I materiali intelligenti offrono la possibilità di integrare funzioni attive nella struttura primaria in materiale composito. Questo progetto mira allo studio di un sistema di monitoraggio integrato in una struttura aeronautica quale una superficie portante. Tra i possibili materiali, quelli che offrono i maggiori vantaggi in termini di sensibilità e di processo tecnologico sono i piezoceramici. La ricerca si propone di studiare, realizzare e testare una superficie alare in materiale composito laminato dotata di una rete di sensori piezoelettrici distribuiti immersi nella sequenza di laminazione. Una fase di studio attraverso analisi strutturali con accoppiamento elettromeccanico piezoelettrico e analisi multicorpo su modelli numerici, realizzati con approcci agli elementi finiti (FEM) e ai continui finiti (CEM), permetterà di ottenere la configurazione ottimale che verrà realizzata nella successiva fase di manifattura. Il sistema verrà sottoposto ad un campo di sollecitazioni aerodinamiche in galleria del vento e montato su una piattaforma flottante per simulare a terra un comportamento di dinamica libera. Il comportamento della rete di sensori piezo, la cui operatività verrà monitorata in termini di segnale, capacità e resistenza elettriche, permetterà di ricostruire lo stato di sollecitazione a cui istantaneamente la struttura è sottoposta.
Se da un lato c¿è molto interesse nello sviluppare la tecnologia dei materiali piezoelettrici in sinergia con i compositi, soprattutto ai fini del monitoraggio dell¿integrità strutturale ma non solo, citiamo la riduzione delle vibrazioni, il morphing strutturale, l¿energy harvesting, dall¿altro lo stato dell¿arte presente nella letteratura scientifica è fortemente limitato a sviluppi teorici [1]. La componente sperimentale della ricerca sui piezoelettrici inglobati nei compositi è carente in letteratura; possiamo citare un lavoro [2] in cui vengono effettuate delle prove comparative unicamente a trazione su provini in cui si è variata la modalità di inglobamento del sensore e mirati esclusivamente a valutare la resistenza del composito. Lo scopo di questo lavoro è concepire e produrre un sistema costituito da rete di sensori da applicare a una struttura aeronautica sperimentale per monitorare i suoi parametri strutturali come deformazioni, sforzi, frequenze e modi propri. Ci si propone poi di incorporare tale sistema su una struttura di tipo aeronautico (ala) di ridotte dimensioni, ottenendo un dimostratore per una gamma più ampia e più avanzata di applicazioni. Il dimostratore può infatti essere facilmente utilizzato a modello di una struttura più complessa come un aereo, un lanciatore, un satellite o una piattaforma aerospaziale, terrestre o navale. Fornire una struttura aeronautica di un sistema di monitoraggio intrinseco trova grande utilità non solo in condizioni operative ma anche durante tutte le fasi di vita della struttura stessa. Ad esempio durante tutti i test di qualifica, durante le fasi di trasporto/spostamento e assemblaggio, ai controlli pre-volo e alle ispezioni post-volo. Questa è un'importante applicazione della ricerca con ampie ricadute in un contesto industriale. Un ulteriore contributo che rende innovativa la ricerca è quello di entrare nel merito dell¿interazione tra sensori piezo e struttura. L¿ operatività della rete di sensori viene rilevata attraverso la misura continua dei segnali che essa produce. In tal modo è possibile stabilire i limiti operativi entro cui è possibile agire e la sensibilità verso sollecitazioni aerodinamiche esterne, parametro determinante per l¿ottimizzazione dei circuiti elettrici a valle della rete di sensori stessi.
[1] T.H. Brockmann: Theory of Adaptive Fiber Composites, From Piezoelectric Material Behavior to Dynamics of Rotating Structures. Springer, 2009
[2] M. Wiedermann and M. Sinapius: Adaptive, tolerant and efficient composite structures. Springer, 2013