Development of structural monitoring systems based on optical fibres exploiting additive manufacturing technology

This thesis work focuses on the introduction of sensorised optical fibres used for structural monitoring within structures manufactured using additive manufacturing technology. In recent years, the use of structural monitoring systems has become increasingly common in the aerospace industry. These systems allow real-time and continuous acquisition of certain physical quantities associated with the application of loads on the structure or the modification of the structure itself. The use of sensorised optical fibres, used as an acquisition system, is very effective for this type of monitoring, thanks in particular to the acquisition methodology using the sensors inscribed on the optical fibre. Additive manufacturing technology makes it possible to develop structural components with geometric characteristics that are often difficult to reproduce using standard technologies. The DIAManT project has been developed on the basis of these technologies. The aim of this project is to study and develop strategies for integrating optical fibre systems within specific structures, using additive manufacturing to produce the structures with specific geometries depending on the integration strategy of the optical fibre. This thesis work uses some of the considerations and results learned from the DIAManT project, and has three objectives. The First is to study two strategies for integrating optical fibres into structures produced by additive manufacturing. To do this, technological demonstrators are built to study the two integration strategies. Subsequently, experimental tests are carried out to characterise the response of the demonstrators in the light of the integration strategies. Finally, numerical models of the demonstrators are created to validate the experimental data and to analyse further characteristics. The Second objective aims at defining a procedure for the production of a metal-carbon hybrid structure sensed by optical fibres. Technological tests are carried out to identify critical aspects and to define a definitive production procedure. Finally, experimental tests are carried out to verify the behaviour of the hybrid structure. The Third objective aims to improve the algorithm that processes data acquired by means of optical fibres and allows the identification of the load applied to the structure built by additive manufacturing. The conclusions of this work are manifold: the integration strategies of the optical fibres are functional and the numerical models validate the experimental data; the procedure for the production of the hybrid structure is effective and the most important criticalities are defined; the improved and more robust identification algorithm allows the correct identification of the applied load.

Questo lavoro di tesi si focalizza sull'introduzione di fibre ottiche sensorizzate utilizzate per il monitoraggio strutturale all'interno di strutture prodotte mediante la tecnologia di manifattura additiva. Negli ultimi anni, l'utilizzo di sistemi di monitoraggio strutturale è diventato sempre più frequente in ambito aerospaziale. Questi sistemi permettono di acquisire in tempo reale e in modo continuo determinate grandezze fisiche associate all'applicazione dei carichi sulla struttura o alla modifica della struttura stessa. L'utilizzo delle fibre ottiche sensorizzate, usate come sistema di acquisizione, risulta essere molto efficace per questo genere di monitoraggio, grazie in particolare alla metodologia di acquisizione tramite i sensori inscritti nella fibra ottica. La tecnologia della manifattura additiva permette di sviluppare componenti strutturali aventi caratteristiche geometriche spesso difficilmente riproducibili con tecnologie standard; in questo senso tale tecnologia può essere sfruttata per la realizzazione di geometrie che ottimizzano la struttura stessa. Sulla base di queste tecnologie è stato sviluppato il progetto DIAManT. Esso ha l'obiettivo di studiare e sviluppare delle strategie di integrazione di sistemi di fibre ottiche all'interno di specifiche strutture, sfruttando proprio la manifattura additiva per produrre le strutture stesse con geometrie specifiche dipendentemente dalla strategia di integrazione della fibra ottica. Il lavoro di tesi utilizza alcune delle considerazioni e alcuni dei risultati appresi dal progetto DIAManT, e si pone tre obiettivi. Il Primo è quello di studiare due strategie di integrazione di fibre ottiche all'interno di strutture prodotte mediante manifattura additiva. Per far ciò, vengono realizzati dei dimostratori tecnologici per studiare le due strategie di integrazione. Successivamente vengono effettuate delle prove sperimentali per caratterizzare la risposta dei dimostratori alla luce delle strategie in integrazione. Infine vengono creati dei modelli numerici dei dimostratori per convalidare i dati sperimentali e per analizzare ulteriori caratteristiche. Il Secondo obiettivo mira a definire una procedura per la produzione di una struttura ibrida metallo-carbonio sensorizzata mediante fibre ottiche. Vengono dunque realizzate delle prove tecnologiche per l'individuazione di aspetti critici e per la definizione di una procedura di produzione definitiva. Infine vengono realizzate delle prove sperimentali per verificare il comportamento della struttura ibrida realizzata. Il Terzo obiettivo punta a migliorare l'algoritmo che elabora dati acquisiti mediante fibre ottiche e permette l'identificazione del carico applicato alla struttura costruita mediante manifattura additiva. Le conclusioni di questo lavoro sono molteplici: le strategie di integrazione delle fibre ottiche sono funzionali e i modelli numerici convalidano i dati sperimentali; la procedura per la produzione della struttura ibrida è efficace e le criticità più importanti vengono definite; l'algoritmo di identificazione, migliorato e reso maggiormente robusto, permette la corretta identificazione del carico applicato.