Development of a fiber optic technique for process monitoring of composite structural elements

The scope of the present thesis work has been to investigate the use of FRR (Fresnel Reflection Refractometer) fiber optic sensors for monitoring LRI (Liquid Resin Infusion) production processes of composite materials. These processes are characterized by two distinct phases: the infusion of the resin in the liquid state, which must completely wet the entire preform, and the curing phase, in which the material reaches the desired characteristics. In order to achieve highly performing structural components, a control of the production process is essential, since most of the defects, which can then lead to the damage and the failure of the component, originate during the production phase. Among the various monitoring techniques available, those in optical fiber have numerous advantages, first of all the very small dimensions which reduce the invasiveness on the structure to be monitored. The FRR type optical fiber sensors are also very economical and therefore, a monitoring technique based on their use can be advantageously applied also in the production of large components. Through a series of various tests on an epoxy resin, it was possible to prove the ability of the FRR fibers both to detect the arrival of the resin and to follow the cross-linking reaction, identifying the main phases that characterize it: gelation and vitrification. The technique developed was then used to monitor an LRI production process in which a composite panel was made.

Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di indagare l’uso dei sensori a fibra ottica di tipo FRR (Fresnel Reflection Refractometer) per il monitoraggio dei processi produttivi LRI (Liquid Resin Infusion) dei materiali compositi. Tali processi sono caratterizzati da due fasi ben distinte: l’infusione della resina allo stato liquido, che deve bagnare completamente l’intera preforma, e la fase di reticolazione, in cui il materiale raggiunge le caratteristiche desiderate. Al fine di realizzare componenti strutturali altamente prestanti, è indispensabile un controllo del processo produttivo, poichè la maggior parte dei difetti, che possono poi portare al danneggiamento del componente, hanno origine durante la fase di produzione. Tra le varie tecniche di monitoraggio disponibili, quelle in fibra ottica hanno numerosi vantaggi, primo fra tutti le dimensioni molto contenute che ne riducono l’invasività nella struttura da monitorare. I sensori in fibra ottica di tipo FRR inoltre, sono molto economici e pertanto, una tecnica di monitoraggio basata sul loro impiego può essere applicata vantaggiosamente anche nella produzione di componenti di grandi dimensioni. Attraverso una serie di test di vario tipo su una resina epossidica è stato possibile comprovare l’abilità delle fibre FRR sia di rilevare l’arrivo della resina, sia di seguirne la reazione di reticolazione, individuando le principali fasi che la caratterizzano: la gelazione e la vetrificazione. La tecnica messa a punto è stata quindi utilizzata per il monitoraggio di un processo produttivo LRI in cui si è realizzato un pannello in materiale composito.