Applicazione multi-sonda del metodo del potenziale elettrico per la misura della forma e della posizione di cricche di fatica in componenti cilindrici

The Direct Current Potential Drop (DCPD) method was studied as a non-destructive structural health monitoring technique for the detection and diagnosis of fatigue cracks in metallic components. This method allows for the detection of fatigue damage by injecting a direct current into the studied component and measuring the variation of the electric potential drop established between two points nearby the cracked region. The DCPD method is based on the principle that an increase in the cracked area reduces the effective cross-section, thereby increasing the electrical resistance of the component. This variation can be detected as a change in the potential drop measured by the probe. Single-probe DCPD measurements are economic and effective, although they only provide global information about the cracked area, without any detail regarding its shape or position. This limitation can be overcome by employing a multi-probe DCPD configuration, which consists of simultaneously measuring many potential drops on different position of the component. This configuration allows to map the electric field distribution and perform a diagnosis of the defect, obtaining information on its shape, position, and size. The present study focuses on the application of multi-probe DCPD to cylindrical additively manufactured components made of AlSi10Mg alloy. The aim is quantifying the capabilities of a multi-probe DCPD setup to perform crack detection and diagnosis. Several critical parameters were investigated, including the influence of the position and number of fatigue cracks, as well as of the position of the measuring probes. The study required the synergistic use of analytical models, finite element numerical analyses (FEM) and experimental tests necessary for the validation of the simulations and the developed methods.

In questo lavoro di tesi è stato analizzato il metodo del potenziale elettrico in corrente continua (Direct Current Potential Drop - DCPD), come tecnica di monitoraggio strutturale non distruttiva per il rilevamento e la diagnosi di cricche di fatica in componenti metallici. Tale metodo permette di rilevare il danno per fatica attraverso l’iniezione di una corrente continua nel componente studiato e la misura della differenza di potenziale elettrico tra due punti del provino in prossimità della regione interessata dalla presenza della cricca di fatica. Il principio fisico del metodo DCPD si basa sul fatto che all’aumento dell’area criccata corrisponde un incremento della resistenza elettrica, rilevabile come variazione della differenza di potenziale misurata sul componente. Il metodo DCPD utilizza una tecnologia economica, di facile impiego ed è caratterizzato da un’elevata risoluzione. Di contro, se applicato misurando una sola differenza di potenziale su componenti a geometria complessa, è in grado di fornire solamente una misura integrale dell’area criccata senza dettagli precisi sulla geometria del difetto o sulla sua posizione all’interno del componente. Tale limitazione può essere superata grazie all’impiego simultaneo di più sonde di misura della differenza di potenziale sulla superficie del componente stesso. In questo modo è possibile mappare la distribuzione del campo elettrico ed eseguire una diagnosi della cricca, stimando informazioni su forma, posizione e dimensione. Questo lavoro si è focalizzato sullo studio di componenti cilindrici realizzati in lega AlSi10Mg mediante tecnologia additiva a letto di polveri. Il metodo DCPD è stato applicato in configurazione a quattro sonde con l'obiettivo di quantificare la capacità del sistema nel caratterizzare l’area criccata. Durante la ricerca è stato indagato l’effetto di diversi parametri critici, tra cui la posizione e la numerosità delle cricche, nonché l’influenza della disposizione spaziale delle sonde sui principali parametri prestazionali del metodo DCPD. Lo studio ha richiesto l’impiego sinergico di modelli analitici, analisi numeriche agli elementi finiti (FEM) e prove sperimentali necessarie alla validazione delle simulazioni e dei metodi sviluppati.