STUDIO E SPERIMENTAZIONE DI MATERIALI E SENSORI INTELLIGENTI BASATI SU TECNOLOGIA FBG

I sensori FBG vengono utilizzati per il monitoraggio dello stato dell’integrità strutturale dei componenti industriali. Essi mostrano diversi vantaggi rispetto ai sensori tradizionali. Il più immediato è la loro possibilità di lavorare in presenza di interferenze elettromagnetiche (per quanto elevate possano essere) ed in altre condizioni avverse, in ambienti particolarmente aggressivi (harsh) in cui si trovino in presenza di temperature elevate (o ancora peggio forti escursioni termiche) pressioni elevate ed elevati valori di umidità relativa (RH%); non mostrano problemi a lavorare in ambienti sporchi, presenza di solventi, grasso o polvere e concentrazioni di specie inquinanti. Sono caratterizzati da una elevata sensibilità nella misura, in particolare di grandezze quali deformazioni e temperatura e l’evoluzione degli strumenti di elaborazione del segnale ottico consentono oggi una straordinaria risoluzione di tali misure. Grazie alle loro dimensioni contenute e al peso ridotto hanno mostrato una ottima affinità all’inglobamento all’interno dei materiali oltre al mero incollaggio superficiale. La possibilità consentita dalla multiplexabilità dei sensori, in serie su una stessa dorsale, permette di realizzare un sistema nervoso dell’oggetto da monitorare. La fibra ottica rappresenta un sistema passivo (non alimentato) di trasporto del segnale, questo le consente l’utilizzo in ambienti infiammabili o a rischio esplosioni. L’ambito dei controlli non distruttivi si arricchisce giorno dopo giorno di nuovi strumenti che migliorano la risoluzione delle verifiche dell’integrità strutturale di un componente operativo. La difficoltà rimane ancora quella di riuscire ad intervenire per tempo in caso di manifestazione di un danno, prima di arrivare alla failure del sistema che potrebbe avere conseguenze catastrofiche. Nasce così l’esigenza di un monitoraggio in tempo reale della salute di una struttura (SHM, Structural health monitoring), uno strumento che consenta: - una sensibilità distribuita (punti sensibili discreti, distribuiti su un array strutturato); - costi ragionevoli; - durata del sistema di monitoraggio pari al tempo di vita operativo della struttura in esame; - deve essere perfettamente integrabile nel componente strutturale. Tale strumento potrebbe diventare, grazie all’impiego di questi sensori, la struttura stessa, in altre parole, potrebbe essere la struttura che monitora autonomamente la propria integrità, lo stato delle proprie caratteristiche meccaniche e che è in grado di comunicarle ad un sistema di gestione centrale dei dati che si attiva per intervenire in caso di necessità. Prendiamo ad esempio un ponte che ha subito gli effetti di un terremoto ed in apparenza è rimasto intato, un sistema integrato sarebbe in grado di verificare lo stato della struttura e comunicarlo alla manutenzione. È straordinario ma è solo il punto di partenza di quelle che oggi vengono definite strutture intelligenti (smart structures), strutture in grado di monitorarsi, raccogliere i dati, analizzarli e quindi intervenire, reagendo a quelle che possono essere variazioni dei parametri ambientali con cui interagisce nella sua vita operativa. Strutture, il discorso è valido in qualsiasi ambito dell’Ingegneria, che devono essere progettate per assumere un comportamento quasi biologico (bio- behavior). Punto di partenza delle strutture intelligenti sono, con ovvia ripetizione dei termini, i materiali intelligenti. La mia ricerca si è rivolta proprio allo studio di materiali intelligenti per quello che rappresenta un primo passo di un sistema che possa portare, in seguito, a strutture reattive, ovvero lo sviluppo di materiali sensibili. Studiando le problematiche relative all’inglobamento dei sensori all’interno dei materiali (in particolare i laminati in composito da impiego strutturale) si è in grado di progettare una rete neurale che, in maniera quasi-distribuita, percorra l’intera struttura, permettendo un controllo in continuo ed in tempo reale, e per tutta la durata della vita operativa del componente in oggetto. Il riferimento ai sensori intelligenti, nel titolo, è legata alla capacità dei sensori FBG di adattarsi a condizioni avverse, impossibili per altre tecnologie, mostrandosi in grado di misurare, simultaneamente ed in tempo reale, grandezze diverse, permettendone, con i dovuti accorgimenti, la perfetta distinzione delle rispettive variazioni. E questo in quanto i sensori FBG sono caratterizzati da un’incredibile versatilità, sono sensibili a qualsiasi cosa sia in grado di variare quella che è la loro grandezza caratteristica, ovvero l’indice di rifrazione che ne permette la trasmissione del segnale e che ne caratterizza il passo delle frange del reticolo La questione principale è l’inglobamento delle fibre ottiche nella struttura in modo che l’integrità della stessa non venga compromessa e assicurando che l’interfaccia tra la fibra ottica e il materiale circostante permetta un’accurata misura degli effetti ambientali di interesse. Il campo dei materiali di interesse comprende il fibre di carbonio in matrice epossidica, i termoplastici, il cemento per quanto riguarda le basse temperature; mentre per temperature molto elevate di usa il titanio e l’acciaio. Il limite pratico per la temperatura di poco inferiore ai 1000°C, oltre la quale la migrazione degli agenti droganti dal core della fibra diventa un problema rilevante. Per inglobare le fibre ottiche efficacemente nei vari materiali, l’importanza del rivestimento è fondamentale. Il primo ruolo del rivestimento è proteggere la fibra dal vapore condensato che, penetrando in una struttura che presenta delle micro cricche sulla superficie della fibra, contribuisce alla loro propagazione. Il secondo ruolo è costituire l’interfaccia appropriata tra la fibra ottica e il materiale ospitante, permettendo una misura adeguata dei parametri ambientali monitorati. Per i materiali non omogenei come i compositi è importante che il coating sia chimicamente compatibile con la resina del materiale ospitante, oltre a tener conto dell’orientazione della fibra di vetro rispetto a quelle di rinforzo e delle sue dimensioni rispetto allo spessore del coating: i risultati migliori generalmente si ottengono al diminuire della dimensione della fibra e facendo correre la fibra parallela alla componente della forza agente sulle fibre del materiale composito. Dopo aver posizionato le fibre ottiche sorge la questione dell’ingresso e dell’uscita della fibra dalla struttura mediante i connettori. Per inglobare i connettori con successo bisogna provvedere ad un alleviamento delle deformazioni e proteggere le fibre nei punti di ingresso e uscita, dove sono più vulnerabili. Bisogna poi scegliere la tecnica di multiplexing adatta a supportare il numero richiesto di sensori lungo una singola linea. Le più utilizzate sono il multiplexing per suddivisione della lunghezza d’onda, dove ogni sensore è individuato da una lunghezza d’onda, e il multiplexing per suddivisione del tempo, che individua i sensori per la posizione occupata al momento del passaggio dell’impulso. Successivamente l’informazione è inviata dai molteplici sensori all’elaborazione, completando la trasformazione da segnali a dati in forma tale da essere poi manipolata da un sistema di controllo centrale. La sfida di trovare vie più convenienti (cost-effective) per ridurre i costi di manutenzione e migliorare la sicurezza strutturale, il bisogno di sistemi di ispezione migliori. La spinta a realizzare sistemi di sensori integrati (built-in sensors system) è quella di migliorare i sistemi per monitorare i carichi operativi. senza necessità di fermare l’azione del sistema monitorato. In molte applicazioni la conoscenza dei carichi operativi è generalmente molto bassa, molti miglioramenti possono essere ottenuti incorporando (inglobando) i sensori nelle strutture. Nel primo capitolo del presente lavoro di tesi, vengono presentati gli argomenti che sono stati trattati nel corso del Dottorato, a cominciare con un’introduzione alle smart structures, partendo da quelle autodiagnosticanti (che necessitano di un sistema di monitoraggio come quello a cui si è accennato) fino ad arrivare alle intelligent structures, le strutture a bio-behavior, che potrebbero essere meglio definite come strutture reattive. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnologia dei sensori a reticolo di Bragg, ovvero lo strumento utilizzato per tutta l’attività di ricerca. Il terzo capitolo affronta l’argomento della compensazione termica, ovvero, dei metodi e tecniche da adottare per disaccoppiare le misure effettuate con i sensori FBG dalle variazioni di temperatura. Nel quarto capitolo viene proposta una piccola introduzione ai materiali compositi, che già intrinsecamente rappresentano il concetto di materiale intelligente in quanto ingegnerizzato (progettato su misura a seconda delle condizioni operative, taylored, abusando di un termine inglese che rende perfettamente l’idea). Nel quinto capitolo si prova a risolvere alcuni dei problemi relativi all’inglobamento dei sensori nei laminati in composito.