ITRM930253A1 - Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche, ovvero di sensori a fibra ottica, all'interno di manufatti in materiale composito. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:
PROCEDIMENTO PER L 'INGLOBAMENTO DI FIBRE OTTICHE, OVVE-RO DI SENSORI A FIBRA OTTICA. ALL?INTERNO DI MANUFATTI IN MATERIALE COMPOSITO;
RIASSUNTO TECNICO
Metodo per consentire l'introduzione, 1'inglobamento e la fuoriuscita di fibre ottiche, all'interno di una parte in materiale composito, durante il processo di fabbricazione.
L 'inglobamento delle fibre ottiche viene fatto allo scopo di poter effettuare una diagnostica di grandezze meccaniche, termiche, chimiche all'interno della parte, durante il processo di consolidamento del materiale composito, al termine di tale processo e durante l'impiego della parte stessa.
Il metodo di inglobamento prevede l'impiego di un utensile idoneo all?attraversamento del materiale composito nelle zone di ingresso/uscita della fibra ottica. Il metodo suddetto, inoltre, prevede l?uso di materiale a base di gomma sintetica incollabile e compatibile con il materiale composito, nelle stesse zone di ingresso/uscita. Il metodo prevede ancora degli elementi di protezione ancorati alla struttura per la protezione dei tratti di sensore esterni alla struttura stessa e per il fissaggio dei connettori di estremit?. Tale soluzione ha il vantaggio di mantenere l'integrit? della fibra ottica nelle zone critiche di ingresso/uscita, e inoltre di permettere un'agevole manipolazione della stessa per successivi necessari collegamenti a opportune strumentazioni/apparecchiature di misura e/o controllo.
L?impiego di tale metodo di inglobamento pu?, per esempio, trovare applicazione nell'industria aerospaziale per la diagnostica ed il controllo attivo di strutture in materiale composito, a bordo di velivoli, satelliti, etc. ("Smart Structures").
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce a un procedimento di inglobamento di fibre ottiche, ovvero sensori a fibra ottica, all?interno di manufatti in materiale composito, allo scopo di effettuare la diagnostica di grandezze meccaniche, termiche, chimiche all'interno delle parti durante e dopo il.processo di consolidamento del materiale composito e durante l'impiego della parte stessa per la finalit? per la quale essa ? stata realizzata.
Tale metodo pu? essere applicato particolarmente, ma non esclusivamente, per l'inglobamento di sensori a fibra ottica in strutture in composito di tipo aeronautico, realizzate con differenti processi. Tra questi un esempio di applicazione ? quello di laminati in fibra di carbonio con matrice polimerica, ottenuti con processo di consolidamento dei vari strati e polimerizzazione in autoclave con un ciclo di temperatura e pressione.
II procedimento sopra descritto trova applicazione per realizzare sistemi di monitoraggio e controllo di grandezze fisiche su strutture in composito, sia in prove di laboratorio sia in servizio.
L'invenzione comporta una semplificazione ed un miglioramento nel processo di fabbricazione di strutture in materiale composito con fibre ottiche inglobate. Essa trova vantaggiosa applicazione soprattutto nel campo delle costruzioni aeronautiche, spaziali; costruzioni navali, ferroviarie; strutture per "stands"; strutture militari da campo (ponti, strade); strutture per apparecchiature medicali; costruzioni automobilistiche; e dovunque siano richieste strutture di minimo peso, alta efficienza strutturale e miglioramento della qualit?.
L'applicazione di sensori a fibra ottica per diagnostica di strutture in composito richiede l'inglobamento di fibre ottiche tra gli strati di materiale non ancora polimerizzato.
Al termine del processo di fabbricazione di una struttura in materiale composito, le fibre ottiche devono essere collegate alla strumentazione optoelettronica per effettuare l'analisi dei segnali ottici, viaggianti all'interno della fibra, che trasportano informazioni relative ai parametri meccanici, termici etc.
Le fibre ottiche non possono uscire dal manufatto attraverso il bordo esterno a causa della necessaria rifilatura dei bordi, alla quale il manufatto stesso viene sottoposto.
Inoltre il metodo di inglobamento deve essere semplice, di facile applicazione durante le fasi di fabbricazione, e idoneo a preservare l'integrit? della fibra ottica e la qualit? della parte prodotta.
Qualsiasi tipo di fibra ottica pu? essere impiegato con questo metodo.
La fibra ottica ha buone caratteristiche di resistenza meccanica quando sottoposta a carichi di trazione/compressione, ma ha una sensibile fragilit? quando sottoposta a flessione con piccoli raggi di curvatura. Nel caso in cui la fibra fuoriesca dalla parte senza alcun accorgimento, vi sono elevate possibilit? che essa subisca una rottura proprio nel punto di fuoriuscita. Le suddette caratteristiche della fibra ottica, associate alla complessit? del processo di fabbricazione dei compositi, rendono l'inglobamento un punto cruciale dello sviluppo delle "Smart Structures".
Il procedimento qui descritto, che forma oggetto della presente domanda di brevetto, risulta essere efficace e trova applicazione industriale per parti in materiale composito.
L?inglobamento di sensori a fibra ottica all'interno di manufatti in materiale composito a matrice polimerica ? realizzato collocando la fibra ottica fra strati contigui di materiale di rinforzo.
Successivamente il manufatto ? sottoposto al processo di polimerizzazione mediante un ciclo di temperatura e pressione richiesto dalla natura della matrice polimerica.
La fibra ottica deve essere collocata in modo da entrare e uscire dal manufatto, per poter essere collegata con la strumentazione necessaria alla generazione ed all'analisi dei segnali ottici trasportati dalla fibra stessa.
Allo stato presente della tecnica, l'ingresso e l'uscita della fibra ottica dal manufatto venivano realizzati (Fig. 6) facendo sporgere gli estremi liberi della fibra 2 dai bordi 12 del manufatto stesso, con complessi sistemi di protezione della fibra che avevano lo scopo di evitarne la rottura durante e dopo il processo di fabbricazione del manufatto.
Gli inconvenienti intrinsecamente connessi con l'uso di tali sistemi di protezione sono:
(a) difficolt? di effettuare le operazioni di rifilatura perimetrale, necessarie per avere il manufatto nella forma e nelle dimensioni richieste dal progetto, rimuovendo la fascia perimetrale caratterizzata da disuniformit? nel contenuto di resina e nell'orientamento delle fibre di rinforzo, tutto ci? senza danneggiare o recidere le fibre ottiche uscenti dai bordi di estremit? del manufatto; (b) elevata probabilit? di rottura della fibra ottica nei punti di ingresso e uscita della stessa dal manufatto, a causa della camicia di resina che si forma attorno alla fibra ottica durante il processo di polimerizzazione; questa camicia di resina produce nei punti di ingresso e uscita un vincolo rigido che provoca la rottura della fibra ottica nei suddetti punti, appena essa subisce flessioni anche di lieve entit?;
(c) estrema difficolt? di manipolazione dei manufatti, a causa di quanto detto al punto (b), in tutte le operazioni successive alla polimerizzazione del manufatto stesso, e comprendenti in particolare l'installazione dei connettori agli estremi delle fibre ottiche per il collegamento con la strumentazione di analisi e misura.
Il procedimento oggetto dell'invenzione consiste nel proteggere, mediante un dischetto di gomma incollato sulla superficie del manufatto, i punti di ingresso e uscita della fibra ottica dal manufatto stesso. Inoltre il metodo prevede l'uso di elementi fissati alla struttura per la protezione, dopo 1'inglobamento, dei tratti di sensore esterni alla struttura stessa e per il fissaggio dei connettori. Il suddetto procedimento migliora lo stato presente della tecnica, in quanto esso, con riferimento alle figure 3, 5 e 6 e ai tre punti (a), (b), (c) sopra elencati:
(a) permette l'ingresso e l'uscita della fibra ottica 2 attraverso la superficie 11 del manufatto, anzich? attraverso bordi di estremit? 12, eliminando cos? tutte le difficolt? connesse con la rifilatura del manufatto in presenza di fibre ottiche;
(b) assicura un'alta resistenza della fibra nei punti di ingresso e uscita dalla superficie del manufatto, in quanto la presenza del dischetto di gomma 5 impedisce la formazione della camicia di resina sopra descritta e nel contempo produce un vincolo elastico per la fibra ottica nei punti di ingresso e uscita; assicura inoltre un'efficace protezione dei tratti di sensore esterni alla struttura ed ai connettori d'estremit? 3;
(c) per quanto detto al punto (b), sono eseguibili con facilit? operazioni aggiuntive di rifinitura e di assemblaggio delle parti, assicurando l'integrit? della fibra ottica
Sono qui appresso elencate le figure allegate:
Fig. 1: Collocazione della fibra ottica nel manufatto:
(1) pacchetto pre-compattato di strati di materiale pre-impregnato non polimerizzato; (2) fibra ottica;
(5) dischetto di gomma;
(10) ago cavo per il passaggio della fibra ottica;
Fig. 2: Schema di stratificazione e sacco a vuoto:
(1) pacchetto pre-compattato di strati di materiale pre-impregnato non polimerizzato; (2) fibra ottica;
(5) dischetto di gomma;
(6) film separatore;
(7) tessuto di ventilazione;
(8) film per sacco a vuoto;
(13) attrezzo di stratificazione e polimerizzazione;
(14) sigillante;
(15) valvola per collegamento all'apparecchiatura di vuoto;
Fig.3: Schema di collocazione del connettore sul manufatto:
(1) pacchetto pre-compattato di strati di materiale pre-impregnato non polimerizzato; (2) fibra ottica;
(3) connettore per fibra ottica;
(4) elemento per fissare il connettore sul manufatto e per proteggere la fibra ottica;
Fig.4: Schema d'ingresso e uscita di pi? fibre ottiche dal manufatto (vista in pianta) secondo l'invenzione:
(2) fibra ottica;
(5) dischetto di gomma;
(9) manufatto di materiale composito; Fig.5: Schema di ingresso e uscita di una fibra ottica dal manufatto (vista in sezione) secondo l'invenzione:
(2) fibra ottica;
(5) dischetto di gomma;
(9) manufatto di materiale composito;
(11) superficie del manufatto;
(12) bordo del manufatto;
Fig.6: Schema d'ingresso e uscita di una fibra ottica dal manufatto (vista in sezione) secondo lo stato presente della tecnica:
(2) fibra ottica;
(9) manufatto di materiale composito;
(11) superficie del manufatto;
(12) bordo del manufatto.
L'invenzione ? ora descritta a scopo illustrativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure allegate.
Per procedere alla fabbricazione di manufatti in composito inglobanti fibre ottiche ovvero sensori a fibre ottiche, in un unico ciclo di polimerizzazione, devono essere disponibili i seguenti materiali, strumentazione ed impianti:
rotolo di carboresina o simili, cio? materiale preimpregnato a matrice polimerica, rinforzato con fibre di varia natura (quali carbonio, aramidico, vetro, e simili), disposto in uno strato superiore la e in uno strato inferiore lb;
fibra ottica 2, o sensori a fibra ottica, compatibile con il processo di polimerizzazione del manufatto;
- dischetti di gomma 5 incollabili sul materiale pre-impregnato nello stesso ciclo di polimerizzazione di quest'ultimo;
ago cavo 10 per il passaggio della fibra ottica attraverso gli strati di materiale pre-impregnato;
film separatore 6 per isolare la fibra ottica dalla superficie del laminato;
- tessuto di ventilazione 7 per favorire l?aspirazione dell?aria;
connettore 3 per la fibra ottica;
elemento 4 di fissaggio del connettore sul manufatto per la protezione della fibra ottica;
- altri materiali ausiliari che consentano di realizzare il sacco a vuoto;
attrezzo 13 di stratificazione e polimerizzazione;
- area con ambiente controllato per quanto riguarda temperatura, umidit? e contenuto di polvere;
autoclave, cio? recipiente chiuso che consenta di realizzare un ciclo di temperatura e pressione.
Si descrive ora il procedimento, sempre a scopo illustrativo e non limitativo, che rappresenta la versione presentemente preferita dagli inventori. Nulla toglie, tuttavia, che esso possa essere realizzato anche in modo diverso, lasciando immutati i concetti fondamentali dell?invenzione.
Quanto nel seguito descritto si riferisce, a titolo di esempio, al procedimento d'inglobamento di fibre ottiche, ovvero di sensori a fibra ottica, all'interno di un manufatto a geometria piana in solido laminato. Tale procedimento pu? essere esteso senza alcuna limitazione a strutture di geometria complessa e/o a strutture "sandwich?, come quelle con inserti a nido d?ape.
Il procedimento in questione consiste nell'effettuare le seguenti operazioni:
tagliare gli strati di materiale preimpregnato secondo i requisiti di progetto;
- sovrapporre e compattare gli strati per formare i due pacchetti la e lb di preimpregnato;
collocare sulla superficie 11, in corrispondenza di ciascuno dei punti di ingresso e uscita delle fibre ottiche 2 dal manufatto, un dischetto di gomma 5;
applicare sulla superficie 11 uno strato di film separatore 6 ed eseguire la compattazione per mezzo di sacco a vuoto;
perforare con aghi cavi 10, in corrispondenza dei dischetti di gomma 5, il pacchetto superiore la, lasciando gli aghi 10 in posizione;
infilare negli aghi 10 la fibra ottica 2;
estrarre gli aghi 10;
porre in tensione la fibra ottica 2;
assicurare gli estremi della fibra ottica 2 al film separatore 6;
sovrapporre il pacchetto superiore la al pacchetto inferiore lb;
eseguire la compattazione dei due pacchetti la e lb mediante sacco a vuoto;
- preparare il sacco a vuoto finale sovrapponendo al pacchetto finale (risultante dall'unione del pacchetto la con il pacchetto lb) un film di separatore 6, un tessuto di ventilazione 7 ed un film da sacco 8;
- sigillare il film da sacco 8 sull?attrezzo 13 mediante il sigillante 14;
applicare sul sacco a vuoto la valvola 15 ed aspirare l'aria contenuta nel sacco;
- portare l'assieme in autoclave o forno o simili ed applicare il processo richiesto per la polimerizzazione;
- disfare il sacco a vuoto e rifilare il manufatto lungo il contorno;
- applicare gli elementi di protezione 4 in corrispondenza dei dischetti di gomma 5;
- applicare i connettori 3 alle estremit? delle fibre ottiche 2;
fissare i connettori 3 nelle apposite sedi degli elementi di protezione 4.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all'interno di manufatti in materiale composito, caratterizzato dal fatto che per eseguire detto procedimento sono necessari i seguenti materiali, strumenti e impianti: - rotolo di carboresina o simili, cio? materiale preimpregnato a matrice polimerica, rinforzato con fibre di varia natura (guali carbonio, aramidico, vetro, e simili), disposto in uno strato superiore (la) e in uno strato inferiore (lb); fibra ottica (2), o sensori a fibra ottica, compatibile con il processo di polimerizzazione del manufatto; - dischetti di gomma (5) incollabili sul materiale pre-impregnato nello stesso ciclo di polimerizzazione di quest?ultimo; ago cavo (10) per il passaggio della fibra ottica attraverso gli strati di materiale pre-impregnato; film separatore (6) per isolare la fibra ottica dalla superficie del laminato; tessuto di ventilazione (7) per favorire l'aspirazione dell'aria; connettore (3) per la fibra ottica; elemento (4) di fissaggio del connettore sul manufatto per la protezione della fibra ottica; altri materiali ausiliari che consentano di realizzare il sacco a vuoto; attrezzo (13) di stratificazione e polimerizzazione; area con ambiente controllato per quanto riguarda temperatura, umidit? e contenuto di polvere; autoclave, cio? recipiente chiuso che consenta di realizzare un ciclo di temperatura e pressione. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all'interno di manufatti in materiale composito, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dalle seguenti operazioni: tagliare gli strati di materiale preimpregnato secondo i requisiti di progetto; sovrapporre e compattare gli strati per formare i due pacchetti (la) e (lb) di preimpregnato; collocare sulla superficie (11), in corrispondenza di ciascuno dei punti di ingresso e uscita delle fibre ottiche (2) dal manufatto, un dischetto di gomma (5); applicare sulla superficie (11) uno strato di film separatore (6) ed eseguire la compattazione per mezzo di sacco a vuoto; perforare con aghi cavi (10), in corrispondenza dei dischetti di gomma (5), il pacchetto superiore (la), lasciando gli aghi (10) in posizione; infilare negli aghi (10) la fibra ottica (2); estrarre gli aghi (10); porre in tensione la fibra ottica (2); assicurare gli estremi della fibra ottica (2) al film separatore (6); I sovrapporre il pacchetto superiore (la) al pacchetto inferiore (lb); eseguire la compattazione dei due pacchetti (la) e (lb) mediante sacco a vuoto; preparare il sacco a vuoto finale sovrapponendo al pacchetto finale, risultante dall'unione del pacchetto superiore (la) con-il pacchetto inferiore (lb), un film di separatore (6), un tessuto di ventilazione (7) ed un film da sacco (8); sigillare il film da sacco (8) sull'attrezzo (13) mediante il sigillante (14); - applicare sul sacco a vuoto la valvola (15) ed aspirare l'aria contenuta nel sacco; portare l'assieme in autoclave o forno o simili ed applicare il processo richiesto per la polimerizzazione; - disfare il sacco a vuoto e rifilare il manufatto lungo il contorno; applicare gli elementi di protezione (4) in corrispondenza dei dischetti di gomma (5); - applicare i connettori (3) alle estremit? delle fibre ottiche (2); fissare i connettori (3) nelle apposite sedi degli elementi di protezione (4). 3. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all1interno di manufatti in materiale composito, secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che le direzioni d'ingresso e d'uscita delle fibre ottiche (2) dal manufatto formano un angolo diverso da zero rispetto al piano di stratificazione delle fibre di rinforzo, nel caso in cui il manufatto sia un pannello piano; ovvero caratterizzato dal fatto che le direzioni d'ingresso e d'uscita delle fibre ottiche (2) dal manufatto formano un angolo diverso da zero rispetto al piano tangente alla superficie di stratificazione delle fibre di rinforzo, nel caso in cui il manufatto abbia forma complessa. 4. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all1interno di manufatti in materiale composito, secondo le rivendicazioni 1, 2 e 3, caratterizzato dal fatto che la fibra ottica, nei punti d'ingresso e d'uscita dal manufatto, ? protetta da dischetti di gomma (5) che ne preservano l'integrit?. 5. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all'interno di manufatti in materiale composito, secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il desiderato angolo d'ingresso e d'uscita della fibra ottica dal manufatto ? ottenuto usando aghi cavi (10) inseriti attraverso il pacchetto (la) durante la stratificazione e che vengono estratti prima del consolidamento. 6. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all'interno di manufatti in materiale composito, secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che gli aghi cavi (10), che attraversano gli stratificati, realizzano condotti di attraversamento e scorrimento a bassissimo attrito che consentono il movimento della fibra ottica per il corretto posizionamento senza possibilit? di danneggiamento. 7. Procedimento per l'inglobamento di fibre ottiche ovvero di sensori a fibre ottiche all'interno di manufatti in materiale composito, secondo le precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che in corrispondenza dei punti d'ingresso e d?uscita della fibra ottica dal manufatto sono disposti opportuni elementi (4) solidali al manufatto per proteggere la fibra ottica (2) ed il connettore (3).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| TA | Fee payment date (situation as of event date), data collected since 19931001 |
Effective date: 19990220 |