Studio di un sistema di monitoraggio di incollaggi degli irrigidimenti strutturali in strutture in carboresina per impiego aerospaziale mediante acquisizione di onde di stress guidate con impiego di reticoli di Bragg (FBG) ad alta frequenza

Progetto beneficiario del finanziamento POR Campania FESR 2014/2020

Negli ultimi anni sono state sviluppate metodologie basate su misure di onde di stress guidate ultrasoniche che propagano nelle strutture che, mediante un’adeguata disposizione di sensori capaci di intercettare tali onde e le loro riflessioni contro gli irrigidimenti incollati, sono in grado di identificare eventuali scollaggi con una precisione che è funzione della distanza tra i sensori stessi nonché della frequenza delle onde acquisite. In particolare la metodologia presentata in [1] e sviluppata da un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli “Federico II” è tra le più promettenti ed è risultata vincitrice del premio come “Best Student Paper” all’International Congress on Composites Structures (ICCS20) tenutosi a Parigi nel 2017. Tale metodologia risulterebbe particolarmente efficace se implementata utilizzando come sensori di onde guidate dei reticoli di Bragg (Fiber Bragg Gratings o FBG) incise lungo un’unica fibra ottica; tale caratteristica consentirebbe di inserire vari sensori di deformazione (ciascun FBG) in punti diversi della struttura mediante l’applicazione mediante inserzione o incollaggio di una sola fibra ottica (o in numero ridotto) con minima invasività strutturale e piccolissimo aggravio di peso. Al fine di poter sfruttare tale tecnologia occorre un “interrogatore” ad alta frequenza in grado di “leggere” vari FBG presenti sulla stessa fibra (ma caratterizzati da lunghezze d’onda diverse per essere “riconosciuti”). Al momento esistono al mondo pochissimi dispositivi di tale genere principalmente allo stato prototipale, ed una sola versione commerciale prodotta negli Stati Uniti da una società denominata “Redondo Optics” con cui è in atto una collaborazione per lo sviluppo di applicazioni SHM che coinvolge i ricercatori autori della pubblicazione menzionata sopra ed appartenenti al Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II” e la SONORA S.r.l. 

Obiettivo di questo studio di fattibilità sarà la messa a punto di un software sviluppato in linguaggio di programmazione Labview a partire dal sorgente originale fornito dalla Redondo Optics per implementare la tecnica SHM di identificazione degli scollaggi mediante onde guidate ed FBG su fibra ottica. SONORA S.r.l. si occuperà dello sviluppo del software di analisi del segnale in Labview e di simulazioni numeriche finalizzate alla migliore comprensione dei fenomeni di riflessione delle onde guidate sugli irrigidimenti, mentre la consulenza del Dipartimento di Ingegneria Industriale, proprietario dell’interrogatore per FBG e di un laboratorio di analisi strutturale, servirà per l’effettuazione delle prove sperimentali per la validazione dell’approccio SHM mediante il codice implementato in Labview sviluppato. Si può facilmente intuire che la ricaduta in termini di innovazione tecnologica di un tale sistema può inoltre andare oltre l’applicazione in ambito aerospaziale, ma viceversa, risulterebbe di interesse in tutti i settori industriali in cui il controllo in fase di manufacturing o in fase operativa di incollaggi di componenti strutturali sia rilevante (trasporto navale, ferroviario, etc…).  

La moderna progettazione aeronautica, basata sempre più sull’uso di accurati codici di calcolo, sulla profonda conoscenza delle caratteristiche dei materiali e delle effettive condizioni di esercizio, permette un uso più spinto dei materiali, finalizzato ad un incremento del grado di affidabilità del servizio e alla riduzione dei costi di gestione e di produzione. Esigenze di questo tipo sono ricorrenti nell’uso di materiali compositi, utilizzati nella costruzione di strutture e componenti aerospaziali, ai quali è richiesto un elevato rapporto rigidezza/peso e/o resistenza/peso.

Questi materiali consentono di realizzare strutture sempre più leggere ed efficienti, in grado di aumentare il carico pagante e ridurre i consumi. Tuttavia le strutture in materiale composito sono molto vulnerabili ai danneggiamenti, soprattutto delaminazioni e scollamenti che possono essere introdotti sia in fase di realizzazione, sia durante la vita operativa. La presenza di anche uno solo di questi danneggiamenti può portare, se trascurato, anche al cedimento catastrofico di un’intera struttura e poiché la sicurezza non può mai passare in secondo piano rispetto alla riduzione dei costi, la profonda conoscenza dei materiali diviene essenziale e ciò si può ottenere soltanto attraverso il ricorso ad affidabili procedure di controllo. 

[1] V. Memmolo, E. Monaco, N.D. Boffa, L. Maio, F. Ricci, “Guided wave propagation and scattering for structural health monitoring of stiffened composites”, Composite Structures 184 (2018) 568-580