Sensori a fibra ottica integrati nella stampa 3D a grande formato: la ricerca dell’ERDC
I ricercatori dell’U.S. Army ERDC hanno dimostrato che è possibile incorporare sensori di deformazione a fibra ottica durante la manifattura additiva a grande formato senza modificare il processo di stampa di base. La tecnologia promette di rivoluzionare il monitoraggio strutturale delle infrastrutture civili in polimero.
Monitoraggio integrato per componenti di grandi dimensioni
La ricerca esplora come integrare sensori direttamente durante la stampa LFAM, eliminando la necessità di ispezioni periodiche o installazioni successive.
L’approccio sviluppato dall’ERDC si concentra sul monitoraggio strutturale della salute per componenti polimerici di grandi dimensioni destinati alle infrastrutture civili. Invece di ispezionare periodicamente una struttura o applicare sensori dopo la produzione, il percorso sensoriale viene stampato direttamente all’interno del componente.
Questa soluzione si adatta naturalmente alla Large Format Additive Manufacturing (LFAM), dove un cordone di estrusione di grandi dimensioni viene depositato strato dopo strato.
- Sensori a fibra ottica da 155 micrometri incorporati durante la stampa LFAM
- Monitoraggio continuo della deformazione con risoluzione di 0,65 mm
- Applicazione mirata alle infrastrutture civili in polimero
- Nessuna modifica al processo di stampa standard richiesta
Il protocollo sperimentale
Il team ha testato l’integrazione su provini in PLA rinforzato, posizionando manualmente i sensori tra gli strati di stampa.
I ricercatori hanno utilizzato un sistema LFAM containerizzato equipaggiato con un estrusore Strangpress 19. Hanno stampato 20 barre di prova corte utilizzando PLA rinforzato con fibra di carbonio 3DXTech.
Ogni barra è stata realizzata con tre passate dell’estrusore larghe 15 mm e alte 5 mm, producendo provini di 15 x 45 x 160 mm. Nelle versioni strumentate, gli operatori hanno posato manualmente un sensore a fibra ottica Luna da 155 micrometri di diametro lungo il cordone centrale dopo il primo strato.
Il secondo strato è stato poi stampato sopra il sensore a 200°C.
Misurazione distribuita della deformazione
Il sistema di interrogazione utilizzato permette di misurare la deformazione in modo continuo lungo l’intera fibra, non solo in punti discreti.
Il sensore è stato collegato a un interrogatore Luna ODiSI 7100, che utilizza il backscatter Rayleigh per misurare la deformazione in modo continuo lungo la fibra. I ricercatori lo hanno configurato con una risoluzione di 0,65 mm e una frequenza di campionamento di 31,25 Hz per porta.
Una fibra sufficientemente lunga incorporata potrebbe potenzialmente rivelare dove si sviluppa una concentrazione di deformazione all’interno di una grande struttura stampata. Questo risulta molto più utile che semplicemente confermare il caricamento di un’intera trave o pannello.
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Diametro fibra ottica | 155 micrometri |
| Risoluzione di misura | 0,65 mm |
| Frequenza campionamento | 31,25 Hz |
| Temperatura di stampa | 200°C |
Risultati dei test di fatica
Durante dieci cicli di fatica controllati in spostamento, i segnali della fibra hanno tracciato accuratamente l’andamento dello stress misurato dalla cella di carico.
Picchi, valli e transizioni sono apparsi nei punti corretti su tutti e tre i provini utilizzabili. Per il monitoraggio degli eventi di carico e dell’uso accumulato, questi dati qualitativi sono piuttosto incoraggianti.
Il sensore ha anche registrato valori di deformazione apparente elevati immediatamente dopo essere stato incapsulato dal materiale caldo. Questi hanno superato più o meno 15.000 microstrain, il limite dello strumento, e sono stati attribuiti all’espansione termica e ai cambiamenti dell’indice di rifrazione durante il raffreddamento.
Sebbene questa risposta non sia stata utilizzata come misura quantitativa della deformazione, suggerisce che la stessa installazione potrebbe osservare il comportamento di raffreddamento durante la produzione oltre al carico in servizio successivo.
La sfida della qualità di adesione
La tomografia computerizzata a raggi X ha rivelato un problema critico: solo il 58,2% della superficie della fibra risulta a contatto con il polimero.
La tomografia computerizzata a raggi X su un provino con sensore incorporato ha rilevato solo il 58,2% di contatto polimerico attorno alla superficie della fibra. Questa lacuna nell’adesione rappresenta la sfida immediata da risolvere per l’affidabilità del sistema.
Questo dato evidenzia che, nonostante i risultati promettenti sul tracciamento delle deformazioni, rimane ancora lavoro da fare per ottimizzare l’integrazione fisica tra sensore e materiale stampato. La qualità dell’adesione influisce direttamente sulla capacità del sensore di rilevare accuratamente le deformazioni strutturali.
Prospettive per le infrastrutture
La ricerca dell’ERDC apre prospettive concrete per il monitoraggio continuo di componenti strutturali stampati in 3D. La capacità di rilevare concentrazioni di deformazione all’interno di grandi strutture potrebbe migliorare significativamente la manutenzione predittiva delle infrastrutture civili.
Il prossimo passo sarà migliorare la qualità dell’adesione tra fibra e materiale per garantire misurazioni più affidabili e durature nel tempo.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Q&A
Qual è l'obiettivo principale della ricerca ERDC sulla stampa LFAM?
L'obiettivo è integrare sensori di deformazione a fibra ottica direttamente durante la manifattura additiva a grande formato. Questo permette il monitoraggio strutturale continuo delle infrastrutture civili in polimero senza necessità di ispezioni periodiche o installazioni successive.
Come vengono incorporati i sensori a fibra ottica nel processo di stampa?
I sensori da 155 micrometri vengono posati manualmente lungo il cordone centrale dopo la deposizione del primo strato. Successivamente, il secondo strato viene stampato sopra il sensore a 200°C senza modificare il processo di stampa standard.
Quale materiale e sistema di estrusione sono stati utilizzati nei test sperimentali?
I ricercatori hanno utilizzato un sistema LFAM con estrusore Strangpress 19 per stampare provini in PLA rinforzato con fibra di carbonio 3DXTech. Sono state prodotte 20 barre di prova con dimensioni specifiche per validare l'integrazione del sensore.
Che tipo di dati raccoglie il sistema di interrogazione Luna ODiSI 7100?
Il sistema utilizza il backscatter Rayleigh per misurare la deformazione in modo continuo lungo l'intera fibra ottica, non solo in punti discreti. È configurato per offrire una risoluzione di 0,65 mm e una frequenza di campionamento di 31,25 Hz.
Per quali applicazioni è particolarmente indicata questa tecnologia di sensori integrati?
La soluzione è mirata specificamente al monitoraggio della salute strutturale di componenti polimerici di grandi dimensioni destinati alle infrastrutture civili. La tecnologia elimina la necessità di applicare sensori esternamente dopo la produzione del componente.
