Capteurs à fibre optique intégrés dans l'impression 3D grand format : la recherche de l'ERDC
Les chercheurs de l'U.S. Army ERDC ont démontré qu'il est possible d'incorporer des capteurs de déformation à fibre optique lors de la fabrication additive grand format sans modifier le processus d'impression de base.
Surveillance intégrée pour composants de grande taille
La recherche explore comment intégrer des capteurs directement lors de l'impression LFAM, éliminant le besoin d'inspections périodiques ou d'installations ultérieures.
L'approche développée par l'ERDC se concentre sur la surveillance structurelle de la santé pour les composants polymères de grande taille destinés aux infrastructures civiles. Au lieu d'inspecter périodiquement une structure ou d'appliquer des capteurs après la production, le chemin sensoriel est imprimé directement à l'intérieur du composant.
Cette solution s'adapte naturellement à la fabrication additive grand format (LFAM), où un cordon d'extrusion de grande taille est déposé couche par couche.
- Capteurs à fibre optique de 155 micromètres incorporés lors de l'impression LFAM
- Surveillance continue de la déformation avec une résolution de 0,65 mm
- Application ciblée aux infrastructures civiles en polymère
- Aucune modification du processus d'impression standard requise
Le protocole expérimental
L'équipe a testé l'intégration sur des éprouvettes en PLA renforcé, en plaçant manuellement les capteurs entre les couches d'impression.
Les chercheurs ont utilisé un système LFAM containerisé équipé d'une extrudeuse Strangpress 19. Ils ont imprimé 20 barres d'essai courtes en utilisant du PLA renforcé de fibre de carbone 3DXTech.
Chaque barre a été réalisée avec trois passes de l'extrudeuse de 15 mm de large et 5 mm de haut, produisant des éprouvettes de 15 x 45 x 160 mm. Dans les versions instrumentées, les opérateurs ont posé manuellement un capteur à fibre optique Luna de 155 micromètres de diamètre le long du cordon central après la première couche.
La deuxième couche a ensuite été imprimée sur le capteur à 200°C.
Mesure distribuée de la déformation
Le système d'interrogation utilisé permet de mesurer la déformation en continu sur toute la fibre, et non seulement en des points discrets.
Le capteur a été connecté à un interrogateur Luna ODiSI 7100, qui utilise la rétrodiffusion Rayleigh pour mesurer la déformation en continu le long de la fibre. Les chercheurs l'ont configuré avec une résolution de 0,65 mm et une fréquence d'échantillonnage de 31,25 Hz par port.
Une fibre suffisamment longue incorporée pourrait potentiellement révéler où se développe une concentration de déformation à l’intérieur d’une grande structure imprimée. Cela est beaucoup plus utile que simplement confirmer le chargement d’une poutre ou d’un panneau entier.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Diamètre fibre optique | 155 micromètres |
| Résolution de mesure | 0,65 mm |
| Fréquence d’échantillonnage | 31,25 Hz |
| Température d’impression | 200°C |
Résultats des tests de fatigue
Pendant dix cycles de fatigue contrôlés en déplacement, les signaux de la fibre ont tracé avec précision l’évolution de la contrainte mesurée par la cellule de charge.
Les pics, les vallées et les transitions sont apparus aux bons endroits sur les trois éprouvettes utilisables. Pour la surveillance des événements de charge et de l’utilisation accumulée, ces données qualitatives sont plutôt encourageantes.
Le capteur a également enregistré des valeurs de déformation apparente élevées immédiatement après avoir été encapsulé par le matériau chaud. Celles-ci ont dépassé environ 15.000 microdéformations, la limite de l’instrument, et ont été attribuées à la dilatation thermique et aux changements de l’indice de réfraction lors du refroidissement.
Bien que cette réponse n’ait pas été utilisée comme mesure quantitative de la déformation, elle suggère que la même installation pourrait observer le comportement de refroidissement pendant la production en plus de la charge en service ultérieur.
Le défi de la qualité d’adhésion
La tomographie assistée par ordinateur aux rayons X a révélé un problème critique : seulement 58,2% de la surface de la fibre est en contact avec le polymère.
La tomographie assistée par ordinateur aux rayons X sur une éprouvette avec capteur intégré a détecté seulement 58,2% de contact polymère autour de la surface de la fibre. Cette lacune dans l’adhésion représente le défi immédiat à résoudre pour la fiabilité du système.
Cette donnée souligne que, malgré les résultats prometteurs sur le suivi des déformations, il reste encore du travail à faire pour optimiser l’intégration physique entre le capteur et le matériau imprimé. La qualité de l’adhésion affecte directement la capacité du capteur à détecter avec précision les déformations structurelles.
Perspectives pour les infrastructures
La recherche de l’ERDC ouvre des perspectives concrètes pour la surveillance continue des composants structurels imprimés en 3D. La capacité à détecter des concentrations de déformation à l’intérieur de grandes structures pourrait améliorer significativement la maintenance prédictive des infrastructures civiles.
La prochaine étape sera d’améliorer la qualité de l’adhésion entre la fibre et le matériau pour garantir des mesures plus fiables et durables dans le temps.
article écrit à l'aide de systèmes d'intelligence artificielle
Questions & Réponses
Quel est l'objectif principal de la recherche ERDC sur l'impression LFAM ?
L'objectif est d'intégrer des capteurs de déformation à fibre optique directement lors de la fabrication additive grand format. Cela permet une surveillance structurelle continue des infrastructures civiles en polymère sans besoin d'inspections périodiques ni d'installations ultérieures.
Comment les capteurs à fibre optique sont-ils intégrés au processus d'impression ?
Les capteurs de 155 micromètres sont déposés manuellement le long du cordon central après la dépose de la première couche. Ensuite, la deuxième couche est imprimée au-dessus du capteur à 200 °C sans modifier le processus d'impression standard.
Quels matériaux et système d'extrusion ont été utilisés lors des tests expérimentaux ?
Les chercheurs ont utilisé un système LFAM avec une extrudeuse Strangpress 19 pour imprimer des éprouvettes en PLA renforcé de fibres de carbone 3DXTech. Vingt barres d'essai aux dimensions spécifiques ont été produites pour valider l'intégration du capteur.
Quel type de données le système d'interrogation Luna ODiSI 7100 collecte-t-il ?
Le système utilise la rétrodiffusion Rayleigh pour mesurer la déformation de manière continue sur toute la longueur de la fibre optique, et non uniquement en des points discrets. Il est configuré pour offrir une résolution de 0,65 mm et une fréquence d'échantillonnage de 31,25 Hz.
Pour quelles applications cette technologie de capteurs intégrés est-elle particulièrement indiquée ?
La solution vise spécifiquement la surveillance de l'intégrité structurelle de composants polymères de grande taille destinés aux infrastructures civiles. La technologie élimine la nécessité d'appliquer des capteurs en externe après la production du composant.
