences d'amplitude entre les vibrations du métal et du polymère.

( a ) Modèle d'amplitude et de phase d'un échantillon de stratifié PLA_Al avec un défaut de liaison. (b) Les données d'amplitude de (a), moyennées le long de la direction y ; bleu—aluminium, rouge—polymère. Les barres de couleur indiquent l'amplitude en nm, la phase en rad. La taille de la partie visible de l'échantillon est de 54 \(\times\) 9,5 mm\(^2\).

Le LFOR pour lequel nous avons pu observer des défauts dans les stratifiés varie plus en fonction de la taille du défaut que du matériau polymère utilisé. En général, plus le défaut est petit, plus la fréquence d'excitation doit être élevée pour permettre l'observation : des défauts d'environ 15 mm pourraient être observés autour de 13-16 kHz et des plus petits (environ 10 mm de large) pourraient être détectés autour de 19-22 kHz. .

Nous avons utilisé deux polymères semi-cristallins (PLA et PVDF) et un polymère amorphe (PC) comme composants des stratifiés.

Les diagrammes d'amplitude et de phase ont permis de localiser un défaut. Le LFOR pour lequel un défaut de stratifié pourrait être observé dépend de la taille du défaut plutôt que du matériau polymère utilisé.

Pour tous les stratifiés aluminium-polymère sans défaut, la propagation de l'onde de Lamb dans le polymère suit celle observée dans le métal. Cela indique une bonne liaison des deux couches et montre que tous les polymères testés peuvent être utilisés avec succès pour produire un stratifié stable. Parce que nous observons simultanément le côté métal et le côté polymère de l'échantillon, notre configuration nécessite l'accès aux deux côtés.

La présence d'un défaut de collage se manifeste de plusieurs façons. Dans tous les cas, le défaut limite la LFOR. Cela modifie également de manière significative les courbes anti-symétriques \(A_0\) de la vitesse de l'onde de Lamb en fonction de la fréquence. Les écarts dans les courbes pour le métal et les polymères semi-cristallins deviennent visibles à des fréquences supérieures à 10 kHz. A une fréquence de 15 kHz, la vitesse de l'onde de Lamb dans la partie polymère du stratifié PVDF_Al_D avec un défaut était même d'environ 40 % inférieure à celle de la couche d'aluminium.

La présence d'un défaut dans un stratifié augmente la différence entre les amplitudes de vibration du métal et du polymère dans le cas des polymères semi-cristallins. Surtout pour le PVDF, qui présente la plus faible transmission de vibrations parmi les matériaux testés, cette différence peut passer de 40 à 50 % (pour PVDF_Al) à 60 à 70 % pour PVDF_Al_D. Cependant, pour le PC_Al amorphe, aucune grande différence n'a été observée dans les amplitudes de vibration, même pour les stratifiés présentant un défaut. Par conséquent, le critère d'amplitude peut ne pas être efficace dans le cas de stratifiés avec des polymères avec une bonne transmission des vibrations dans la gamme de test des basses fréquences.

Il convient de souligner que la méthode CND présentée ne nécessite qu'un temps limité pour tester la qualité de la liaison entre les deux matériaux d'un stratifié. L'utilisation du DHV pour détecter les ondes de Lamb est une extension utile des tests de stratifié standard qui peuvent également être effectués sur une chaîne de production.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Pant, S., Laliberte, J. & Martinez, M. Surveillance de la santé structurelle (SHM) des structures aérospatiales composites à l'aide des ondes de Lamb. In Paper Presented at the Conference: ICCM19—The 19th International Conference on Composite Materials at: Montreal Canada, July 2013 (2013)

Ramani, K. & Moriarty, B. Liaison thermoplastique aux métaux par moulage par injection pour la fabrication de macro-composites. PES 38, 10253. https://doi.org/10.1002/pen.10253 (1998).

Article Google Scholar

Fabrin, PA, Hoikkanen, ME & Vuorinen, JE Adhérence d'élastomère thermoplastique sur de l'aluminium traité en surface par moulage par injection. PSE 47, 20801. https://doi.org/10.1002/pen.20801 (2007).

Article CAS Google Scholar

Honkanen, M., Hoikkanen, ME, Vippola, M., Vuorinen, J. & Lepistăś, T. Adhérence métal-plastique dans les hybrides moulés par injection. J. Adhes. Sci. Technol. 23, 1747. https://doi.org/10.1163/016942409X12489445844435 (2009).

Article CAS Google Scholar

Drummera, D., Schmachtenberg, E., Hülder, G. & Meister, S. MK2-Un nouveau procédé de moulage par injection d'assemblage pour la combinaison de surfaces métalliques fonctionnelles avec des structures polymères. J. Mater. Processus. Technol. 210, 020. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.06.020 (2010).

Article CAS Google Scholar

Kimura, F., Kadoya, S. et Kajihara, Y. Effets des conditions de moulage sur l'assemblage direct moulé par injection à l'aide d'un métal à surface nanostructurée. Précis. Ing. 45, 203. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.02.013 (2016).

Article Google Scholar

Bula, K., Szymańska, J., Sterzyński, T., Piasecki, A. & Wróblewski, R. Visualisation de la disposition des particules pendant l'étape de remplissage du polyamide 6—Moulage par injection d'inserts métalliques. PSE 59, 25047. https://doi.org/10.1002/pen.25047 (2019).

Article CAS Google Scholar

Solodov, I., Rahammer, M., Gulnizkij, N. & Kreutzbruck, M. Imagerie de défauts soniques NDE sans contact via la résonance locale des défauts. JNT 35, 6. https://doi.org/10.1007/s10921-016-0364-6 (2016).

Article Google Scholar

Baoping, J., Qingdong, Z., Liyuan, Z., Jianshu, C. & Boyang, Z. Détection sans contact du délaminage dans une plaque laminée Cu/Al avec ultrasons laser. Dans la série de conférences IOP : Science et génie des matériaux. https://doi.org/10.1088/1757-899X/926/1/012003 (2020).

Martarelli, M., Chiariotti, P., Pezzola, M. & Castellini, P. Détection de délaminage dans les composites par ultrasons laser. AIP Conf. Proc. 1600, 405. https://doi.org/10.1063/1.4879609 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Derusova, DA, Vavilov, VP, Sfarra, S., Sarasini, F. & Druzhinin, NV Application de la vibrométrie par résonance ultrasonique pour l'évaluation des dommages d'impact dans les composites renforcés de fibres naturelles/synthétiques. Polym. Test. 68, 70. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.03.053 (2018).

Article CAS Google Scholar

Garcea, SC, Wang, Y. & Withers, PJ Tomodensitométrie à rayons X de composites polymères. CST 156(1), 305. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.10.023 (2018).

Article CAS Google Scholar

Schilling, PJ, Karedla, BR, Tatiparthi, AK, Verges, MA & Herrington, PD Microtomographie informatisée par rayons X des dommages internes dans les composites à matrice polymère renforcée de fibres. CST 65, 2071. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.05.014 (2005).

Article CAS Google Scholar

Hsieh, J. Computed Tomography: Principes et conception et artefacts et progrès récents 2e éd. (SPIE Press, 2009).

Google Scholar

Aryan, P., Kotousov, A., Ng, CT & Cazzolato, BS Une méthode sans ligne de base et sans contact pour la détection et l'imagerie des dommages structurels à l'aide de la vibrométrie laser 3D. Structure. Surveillance de la santé de contrôle. 24(4), 1894. https://doi.org/10.1002/stc.1894 (2017).

Article Google Scholar

Krasnoveikin, VA & Konovalenko, IS Développement de l'approche sans contact pour tester les caractéristiques dynamiques des composites polymères renforcés de fibres de carbone. AIP Conf. Proc. 2053, 5084486. https://doi.org/10.1063/1.5084486 (2018).

Article CAS Google Scholar

Francis, D., Tatam, RP & Groves, RM Technologie et applications de la cisaillement : une revue. Mes. Sci. Technol. 21, 102001. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/10/102001 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Hung, YY Shearographie : Une nouvelle méthode optique pour la mesure de la déformation et les essais non destructifs. Opter. Ing. 21, 7972920. https://doi.org/10.1117/12.7972920 (1983).

Article Google Scholar

Jankauskas, A., Mazeika, L., Draudviliene, L. & Genutis, G. Enquête sur la génération d'ondes d'agneau dans des plaques isotropes à l'aide de transducteurs ultrasoniques à large bande. Électron. Électrotech. 19(8), 5390. https://doi.org/10.5755/J01.EEE.19.8.5390 (2013).

Article Google Scholar

Marks, R., Clarke, A., Featherston, C., Paget, C. et Pullin, R. Interaction des ondes d'agneau avec des raidisseurs collés par adhésif et des décollements à l'aide de la vibrométrie 3D. Appl. Sci. 6(1), 6010012. https://doi.org/10.3390/app6010012 (2016).

Article Google Scholar

Nowak-Grzebyta, J., Meijer, F., Bula, K. & Stachowska, E. Test vibrométrique holographique non destructif du joint adhésif dans les stratifiés métal-polymère. JNE 39, 50. https://doi.org/10.1007/s10921-020-00694-1 (2020).

Article Google Scholar

Nowak-Grzebyta, J., Meijer, F. & Stachowska, E. Essais non destructifs de stratifiés métal-polymère avec un vibromètre holographique numérique. Polimery 65, 11. https://doi.org/10.14314/polimery.2020.7.11 (2020).

Article Google Scholar

Lamb, H. Sur les vibrations d'une sphère élastique. Proc. Londres. Mathématiques. Soc. 1–13(1), 189. https://doi.org/10.1112/plms/s1-13.1.189 (1881).

Article MathSciNet MATH Google Scholar

Liu, B., Feng, T., Wu, X. & Li, N. Caractéristiques de rayonnement sonore de la machine à laver basées sur la mesure de l'intensité sonore. AMR 482–484, 1406. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.482-484.1406 (2012).

Article Google Scholar

Fletcher, MD et al. Effets des sons à très haute fréquence et des ultrasons sur l'homme. Partie I : Symptômes indésirables après exposition à un son audible à très haute fréquence. JASA 144, 5063819. https://doi.org/10.1121/1.5063819 (2018).

Article Google Scholar

Scholkmann, F. Exposition aux sons à haute fréquence et aux ultrasons dans les lieux publics : exemples de Zurich, Suisse. Acoustique 1(4), 816–824. https://doi.org/10.3390/acoustics1040048 (2019).

Article Google Scholar

Leighton, TG Certaines personnes souffrent-elles de l'exposition massive et croissante du public aux ultrasons dans l'air ? Proc. R. Soc. A 472, 624. https://doi.org/10.1098/rspa.2015.0624 (2016).

Article Google Scholar

Ueda, M., Ota, A. & Takahashi, H. Enquête sur le bruit à haute fréquence dans l'espace public. In Paper in Proceedings of the 7th Forum Acusticumat, Cracovie, Pologne, 7–12 septembre 2014 (2014)

Yamada, Y., Kawasaki, A., Taya, M. et Watanabe, R. Effet du décollement à l'interface de phase sur le module de Young du composite psz/acier inoxydable fritté. Mater. Trans. JIM 35, 814–820. https://doi.org/10.2320/matertrans1989.35.814 (1994).

Article CAS Google Scholar

Deshmukh, K. et al. 3- Composites biopolymères à hautes performances diélectriques : Ingénierie des interfaces. Dans Biopolymer Composites in Electronics (eds Sadasivuni, KK et al.) 27–128 (Elsevier, 2017).

Chapitre Google Scholar

Saxena, P. & Shukla, PA Un examen complet des propriétés fondamentales et des applications du poly(fluorure de vinylidène) (pvdf). Adv. Compos. Matière Hybride. 4, 8. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00217-0 (2021).

Article CAS Google Scholar

Hacker, MC, Krieghoff, J. & Mikos, AG 33—Polymères synthétiques. Dans Principles of Regenerative Medicine 3rd edn (eds Atala, A. et al.) 559–590 (Academic Press, 2019).

Chapitre Google Scholar

Optonor, AS Trondheim, Norvège : Vibromap 1000. https://optonor.com/ (consulté le 4 juillet 2019).

Guan, L., Zou, M., X, Wan et Y, Li. Identification non linéaire de la direction des micro-fissures d'ondes de Lamb dans les plaques avec une technique de fréquence mixte. Appl. Sci. 10, 2135. https://doi.org/10.3390/app10062135 (2020).

Article CAS Google Scholar

Huber, A. Calculateur de dispersion, 2.0. https://www.dlr.de/zlp/en/desktopdefault.aspx/tabid-14332/24874_read-61142/ (2018).

Équipe de base R. R : Un langage et un environnement pour le calcul statistique. https://www.R-project.org/ (Fondation R pour le calcul statistique, 2018).

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ES reconnaît le soutien partiel des fonds statutaires de l'Université de technologie de Poznan 0614/SBAD/1565.

Faculté de génie mécanique, Université de technologie de Poznan, ul. Piotrowo 3, Poznań, 60-965, Pologne

Jagoda Nowak-Grzebyta, Ewa Stachowska, Frans Meijer & Tomasz Sterzyǹski

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JN-G. et ES a écrit le texte principal du manuscrit, JN-G. figues préparées. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, préparation FM Figs. 9 et 10. Le logiciel a été préparé par FM Tous les auteurs ont examiné le manuscrit. Nous donnons notre consentement pour la publication de détails identifiables, qui peuvent inclure des photographies et/ou des vidéos et/ou des antécédents et/ou des détails dans le texte à publier dans les rapports scientifiques.

La correspondance est Jagoda Nowak-Grzebyta.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Nowak-Grzebyta, J., Stachowska, E., Meijer, F. et al. Une technique non destructive utilisant la vibrométrie holographique numérique et les ondes de Lamb pour la détermination de la qualité des stratifiés polymère-métal. Sci Rep 12, 18041 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22853-2

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Reçu : 22 août 2022

Accepté : 20 octobre 2022

Publié: 27 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22853-2

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