Una struttura capace di misurare le proprie deformazioni
La manifattura additiva di grande formato permette di produrre componenti polimerici con dimensioni difficili da ottenere mediante le comuni stampanti 3D. Stampi industriali, pannelli, elementi di arredo urbano, attrezzature, strutture temporanee e parti destinate alle infrastrutture possono essere realizzati depositando grandi quantità di materiale termoplastico attraverso un estrusore alimentato a pellet.
L’Engineer Research and Development Center dell’U.S. Army Corps of Engineers, indicato con la sigla ERDC, sta studiando come aggiungere a questi componenti una funzione ulteriore: la capacità di rilevare le deformazioni sviluppate durante la produzione e nel corso dell’utilizzo.
Il gruppo di ricerca ha integrato una fibra ottica sensibile direttamente all’interno di provini realizzati mediante Large Format Additive Manufacturing, o LFAM. La fibra non è stata applicata sulla superficie del pezzo dopo la stampa, ma è stata inserita tra gli strati mentre il materiale veniva depositato.
L’obiettivo è trasformare il componente stampato in una struttura strumentata, dotata di un percorso di misura interno che accompagni il materiale per tutta la sua vita operativa. Una soluzione di questo tipo potrebbe consentire di individuare variazioni nella distribuzione delle deformazioni, sovraccarichi, fenomeni di fatica o concentrazioni di tensione senza installare numerosi sensori elettrici sulla superficie.
Il progetto presentato all’EWSHM 2026
Il lavoro, presentato da H. Hanna dell’ERDC durante l’European Workshop on Structural Health Monitoring 2026 di Tolosa, porta il titolo “Embedded Fiber Optic Sensing for Structural Health Monitoring in Large Format Additive Manufacturing: An Integrated Approach”.
La ricerca unisce due settori che vengono spesso sviluppati separatamente. Il primo è la produzione additiva di componenti polimerici di grandi dimensioni. Il secondo è lo Structural Health Monitoring, cioè l’insieme di sensori, sistemi di acquisizione e metodi di analisi utilizzati per valutare il comportamento di una struttura durante l’esercizio.
Nelle applicazioni tradizionali, gli estensimetri e gli altri strumenti di misura vengono applicati su punti selezionati. Questa impostazione fornisce dati precisi nelle zone strumentate, ma può non rilevare un problema che si sviluppa tra un sensore e l’altro.
Una fibra ottica distribuita segue una logica diversa. Un singolo tratto di fibra può produrre una sequenza di misure lungo tutta la propria lunghezza, creando una mappa della deformazione invece di restituire soltanto alcuni valori isolati.
La piattaforma LFAM costruita dall’ERDC
L’esperimento è stato condotto utilizzando un sistema LFAM containerizzato sviluppato dall’ERDC. La piattaforma deriva da un’attività più ampia dell’ente statunitense dedicata alla progettazione di macchine additive di grande formato basate su portali a controllo numerico.
Nel sistema dell’ERDC, una testa di estrusione viene montata su una struttura CNC, mentre controlli elettronici dedicati gestiscono il movimento, l’estrusione e il piano riscaldato. L’utilizzo di un container consente inoltre di creare una cella produttiva trasportabile e relativamente autonoma, una caratteristica utile per applicazioni militari, cantieri, centri di manutenzione o attività svolte lontano dagli impianti industriali.
Per le prove con la fibra ottica è stato impiegato un estrusore Model 19 prodotto da Strangpresse. Strangpresse sviluppa teste di estrusione per la manifattura additiva alimentate con granuli termoplastici e ha acquisito esperienza attraverso la tecnologia Big Area Additive Manufacturing dell’Oak Ridge National Laboratory.
Il Model 19 di Strangpresse appartiene alla classe degli estrusori compatti destinati a sistemi robotizzati o a portale. Il costruttore Strangpresse indica, come riferimento per il modello, una portata fino a 20 libbre l’ora con ABS tecnico correttamente essiccato. La portata effettiva dipende però dal polimero, dalla temperatura, dalla geometria dell’ugello e dai parametri richiesti dal componente.
I provini in PLA rinforzato prodotti con materiale 3DXTech
Il gruppo dell’ERDC ha prodotto venti barre di prova utilizzando un PLA rinforzato con fibra di carbonio fornito da 3DXTech.
Ogni provino misurava 15 millimetri di spessore, 45 millimetri di larghezza e 160 millimetri di lunghezza. La sezione era composta da tre cordoni estrusi, ciascuno largo 15 millimetri e alto 5 millimetri.
L’impiego di un PLA caricato con fibra di carbonio consente di ottenere una matrice più rigida e dimensionalmente stabile rispetto a un PLA non rinforzato. Le fibre corte presenti nel compound, tuttavia, non devono essere confuse con la fibra ottica utilizzata come sensore. Le prime sono distribuite nel polimero e contribuiscono al comportamento meccanico del materiale. La seconda è un elemento continuo, posizionato secondo una traiettoria precisa e collegato a un sistema di interrogazione ottica.
La gamma CarbonX PLA+CF di 3DXTech, utile come riferimento per questa famiglia di materiali, viene indicata dal produttore per temperature di estrusione comprese tra 190 e 220 °C. La temperatura di 200 °C utilizzata nell’esperimento dell’ERDC rientra quindi nell’intervallo di lavorazione dichiarato da 3DXTech.
Il rinforzo in fibra di carbonio aumenta la rigidità e limita alcune deformazioni termiche, ma rende anche necessario controllare l’umidità del materiale, l’usura dell’ugello e la qualità della fusione. Nei componenti LFAM, questi aspetti incidono sulla presenza di vuoti tra cordoni e strati.
Come è stata inserita la fibra ottica
Nei provini strumentati, gli operatori hanno interrotto la deposizione dopo il primo strato e hanno collocato manualmente una fibra ottica Luna Innovations con diametro di 155 micrometri lungo il cordone centrale.
La stampa è poi proseguita depositando il secondo strato sopra la fibra a una temperatura di 200 °C. Il materiale fuso ha quindi inglobato il sensore senza richiedere una modifica sostanziale alla cinematica della macchina o al principio di funzionamento dell’estrusore Strangpresse.
Il diametro della fibra, pari a poco più di un decimo di millimetro, è ridotto rispetto alla sezione dei cordoni LFAM. Questo rapporto dimensionale permette di inserire il sensore senza creare una cavità progettata di grandi dimensioni.
La piccola sezione non elimina però i problemi di integrazione. Una fibra ottica può spostarsi durante la deposizione, essere sottoposta a curvature eccessive, trovarsi circondata da aria oppure subire sollecitazioni elevate nel punto in cui esce dal componente.
In questa fase sperimentale la posa manuale era adeguata per verificare la fattibilità del concetto. Una produzione industriale richiederebbe invece un sistema capace di collocare la fibra con una posizione e una tensione controllate.
Il funzionamento del sistema Luna Innovations ODiSI 7100
La fibra è stata collegata a un interrogatore ODiSI 7100 prodotto da Luna Innovations Incorporated. Il sistema utilizza la retrodiffusione di Rayleigh presente nella fibra ottica per rilevare variazioni associate alla deformazione e alla temperatura.
Ogni tratto della fibra possiede una propria firma ottica. Quando il materiale che circonda la fibra si allunga, si comprime o cambia temperatura, anche questa firma subisce uno spostamento. L’interrogatore Luna Innovations confronta il segnale con una condizione di riferimento e ricostruisce la distribuzione delle variazioni lungo il percorso.
Nella configurazione utilizzata dall’ERDC, le misure erano distanziate di 0,65 millimetri e venivano acquisite a 31,25 Hz per porta. Questo significa che ogni metro di fibra può generare più di 1.500 punti di misura, con aggiornamenti sufficientemente rapidi per seguire prove meccaniche quasi statiche e cicli di fatica a bassa frequenza.
La piattaforma commerciale ODiSI 7100 di Luna Innovations può essere configurata con un massimo di otto canali. In modalità standard supporta fibre sensibili lunghe fino a 20 metri per canale, mentre le configurazioni estese possono arrivare a 100 metri con un passo di misura più ampio.
Queste caratteristiche mostrano la differenza rispetto a un estensimetro tradizionale. Un estensimetro elettrico restituisce la deformazione media in una zona limitata. Il sistema Luna Innovations ODiSI 7100 può invece descrivere l’andamento della deformazione lungo una linea continua, rendendo visibili picchi locali che potrebbero trovarsi lontano dai punti scelti per i sensori convenzionali.
Che cosa hanno mostrato le prove di fatica
I provini sono stati sottoposti a cicli meccanici controllati attraverso una macchina di prova Instron. L’apparecchiatura Instron misurava il carico applicato e lo spostamento della traversa, fornendo un riferimento con cui confrontare i dati ottici.
Durante dieci cicli di fatica controllati in spostamento, i segnali ottenuti dalla fibra Luna Innovations hanno seguito l’andamento della sollecitazione registrata dalla cella di carico. Picchi, minimi e transizioni sono comparsi nelle fasi previste sui tre provini di fatica utilizzabili.
Il risultato indica che la fibra integrata è in grado di riconoscere la successione degli eventi di carico. Il sistema potrebbe quindi essere utilizzato per contare i cicli, identificare sovraccarichi o osservare come la distribuzione delle deformazioni cambia con l’accumulo del danno.
La corrispondenza qualitativa tra il segnale della fibra e la curva della macchina Instron non equivale però a una misura quantitativa già pronta per l’impiego operativo. I valori assoluti rilevati dalla fibra risultavano inferiori rispetto alle deformazioni calcolate partendo dallo spostamento della traversa.
Una parte della differenza può dipendere dalla macchina di prova. Lo spostamento della traversa Instron comprende infatti la deformazione del provino, ma può includere anche la cedevolezza dell’apparecchiatura, piccoli movimenti nei morsetti e deformazioni esterne alla zona realmente osservata dalla fibra.
Rimane comunque necessario verificare quanto efficacemente il polimero trasferisca la propria deformazione al sensore ottico.
Il segnale registrato durante il raffreddamento
La fibra Luna Innovations ha fornito informazioni anche durante la fabbricazione. Quando il materiale a 200 °C è stato depositato sopra il sensore, il sistema ha registrato valori apparenti superiori al limite di ±15.000 microstrain dell’interrogatore ODiSI 7100.
Un microstrain corrisponde a una deformazione relativa di una parte per milione. Un valore di 10.000 microstrain equivale quindi a una variazione dimensionale dell’1%.
I valori osservati durante l’incapsulamento non sono stati interpretati come deformazioni meccaniche quantitative. Il segnale era influenzato dall’espansione termica, dal raffreddamento del polimero e dalla variazione dell’indice di rifrazione della fibra.
Questo comportamento suggerisce però una seconda funzione possibile. Con un’adeguata compensazione termica, la fibra potrebbe aiutare a osservare il raffreddamento del pezzo, il ritiro del materiale e la formazione delle tensioni residue durante la stampa.
Per separare temperatura e deformazione potrebbe essere necessario utilizzare una fibra di riferimento non vincolata meccanicamente, sensori con configurazioni differenti oppure modelli termo-meccanici calibrati sul materiale di 3DXTech.
Il limite principale è il contatto tra fibra e polimero
La tomografia computerizzata a raggi X ha mostrato che soltanto il 58,2% della superficie della fibra analizzata era a contatto con il polimero.
Attorno al sensore erano presenti vuoti collegati alla porosità interna dei cordoni e alle zone di adesione tra gli strati. In alcuni punti la fibra era quindi circondata da aria invece di essere completamente inglobata nella matrice.
Questo dato è centrale perché il sensore può misurare correttamente la deformazione del componente soltanto quando esiste un trasferimento meccanico efficace tra polimero e fibra. Se il contatto è parziale, una porzione della deformazione della matrice non raggiunge il sensore. La fibra restituisce così un valore più basso rispetto a quello presente nel materiale circostante.
Il problema non dipende esclusivamente dalla fibra ottica. La porosità è uno dei temi centrali della manifattura additiva di grande formato. Cordoni larghi, variazioni di temperatura, materiale non essiccato, geometrie non perfettamente sovrapposte e pressione insufficiente tra gli strati possono produrre cavità interne.
L’introduzione del sensore aggiunge un ulteriore elemento all’interfaccia. Il polimero deve scorrere attorno alla fibra senza spostarla e deve aderire alla sua superficie prima che il materiale si raffreddi.
Come migliorare l’integrazione
Il passaggio successivo dovrebbe concentrarsi sul processo di posa e sulla preparazione della zona destinata al sensore.
Una prima possibilità consiste nel progettare una piccola sede nel cordone inferiore. La traiettoria potrebbe mantenere la fibra Luna Innovations nella posizione prevista e ridurre il rischio di movimento durante la deposizione dello strato superiore.
Un’altra soluzione potrebbe utilizzare un rullo o un dispositivo di compattazione collocato vicino all’estrusore Strangpresse. Una pressione controllata favorirebbe il contatto tra il materiale caldo, la fibra e lo strato precedente.
Anche l’essiccazione del compound 3DXTech merita attenzione. L’umidità può trasformarsi in vapore durante l’estrusione e contribuire alla formazione di bolle e vuoti. Una procedura di condizionamento del materiale, seguita dal controllo della temperatura e della portata, potrebbe migliorare la continuità della matrice attorno al sensore.
Per passare dalla posa manuale a un processo ripetibile servirebbe poi un secondo sistema di alimentazione dedicato alla fibra. Questo dispositivo dovrebbe sincronizzarsi con il percorso CNC, controllare la tensione, rispettare il raggio minimo di curvatura e proteggere il tratto che emerge dal componente.
Il punto di uscita richiede una progettazione specifica. Una brusca variazione di geometria può danneggiare la fibra o creare una concentrazione di tensione. Connettori, rivestimenti e sistemi di protezione dovrebbero inoltre resistere alle condizioni ambientali previste per la struttura.
L’effetto della fibra sulla resistenza dei provini
Il gruppo dell’ERDC ha confrontato provini con fibra integrata e provini privi di sensore. Le prove non hanno mostrato una riduzione coerente della forza massima o dello spostamento massimo causata dalla presenza della fibra.
Il dato è favorevole, ma non permette ancora di concludere che l’integrazione sia meccanicamente neutra. Il numero dei campioni era limitato e i provini LFAM presentavano una dispersione rilevante nelle prestazioni.
Quando la variabilità del processo è elevata, un possibile effetto locale del sensore può essere nascosto dalle differenze di porosità, adesione e geometria tra un provino e l’altro.
Per una valutazione completa occorrerebbe produrre serie più numerose, controllare il contenuto di umidità, misurare la distribuzione dei vuoti e confrontare diverse posizioni della fibra. Sarebbe utile analizzare anche l’orientamento del sensore rispetto ai cordoni, il numero di cicli a fatica e la resistenza dopo l’esposizione ad acqua, raggi ultravioletti e variazioni termiche.
La necessità di un riferimento indipendente
Per calibrare le misure della fibra Luna Innovations, l’ERDC potrebbe affiancare all’ODiSI 7100 un sistema di Digital Image Correlation.
La correlazione digitale delle immagini misura gli spostamenti osservando la superficie del provino attraverso una o più telecamere. Confrontando le immagini acquisite durante il carico, il software ricostruisce il campo di deformazione senza dipendere dallo spostamento della traversa Instron.
Il confronto tra fibra ottica, Digital Image Correlation, cella di carico e spostamento della macchina consentirebbe di distinguere gli errori prodotti dal contatto incompleto da quelli legati all’apparecchiatura di prova.
La tomografia a raggi X potrebbe poi correlare la risposta della fibra con la geometria reale dei vuoti. In questo modo sarebbe possibile determinare quale percentuale di contatto sia necessaria per ottenere una misura quantitativa affidabile.
Le possibili applicazioni nelle infrastrutture
L’ERDC considera il monitoraggio strutturale uno strumento utile per la gestione di infrastrutture civili e militari. Lo stesso ente ha già sperimentato sistemi distribuiti in fibra ottica, insieme alla University of Wisconsin–Madison e al National Park Service, per studiare il comportamento di strutture storiche sottoposte a vento, variazioni termiche e altre azioni ambientali.
L’integrazione durante la stampa potrebbe estendere questa impostazione ai componenti LFAM. Un pannello, una trave polimerica, una passerella temporanea o un elemento di protezione potrebbero essere prodotti con una traiettoria sensibile interna.
La fibra Luna Innovations potrebbe registrare il comportamento iniziale del componente, creare una condizione di riferimento e permettere confronti durante l’esercizio. Una variazione localizzata della deformazione sotto uno stesso carico potrebbe indicare un cambiamento nella rigidezza, un difetto nell’interfaccia tra cordoni o l’inizio di una cricca.
Il metodo potrebbe interessare anche gli stampi industriali prodotti con sistemi LFAM. Gli stampi di grandi dimensioni sono sottoposti a cicli termici e meccanici che possono causare deformazioni e perdita di precisione. Una fibra integrata potrebbe aiutare a osservare le zone più sollecitate e a programmare gli interventi prima che il degrado comprometta il processo produttivo.
Dal componente stampato al componente con una storia digitale
Il valore dell’esperimento dell’ERDC non risiede soltanto nella possibilità di inserire una fibra nel materiale. Il progetto mostra come la fase di produzione possa essere collegata alla fase di monitoraggio.
La stessa fibra Luna Innovations potrebbe raccogliere dati durante il raffreddamento, le prove di accettazione e l’impiego sul campo. Il componente disporrebbe così di una storia digitale che inizia al momento della deposizione.
Per ottenere questo risultato su scala industriale dovranno essere risolti diversi problemi: il contatto tra fibra e matrice, la compensazione della temperatura, l’automazione della posa, la protezione delle connessioni, la calibrazione e la gestione dei dati.
I risultati iniziali indicano però che l’inserimento del sensore può essere eseguito senza riprogettare l’intero sistema LFAM e senza alterare in modo evidente le prestazioni meccaniche dei piccoli provini analizzati.
La priorità non è quindi dimostrare che la fibra possa sopravvivere alla stampa. L’esperimento dell’ERDC ha già fornito una prima risposta positiva. La questione da affrontare è rendere il trasferimento della deformazione abbastanza uniforme da trasformare il segnale ottico in una misura quantitativa, ripetibile e utilizzabile per le decisioni di manutenzione.
