Un componente prodotto mediante stampa 3D potrebbe non limitarsi a sostenere un carico, ma diventare anche il proprio sistema di monitoraggio. È l’obiettivo di una ricerca condotta dall’U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC), che ha integrato sottilissimi sensori in fibra ottica direttamente all’interno di componenti polimerici realizzati mediante Large Format Additive Manufacturing (LFAM).
Il lavoro è stato condotto da Lucinda Slattery, Joelle Westcott e Zackery McClelland dell’ERDC e presentato nell’ambito del 12th European Workshop on Structural Health Monitoring – EWSHM 2026.
Il principio sperimentato è relativamente semplice da descrivere: durante la stampa viene depositato il primo strato del componente, una fibra ottica viene posizionata all’interno della struttura e lo strato successivo viene stampato direttamente sopra il sensore, inglobandolo nel materiale.
La parte più importante arriva dopo.
Una volta terminata la produzione, la stessa fibra può misurare le deformazioni che si sviluppano all’interno del componente quando questo viene caricato.
Il risultato apre la possibilità di realizzare strutture stampate in 3D dotate fin dall’origine di una sorta di “sistema nervoso” interno capace di fornire informazioni sul proprio comportamento meccanico.
La ricerca è però ancora in una fase sperimentale. Gli stessi ricercatori hanno individuato problemi significativi di porosità e di accoppiamento tra fibra e matrice polimerica che devono essere risolti prima di pensare a un’applicazione su infrastrutture operative.
ERDC porta la stampa 3D verso lo Structural Health Monitoring
L’Engineer Research and Development Center fa parte dell’U.S. Army Corps of Engineers e svolge attività di ricerca in numerosi settori legati a infrastrutture, materiali, costruzioni, ambiente e tecnologie destinate sia all’ambito civile sia alle esigenze del Dipartimento della Difesa statunitense.
Da anni ERDC lavora anche sulle tecnologie di additive manufacturing di grande formato.
La produzione additiva su larga scala permette di realizzare componenti di dimensioni molto superiori a quelle tipiche delle stampanti desktop, impiegando sistemi di estrusione capaci di depositare grandi quantità di materiale.
L’interesse dell’ente statunitense riguarda, tra le altre cose, la possibilità di produrre elementi infrastrutturali vicino al luogo nel quale sono necessari, riducendo trasporto, tempi logistici e necessità di immagazzinare grandi strutture finite.
La nuova ricerca aggiunge un elemento ulteriore: non soltanto produrre la struttura mediante stampa 3D, ma incorporare durante la stessa fabbricazione gli strumenti necessari per controllarne il comportamento durante l’utilizzo.
Che cosa significa Structural Health Monitoring
Il settore viene indicato con l’espressione Structural Health Monitoring, abbreviata in SHM.
Si tratta dell’insieme delle tecniche utilizzate per valutare nel tempo lo stato di salute di una struttura.
Ponti, edifici, condotte, impianti industriali e componenti meccanici sono sottoposti durante la loro vita operativa a carichi, vibrazioni, variazioni di temperatura, corrosione, fatica e altri fenomeni capaci di modificarne progressivamente le caratteristiche.
Tradizionalmente il controllo può essere effettuato attraverso ispezioni periodiche, prove non distruttive o sensori montati sulla superficie.
Questi approcci rimangono indispensabili, ma presentano limiti.
Un’ispezione periodica fotografa la situazione nel momento nel quale viene effettuata. Un fenomeno che si sviluppa tra due controlli potrebbe quindi non essere rilevato immediatamente.
I sensori superficiali, invece, devono essere installati successivamente alla costruzione e possono risultare difficili da posizionare in determinate aree o vulnerabili all’ambiente esterno.
Integrare il sensore direttamente all’interno del componente modifica il problema.
La struttura nasce già predisposta per essere monitorata.
Perché la stampa 3D facilita l’integrazione dei sensori
Incorporare un sensore all’interno di un componente prodotto con tecniche convenzionali non è sempre semplice.
La produzione additiva presenta invece una caratteristica particolarmente favorevole: l’oggetto viene costruito progressivamente, strato dopo strato.
Il processo può essere interrotto dopo una determinata deposizione, può essere inserito un elemento e la fabbricazione può successivamente proseguire.
In questo modo il sensore rimane completamente inglobato nella struttura.
Nel progetto ERDC questa possibilità è stata sfruttata senza modificare i normali parametri della stampa.
Una volta completato il primo strato, gli operatori hanno semplicemente collocato la fibra ottica sul materiale già depositato.
Il secondo strato ha poi ricoperto il sensore.
La semplicità del procedimento è uno degli elementi più interessanti dello studio.
Una fibra di appena 155 micrometri
I sensori utilizzati sono fibre ottiche ad alta definizione prodotte da Luna Innovations.
Il diametro indicato nello studio è di appena 155 micrometri.
Per avere un riferimento, significa circa 0,155 millimetri.
La fibra presenta un rivestimento in poliimmide ed è progettata per tollerare temperature comprese tra circa -40 e 300 °C, caratteristica importante perché deve sopravvivere al contatto con il polimero caldo durante la stampa.
Il diametro molto ridotto permette inoltre di inserirla nel componente introducendo una quantità minima di materiale estraneo.
L’obiettivo è evitare che il sensore stesso diventi un difetto strutturale significativo.
Non si tratta di un normale estensimetro
Il sistema utilizzato presenta una differenza importante rispetto ai tradizionali strain gauge.
Un estensimetro convenzionale misura normalmente la deformazione in un punto o in una regione molto limitata.
La fibra ottica utilizzata da ERDC permette invece una misurazione distribuita lungo la propria lunghezza.
Per leggere il segnale è stato utilizzato un sistema ODiSI 7100 di Luna Innovations.
Il dispositivo analizza la retro-diffusione di Rayleigh della luce all’interno della fibra e può ricostruire variazioni di deformazione lungo il percorso del sensore.
La configurazione scelta dagli studiosi utilizzava punti di misura distanti appena 0,65 millimetri.
Significa che un singolo metro di fibra può fornire più di 1.500 posizioni di misura.
Invece di installare decine o centinaia di sensori separati, una singola fibra può quindi descrivere come cambia la deformazione lungo un’intera linea interna alla struttura.
Una tecnologia utile per individuare dove nasce il problema
Questo tipo di misurazione può essere particolarmente interessante nello Structural Health Monitoring.
Immaginiamo un lungo elemento strutturale sottoposto a un carico.
Un sensore tradizionale montato in un punto può indicare cosa accade esattamente in quella posizione.
Se però la concentrazione di deformazione si sviluppa alcuni centimetri più lontano, potrebbe essere necessario un secondo sensore.
Una fibra distribuita può invece mostrare l’intero profilo.
In prospettiva, variazioni localizzate potrebbero quindi essere utilizzate per identificare zone nelle quali iniziano fenomeni di danneggiamento, concentrazioni di tensione o deformazioni anomale.
È uno dei motivi per cui Luna Innovations propone la tecnologia ODiSI anche per strutture complesse, materiali compositi e applicazioni nelle quali servono mappe di deformazione ad alta risoluzione.
Venti campioni stampati in PLA rinforzato con fibra di carbonio
Per verificare il concetto, ERDC ha prodotto 20 campioni.
Il materiale utilizzato era un PLA rinforzato con fibra di carbonio di 3DXTech.
La scelta di un polimero caricato con fibra corta permette di avvicinarsi maggiormente alle caratteristiche dei materiali utilizzati nel Large Format Additive Manufacturing strutturale rispetto a un PLA non rinforzato.
3DXTech, azienda statunitense specializzata in materiali per additive manufacturing, produce diverse formulazioni composite nelle quali fibre di carbonio vengono aggiunte alla matrice polimerica per aumentare rigidità e stabilità dimensionale.
È importante non confondere queste fibre di carbonio corte, disperse nel materiale stampato, con la fibra ottica inserita come sensore.
Sono due elementi completamente differenti.
Le fibre di carbonio fanno parte del materiale strutturale.
La fibra di vetro ottica costituisce invece il dispositivo di misura.
Campioni molto più grandi di quelli di una normale stampante FDM
Il sistema utilizzato dall’ERDC era una macchina LFAM containerizzata dotata di estrusore Strangpresse 19.
Ogni campione misurava circa:
15 millimetri di spessore;
45 millimetri di larghezza;
160 millimetri di lunghezza.
La geometria era ottenuta depositando tre cordoni larghi circa 15 millimetri e alti 5 millimetri.
Sono dimensioni molto diverse rispetto alle normali linee di estrusione prodotte da una stampante desktop con ugello da 0,4 millimetri.
Nel Large Format Additive Manufacturing l’obiettivo è infatti depositare rapidamente quantità molto maggiori di materiale.
I sistemi LFAM industriali possono raggiungere portate dell’ordine di decine di libbre di materiale ogni ora e, in alcune configurazioni, superare ampiamente questo valore.
Il sensore viene semplicemente appoggiato tra due strati
Il procedimento utilizzato dai ricercatori non richiedeva una testina speciale.
Dopo la deposizione del primo strato, la fibra di Luna Innovations veniva posizionata manualmente lungo l’asse longitudinale del campione, sopra il cordone centrale.
La stampante depositava quindi il secondo strato direttamente sopra il primo.
La temperatura di estrusione utilizzata era di 200 °C.
Il nuovo materiale circondava così la fibra e la bloccava all’interno della matrice.
Questo rappresenta contemporaneamente il principale vantaggio e uno dei limiti attuali dell’esperimento.
Il vantaggio è che non serve modificare radicalmente la macchina.
Il limite è che l’inserimento della fibra avviene ancora manualmente.
Per un vero processo industriale sarebbe preferibile automatizzare il posizionamento del sensore e integrarlo nel normale percorso della macchina.
Il sensore ha iniziato a misurare già durante la stampa
Un risultato interessante è emerso ancora prima dei test meccanici.
La fibra era collegata al sistema ODiSI durante la produzione e il raffreddamento del componente.
Subito dopo essere stata ricoperta dal materiale estruso caldo, ha registrato valori apparenti di deformazione superiori al limite di misura dello strumento, pari a circa ±15.000 microstrain.
I ricercatori non hanno utilizzato questi valori come misura quantitativa della deformazione.
Il segnale era influenzato contemporaneamente dalla temperatura, dall’espansione termica e dalla variazione dell’indice di rifrazione della fibra.
L’osservazione suggerisce però una seconda possibile funzione del sensore.
Una fibra incorporata potrebbe essere utilizzata non soltanto durante la vita operativa del componente, ma anche per osservare ciò che accade durante la produzione e il raffreddamento.
Monitorare tensioni residue durante la fabbricazione
Nel Large Format Additive Manufacturing il comportamento termico è particolarmente importante.
Ogni nuovo cordone viene depositato caldo sopra materiale che ha già iniziato a raffreddarsi.
Differenze di temperatura possono generare ritiri, deformazioni e tensioni residue.
Su componenti molto grandi questi fenomeni possono accumularsi e portare a warping, separazione tra strati o variazioni dimensionali.
Un sensore inserito durante la stampa potrebbe in futuro fornire informazioni sul modo in cui queste tensioni si sviluppano.
La stessa fibra potrebbe quindi potenzialmente accompagnare il componente in due fasi differenti:
durante la produzione, per controllare raffreddamento e deformazioni residue;
durante l’utilizzo, per monitorare i carichi e l’eventuale danneggiamento.
La tomografia a raggi X mostra però un problema importante
Per capire come la fibra fosse realmente inglobata nella matrice, i ricercatori hanno sottoposto un campione a tomografia computerizzata a raggi X.
È stato utilizzato un sistema ZEISS XRadia Versa 620.
La ricostruzione tridimensionale ha permesso di osservare la posizione del sensore e soprattutto il materiale presente intorno alla sua superficie.
Il risultato ha rivelato un limite importante del procedimento.
Solo circa il 58,2% della superficie della fibra ottica risultava effettivamente a contatto con il materiale polimerico.
Per la parte restante erano presenti vuoti.
La porosità riduce il trasferimento della deformazione
Questo punto è fondamentale per comprendere il funzionamento del sensore.
La fibra può misurare correttamente la deformazione del componente soltanto se la deformazione del materiale viene trasferita efficacemente alla fibra.
Se tra polimero e sensore esiste un vuoto, il collegamento meccanico diminuisce.
La fibra potrebbe quindi deformarsi meno rispetto al materiale che dovrebbe monitorare.
È esattamente ciò che è stato osservato durante le prove.
I valori misurati dal sensore ottico risultavano generalmente inferiori rispetto alle deformazioni calcolate attraverso lo spostamento della macchina di prova.
I ricercatori sottolineano tuttavia che anche quest’ultimo dato non rappresenta necessariamente la vera deformazione locale del materiale.
Perché lo spostamento della macchina non è una misura perfetta
Durante una prova di trazione, la macchina allontana progressivamente le proprie morse e registra lo spostamento.
Dividendo questo spostamento per una lunghezza di riferimento è possibile ottenere una stima della deformazione.
Il problema è che una parte dello spostamento può derivare anche dalla deformabilità della macchina, dal sistema di serraggio o da piccoli slittamenti all’interno delle morse.
La fibra ottica misura invece ciò che accade localmente all’interno del materiale.
La differenza tra i due valori non può quindi essere attribuita automaticamente a un errore del sensore.
Per valutare quantitativamente la precisione sarebbe utile utilizzare un terzo metodo indipendente, come la Digital Image Correlation, tecnica ottica che permette di misurare il campo di deformazione osservando lo spostamento di un pattern applicato sulla superficie del campione.
La porosità non è dovuta necessariamente soltanto al sensore
Le immagini XCT hanno evidenziato sia porosità tra gli strati sia piccoli vuoti all’interno dei singoli cordoni.
Gli autori precisano che non è ancora possibile stabilire in quale misura il problema sia stato generato dall’inserimento della fibra.
Una parte della porosità interna potrebbe essere collegata anche all’umidità assorbita dal materiale prima della stampa.
Nel Large Format Additive Manufacturing questo aspetto è importante.
Una quantità relativamente piccola di umidità presente nel polimero può trasformarsi in vapore durante l’estrusione e generare bolle e cavità.
Prima di attribuire alla fibra un peggioramento della qualità del componente serviranno quindi esperimenti con un numero maggiore di campioni e un controllo più rigoroso del materiale.
Prove fino alla rottura con e senza sensore
Per capire se la fibra indebolisse il componente, i ricercatori hanno confrontato campioni normali e campioni strumentati.
Le prove sono state eseguite mediante una macchina universale Instron 5985 equipaggiata con una cella di carico da 250 kN.
Quattro campioni senza fibra e quattro campioni contenenti il sensore sono stati portati fino alla rottura.
Il risultato non ha mostrato un andamento univoco.
In alcune coppie il componente senza sensore ha sopportato un carico superiore.
In un’altra coppia il componente dotato di fibra ha raggiunto un valore più elevato.
Anche gli spostamenti al momento della rottura hanno mostrato una dispersione significativa.
Non è ancora possibile dire che la fibra non indebolisca il pezzo
Questo è uno dei punti nei quali è importante non interpretare eccessivamente lo studio.
Il fatto che non sia stata osservata una riduzione sistematica della resistenza non dimostra che l’inserimento della fibra sia meccanicamente neutro.
Il numero dei campioni è limitato e il processo LFAM utilizzato presenta già una considerevole variabilità tra una stampa e l’altra.
Nei campioni non strumentati, per esempio, i carichi massimi misurati variavano da circa 10,3 a 14,2 kN.
Una dispersione così ampia rende difficile isolare il contributo specifico della fibra.
Gli autori ritengono quindi necessari test su una popolazione molto più ampia.
Il sensore può diventare anche una concentrazione di tensione
L’effetto meccanico della fibra potrebbe inoltre dipendere da come viene inglobata.
Se il materiale aderisce perfettamente al sensore, la fibra potrebbe inserirsi nella struttura senza conseguenze rilevanti.
Se invece attorno alla fibra si formano grandi vuoti, la regione potrebbe comportarsi come una discontinuità.
In determinate condizioni una simile imperfezione può diventare un punto nel quale iniziano microcricche o separazioni tra gli strati.
La qualità dell’interfaccia sensore-polimero diventa quindi importante sia per misurare correttamente la deformazione sia per mantenere le prestazioni meccaniche.
Dieci cicli per verificare il comportamento sotto carico ripetuto
Una seconda serie di test è stata dedicata alla fatica.
I campioni sono stati sottoposti a dieci cicli di carico controllati attraverso lo spostamento.
A causa di un’interruzione nella raccolta dei dati della cella di carico, l’analisi completa è stata possibile su tre campioni dotati di sensore e sui relativi confronti.
Durante questi test il segnale della fibra è stato confrontato con il comportamento registrato dalla macchina.
Ed è proprio qui che il sistema ha prodotto il risultato probabilmente più convincente dell’intero studio.
Picchi e minimi vengono riconosciuti correttamente
Pur mostrando valori assoluti di deformazione differenti rispetto alla stima ricavata dallo spostamento della macchina, la fibra ottica ha seguito molto bene l’andamento del carico.
I picchi del ciclo comparivano nel momento corretto.
I minimi erano riconosciuti.
Anche le transizioni tra carico e scarico coincidevano.
In tutti e tre i campioni analizzati il sensore incorporato è quindi riuscito a riconoscere in tempo reale quando la struttura veniva sottoposta a un evento meccanico.
Per lo Structural Health Monitoring questo risultato è importante.
In molte applicazioni non serve soltanto conoscere un numero assoluto di microstrain.
Può essere fondamentale riconoscere quando avviene un carico, quante volte si ripete e come cambia la risposta della struttura nel tempo.
Una struttura potrebbe registrare la propria storia di utilizzo
Da questo punto di vista una fibra integrata potrebbe consentire di ricostruire la vita operativa di un componente.
Quante volte è stato sottoposto a un determinato carico?
Dove si sono concentrate le deformazioni?
La risposta è cambiata dopo migliaia di cicli?
È comparsa una nuova zona di concentrazione?
La struttura mostra progressivamente una maggiore deformazione allo stesso carico?
Sono informazioni che possono contribuire alla manutenzione predittiva.
Invece di sostituire un componente soltanto dopo un numero prefissato di anni, si potrebbe prendere in considerazione anche ciò che il componente ha realmente sperimentato.
Dal calendario alla manutenzione basata sulle condizioni reali
Due strutture costruite nello stesso giorno possono avere vite molto differenti.
Una può essere utilizzata intensamente.
L’altra può essere sottoposta a pochi carichi.
La manutenzione basata esclusivamente sul calendario non tiene conto di questa differenza.
Uno Structural Health Monitoring integrato può invece contribuire a sviluppare interventi basati sulle condizioni effettive.
Naturalmente un singolo sensore di deformazione non è sufficiente a determinare automaticamente la sicurezza di una struttura.
I dati devono essere interpretati attraverso modelli meccanici, soglie, analisi storiche e altre tecniche di controllo.
Il valore della fibra consiste nel fornire una quantità di informazioni molto maggiore rispetto a quella disponibile con una struttura completamente passiva.
Perché la fibra ottica è interessante anche in ambiente militare
I sensori ottici presentano caratteristiche particolarmente utili in determinati ambienti.
La fibra è passiva lungo il proprio percorso, non necessita di alimentazione elettrica locale e non utilizza segnali elettrici per effettuare la misura.
È inoltre immune alle interferenze elettromagnetiche.
Queste caratteristiche possono essere interessanti vicino ad apparecchiature elettriche, sistemi di comunicazione o ambienti nei quali i normali sensori elettronici possono incontrare maggiori difficoltà.
Naturalmente il sistema di interrogazione rimane un’apparecchiatura elettronica e necessita di alimentazione e protezione.
Non significa quindi che l’intera catena di misura sia priva di elettronica.
Il problema della connessione tra fibra interna e mondo esterno
Un altro punto ancora da risolvere riguarda le estremità della fibra.
Il sensore può essere protetto molto bene all’interno del componente, ma deve prima o poi uscire dalla struttura per essere collegato al sistema di lettura.
La zona di uscita può diventare un punto delicato.
Deve resistere alla movimentazione, agli agenti ambientali e ai carichi senza spezzare la fibra.
Su un piccolo provino da laboratorio il problema può essere gestito facilmente.
Su un elemento infrastrutturale di molti metri, destinato a essere trasportato e installato in campo, il passaggio deve essere progettato fin dall’inizio.
Il sistema di lettura è ancora un’apparecchiatura da laboratorio
Anche l’interrogatore utilizzato nella ricerca deve essere considerato.
L’ODiSI 7100 di Luna Innovations è un sistema ad alte prestazioni capace di misurare migliaia di punti lungo una fibra con risoluzione submillimetrica.
È uno strumento particolarmente adatto alla ricerca e alla caratterizzazione avanzata.
Un’infrastruttura reale potrebbe però richiedere una soluzione differente.
Bisogna valutare costo, robustezza, consumi, protezione dall’ambiente e modalità di trasmissione dei dati.
L’integrazione del sensore nella stampa risolve quindi soltanto una parte del problema.
Serve anche un sistema affidabile per acquisire e gestire le informazioni per anni.
Automatizzare il posizionamento sarà il prossimo passaggio
Nell’esperimento ERDC la fibra è stata collocata manualmente.
Su una vera produzione LFAM questo approccio limiterebbe fortemente scalabilità e ripetibilità.
Una possibile evoluzione consiste nell’integrare un dispositivo per il rilascio della fibra direttamente sulla testa o sul portale della macchina.
Il software potrebbe sapere dove deve passare il sensore e depositarlo automaticamente mentre costruisce il componente.
A quel punto sarebbe possibile progettare non soltanto la geometria strutturale, ma anche il percorso della rete di sensori all’interno della parte.
La fibra potrebbe seguire zone critiche, curvature, giunzioni o regioni nelle quali le simulazioni prevedono una maggiore concentrazione delle tensioni.
Dal semplice filamento a una rete sensoriale tridimensionale
La prova ERDC utilizza una fibra sostanzialmente lineare.
L’additive manufacturing potrebbe però permettere architetture più articolate.
In teoria una fibra potrebbe essere inserita lungo più livelli della struttura o seguire un percorso tridimensionale.
Il limite principale sarebbe rappresentato dal raggio minimo di curvatura e dalla necessità di evitare che il processo di deposizione danneggi il sensore.
La fibra HD6S utilizzata nella ricerca presenta un raggio minimo di curvatura dell’ordine di 10 millimetri, un parametro da considerare nella progettazione del percorso.
In un grande componente questa limitazione è molto meno restrittiva rispetto a quanto avverrebbe su un piccolo oggetto desktop.
La ricerca non parte da zero
L’incorporazione di fibre ottiche in strutture prodotte mediante additive manufacturing è già stata studiata in precedenza.
Altri gruppi hanno sperimentato sensori ottici in componenti realizzati mediante Fused Filament Fabrication su scala più piccola.
Sono stati sviluppati anche metodi per incorporare fibre ottiche direttamente nei metalli mediante Ultrasonic Additive Manufacturing, processo a bassa temperatura nel quale sottili fogli metallici vengono uniti attraverso energia ultrasonica.
In questi studi i sensori sono stati impiegati per misurare deformazioni e avvicinare il componente fisico al concetto di Digital Twin.
Il lavoro ERDC si differenzia soprattutto per il passaggio al Large Format Additive Manufacturing polimerico, un settore nel quale la letteratura sull’integrazione diretta di sensori è molto più limitata.
Il grande formato crea opportunità specifiche
Su componenti di grandi dimensioni il monitoraggio distribuito diventa particolarmente interessante.
Applicare manualmente decine di estensimetri su una superficie lunga diversi metri può richiedere cablaggi, adesivi, protezioni e numerosi canali di acquisizione.
Una singola fibra ottica potrebbe invece seguire una grande porzione del componente fornendo misure a intervalli inferiori al millimetro.
La combinazione LFAM-fibra ottica ha quindi una certa complementarità.
La stampa permette di costruire e inglobare il sensore.
La fibra permette di monitorare una struttura molto più lunga rispetto a un normale sensore puntuale.
Possibili applicazioni oltre le infrastrutture militari
Gli autori concentrano il lavoro sulle applicazioni per infrastrutture civili, ma il principio può essere interessante anche in altri campi del Large Format Additive Manufacturing.
Uno riguarda gli stampi e le attrezzature di grandi dimensioni.
L’industria aerospaziale e nautica utilizza la stampa 3D di grande formato per produrre dime, modelli e stampi in materiale composito.
Un sensore incorporato potrebbe fornire informazioni sulle deformazioni durante l’utilizzo o sui cicli termici ai quali viene sottoposta l’attrezzatura.
Un secondo settore è quello dei componenti destinati a condizioni ambientali difficili o installati in posizioni dove un’ispezione è costosa.
Un terzo è rappresentato da strutture sperimentali nelle quali è necessario validare modelli numerici.
In questo caso la distribuzione continua dei dati lungo la fibra può essere utilizzata per confrontare il comportamento reale con quello previsto dalla simulazione agli elementi finiti.
Dal Digital Twin al componente che alimenta il proprio gemello digitale
L’integrazione sensoriale è inoltre strettamente collegata al concetto di Digital Twin.
Un gemello digitale non è semplicemente un modello CAD.
Nella sua forma più completa è una rappresentazione virtuale continuamente aggiornata attraverso informazioni provenienti dal sistema fisico.
Se un elemento LFAM contiene già i sensori necessari, i dati di deformazione possono alimentare il modello digitale durante l’utilizzo.
Il Digital Twin potrebbe così conoscere non soltanto la geometria originaria del pezzo, ma anche una parte della sua storia di carico.
Questo tipo di integrazione è ancora lontano dall’essere dimostrato nello studio ERDC, ma rappresenta una delle direzioni naturali per una struttura dotata di monitoraggio permanente.
Un risultato promettente ma ancora lontano dall’applicazione operativa
La ricerca dell’U.S. Army Engineer Research and Development Center va quindi interpretata per ciò che è: una prova di fattibilità.
I ricercatori hanno dimostrato che una fibra ottica molto sottile può sopravvivere al processo di estrusione LFAM a 200 °C, rimanere inglobata nella struttura e fornire segnali coerenti durante carichi ciclici.
Hanno anche dimostrato che il sensore può essere inserito senza cambiare i normali parametri di stampa.
Allo stesso tempo hanno individuato con chiarezza i problemi ancora presenti.
Il contatto fibra-polimero del 58,2% è insufficiente per ottenere automaticamente valori assoluti di deformazione pienamente affidabili.
La porosità deve essere ridotta.
Il posizionamento deve essere automatizzato.
La zona di uscita della fibra deve essere resa robusta.
Servono sistemi di acquisizione adatti all’utilizzo sul campo.
E soprattutto è necessario aumentare notevolmente il numero dei campioni per stabilire quale effetto abbia realmente il sensore sulle prestazioni strutturali.
La parte più interessante è che il sensore nasce insieme al componente
Nonostante questi limiti, il principio introduce un cambiamento importante nella progettazione della stampa 3D di grande formato.
Normalmente si pensa prima al componente e successivamente al modo in cui controllarlo.
L’approccio ERDC permette invece di progettare contemporaneamente struttura e sistema di monitoraggio.
La posizione della fibra può diventare parte del file produttivo esattamente come il percorso dell’estrusore.
Il componente non deve più essere considerato soltanto come una geometria realizzata in materiale composito.
Può nascere fin dall’inizio come una struttura strumentata.
Per l’additive manufacturing industriale questa potrebbe diventare una caratteristica particolarmente interessante: sfruttare la costruzione strato per strato non soltanto per realizzare forme difficili, ma per incorporare funzionalità che attraverso una produzione convenzionale dovrebbero essere aggiunte successivamente.
La ricerca di Lucinda Slattery, Joelle Westcott e Zackery McClelland dell’ERDC, insieme alle tecnologie di Luna Innovations, 3DXTech, ZEISS e Instron utilizzate nella sperimentazione, mostra quindi una possibile evoluzione del Large Format Additive Manufacturing.
La stampante non produce più soltanto una grande struttura.
Produce una struttura che, almeno in prospettiva, può essere capace di raccontare come è stata fabbricata, quali carichi ha subito e come sta cambiando durante la propria vita operativa.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
