IT202100010649A1 - Elemento cilindrico in composito sensorizzato per un dispositivo ammortizzatore - Google Patents

Elemento cilindrico in composito sensorizzato per un dispositivo ammortizzatore Download PDF

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IT202100010649A1
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IT
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cylindrical element
optical fiber
protective housing
monitoring system
composite material
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IT102021000010649A
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Paolo Bettini
Daniela Rigamonti
Gabriele Sciamé
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Milano Politecnico
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Description

DESCRIZIONE
Della Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal Titolo:
?ELEMENTO CILINDRICO IN COMPOSITO SENSORIZZATO PER UN DISPOSITIVO AMMORTIZZATORE?
Settore tecnico
La presente invenzione riguarda componenti per sistemi di sospensione/ammortizzatori. In particolare, la presente invenzione riguarda un elemento cilindrico per un dispositivo ammortizzatore per un veicolo o velivolo, come ad esempio un motoveicolo, una bicicletta o un?automobile, un dispositivo ammortizzatore comprendente tale elemento cilindrico come suo elemento strutturale ed un metodo di fabbricazione di tale elemento cilindrico.
Stato della tecnica
Come noto, i dispositivi ammortizzatori per i veicoli o velivoli, siano essi di tipo idraulico o pneumatico, comprendono un primo elemento cilindrico, comunemente chiamato fodero, generalmente riempito con un fluido viscoso, come ad esempio olio, nel quale scorre un pistone solidale con un secondo elemento cilindrico o stelo a sua volta collegato al telaio del veicolo. In un veicolo, ad esempio, l?ammortizzatore serve ad assorbire l?oscillazione della sospensione del veicolo ossia della ruota alla quale, come noto, ? collegato. In particolare, in un motoveicolo, la forcella anteriore comprende una coppia di ammortizzatori che connettono l?asse della ruota anteriore al canotto di sterzo del telaio e servono ad assorbire le oscillazioni dovute al contatto della ruota anteriore con il terreno, determinando la risposta del motoveicolo ai comandi del pilota.
Dispositivi ammortizzatori sono comunemente utilizzati anche nel settore aeronautico, ad esempio per l?ammortizzazione dei carrelli di atterraggio degli aerei, nel settore industriale, ad esempio per l?ammortizzazione degli appoggi di macchinari, o nel settore edile, ad esempio nei sistemi di isolamento dalle vibrazioni che possono essere applicati a strutture come edifici o ponti.
? altres? noto utilizzare materiali compositi per elementi strutturali di veicoli, ad esempio per il telaio di una bicicletta, oppure per componenti strutturali aeronautici, nelle scocche degli autoveicoli, oppure ancora per componenti navali, grazie alle elevate propriet? meccaniche e di leggerezza di tali materiali. Materiali compositi noti utilizzati per un tale tipo di applicazioni possono comprendere una matrice polimerica, ad esempio in resina epossidica, rinforzata con fibre continue, ad esempio di carbonio.
Alcune applicazioni sono descritte nei documenti citati di seguito. US7574074 descrive un metodo per rilevare cricche in un telaio di bicicletta in fibra di carbonio utilizzando una fibra ottica incorporata. La riflettometria ottica nel dominio del tempo viene impiegata per rilevare crepe nel telaio di una bicicletta realizzato con fibre di carbonio che si intrecciano con una fibra ottica monomodale. La fibra ottica monomodale viene quindi incorporata nel telaio della bicicletta e consolidata con le fibre di carbonio durante un processo di fabbricazione del telaio della bicicletta. L'integrazione della fibra ottica monomodale, che ha un diametro piccolo, basso costo e leggera, nel telaio della bicicletta aggiunge poco al costo di produzione e al peso del telaio della bicicletta. La fibra ottica consolidata all'interno del telaio della bicicletta pu? essere collegata a un riflettometro ottico nel dominio del tempo per rilevare efficacemente torsioni o crepe delle fibre di carbonio nel telaio della bicicletta, sia come controllo di qualit? nel processo di produzione che come controllo di sicurezza dopo che il telaio della bicicletta frame ? stato utilizzato per un po? di tempo.
US 9,589,707 B2 descrive un telaio in composito di bicicletta che comprende un telaio principale con tubi interconnessi e sostanzialmente composto da un materiale composito e avente una struttura di stratificazione composita. Almeno un cavo elettrico collega elettricamente i componenti elettrici montati su o nel telaio. Almeno un filo elettrico ? incorporato nella struttura di materiale composito che forma il telaio principale composito. Il filo elettrico ha estremit? conduttive collegabili a ciascuna delle sue estremit? opposte.
KR 102018195 B1 descrive un sistema di monitoraggio per bicicletta, con cui ? possibile monitorare la deformazione o il danneggiamento di un telaio di bicicletta durante la guida o non alla guida di una bicicletta. Il sistema di monitoraggio di biciclette include: una o pi? fibre ottiche inserite in essa o attaccate ad una superficie esterna di un lato lungo una direzione longitudinale di un telaio di bicicletta che forma un telaio della bicicletta; uno o pi? sensori a reticolo di Bragg in fibra ottica previsti per formare un reticolo di Bragg sulla fibra ottica e riflettere solo una lunghezza d'onda corrispondente al reticolo; e un'unit? di controllo che determina se il telaio della bicicletta ? deformato o danneggiato a causa di una variazione della lunghezza d'onda riflessa dal sensore a reticolo di Bragg in fibra ottica.
Sommario dell?invenzione
Gli inventori hanno notato che un dispositivo ammortizzatore comprendente elementi strutturali (ossia il fodero e/o lo stelo) in materiale composito pu? essere dotato di un sistema di monitoraggio (un cosiddetto ?Heatlh and Usage Monitoring System? o HUMS) che consenta di avere dati in tempo reale sullo stato di deformazione cui sono sottoposti gli elementi strutturali del dispositivo stesso. A partire dallo stato di deformazione di tali elementi ? possibile derivare informazioni sia sull?integrit? che sullo stato ?di salute? e di uso del dispositivo, cos? come informazioni sulle sollecitazioni applicate al dispositivo ammortizzatore stesso. Gli inventori hanno quindi notato che ? possibile sensorizzare almeno uno degli elementi strutturali di un dispositivo ammortizzatore dotandolo del sistema di monitoraggio sopradetto. Tale sistema pu? essere realizzato mediante alcuni sensori basati sulla trasmissione della luce in una o pi? fibre ottiche integrate nel materiale composito ed in particolare incorporate tra le lamine di tale materiale durante il processo di laminazione dello stesso, e mediante accorgimenti che consentano di acquisire i dati rilevati dai sensori in maniera veloce ed efficiente, ad esempio semplicemente collegando la fibra ad un?unit? di acquisizione dati in modalit? ?plug and play?. Gli inventori hanno notato che diverse tipologie di sensori sono basate sulla trasmissione della luce in fibra ottica, adattandosi ad esigenze di misura differenti. Alcuni esempi di sensori sono: sensori FBG (Fiber Bragg Grating) e LPG (Long Period Grating) per una misura puntuale o quasi-distribuita con molti punti di misura sulla stessa fibra; sensori basati su fenomeni di scattering (Reyleigh, Brillouin o Raman) per una misura distribuita su tutta la lunghezza di fibra (km); sensori interferometrici per una misura integrale lungo uno o pi? tratti di fibra ottica (da mm a decine di metri). Al contempo, gli inventori hanno notato che ? necessario minimizzare l?invasivit? della fibra ottica nel dispositivo (ossia, ad esempio, evitare la presenza di giunti, che risulterebbero troppo voluminosi) per mantenere contenute le dimensioni e la leggerezza del dispositivo stesso e per evitare di indurre possibili danneggiamenti nella struttura .
La Richiedente ha quindi affrontato il problema di fornire un elemento cilindrico per un dispositivo ammortizzatore, realizzato in materiale composito e dotato di un sistema integrato di monitoraggio basato su fibra ottica che consenta di avere dati in tempo reale sullo stato del dispositivo e che consenta, al contempo, di minimizzare l?invasivit? della fibra ottica nel dispositivo stesso.
Secondo un primo aspetto, la presente invenzione riguarda un elemento cilindrico per un dispositivo ammortizzatore comprendente: - un corpo cilindrico in un materiale composito;
- un sistema di monitoraggio configurato per fornire dati di monitoraggio indicativi dello stato dell?elemento cilindrico, il sistema di monitoraggio comprendendo una fibra ottica collegata, ad una sua estremit?, ad un apparato di connessione per collegare la fibra ottica ad un?unit? di acquisizione dei dati di monitoraggio;
- un alloggiamento di protezione configurato per alloggiare almeno l?apparato di connessione,
in cui il sistema di monitoraggio e l?alloggiamento di protezione sono incorporati nel materiale composito.
Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, il sistema di monitoraggio comprende un numero di sensori di deformazione in fibra ottica. In particolare, i sensori possono essere sensori di tipo FBG.
Preferibilmente, la fibra ottica comprende un rivestimento in materiale resistente ad alte temperature, ossia, in particolare, resistente alle temperature dei cicli di polimerizzazione cui ? sottoposto il materiale composito, tipicamente maggiori di 120?C.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione l?apparato di connessione comprende un connettore ottico ed un adattatore.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, l?alloggiamento di protezione comprende un corpo almeno parzialmente cavo ed un tappo di chiusura del corpo. La rimozione di tale tappo consente di esporre una porzione dell?apparato di connessione per connettere dispositivi e cavi esterni.
Secondo una forma di realizzazione vantaggiosa, l?alloggiamento di protezione comprende un corpo almeno parzialmente cavo, un tappo principale ed un tappo secondario, in cui il tappo principale ha preferibilmente un foro per esporre una porzione dell?apparato di connessione utile per connettere un dispositivo o cavo esterno, ed in cui il tappo secondario ? configurato per chiudere il foro.
Preferibilmente, l?alloggiamento di protezione ? in materiale polimerico.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?alloggiamento di protezione ? inoltre configurato per alloggiare l?unit? di acquisizione in forma miniaturizzata.
Secondo un secondo aspetto, la presente invenzione riguarda un dispositivo ammortizzatore comprendente un elemento cilindrico come descritto sopra.
Secondo un terzo aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo di fabbricazione di un elemento cilindrico per un dispositivo ammortizzatore comprendente le fasi di:
a) prevedere un sistema di monitoraggio per l?elemento cilindrico, il sistema di monitoraggio essendo configurato per fornire dati di monitoraggio indicativi dello stato dell?elemento cilindrico e comprendendo una fibra ottica, in cui il sistema di monitoraggio ? collegato, ad un?estremit? della fibra ottica, ad un apparato di connessione per collegare la fibra ottica ad un?unit? di acquisizione dei dati di monitoraggio;
b) assemblare il sistema di monitoraggio, collegato all?apparato di connessione, con un alloggiamento di protezione atto ad alloggiare almeno l?apparato di connessione;
c) deporre su un mandrino cilindrico un primo numero di lamine in materiale composito per ottenere un primo elemento cilindrico semilavorato;
d) posizionare il sistema di monitoraggio, collegato all?apparato di connessione e assemblato con l?alloggiamento di protezione, sul primo elemento cilindrico semi-lavorato;
e) deporre un secondo numero di lamine in materiale composito per ottenere un secondo elemento cilindrico semi-lavorato in cui il sistema di monitoraggio, collegato all?apparato di connessione, e l?alloggiamento di protezione sono incorporati nel materiale composito; e
f) effettuare una polimerizzazione del secondo elemento cilindrico semi-lavorato per ottenere l?elemento cilindrico.
Preferibilmente, le lamine sono lamine pre-impregnate di materiale composito termoindurente a matrice polimerica con rinforzo in fibra di carbonio.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, nella fase c), l?ultima lamina deposta del primo numero di lamine ? costituita da fibre unidirezionali. Tali fibre, in particolare, hanno la stessa orientazione dell?asse longitudinale della fibra ottica nei tratti dove la fibra stessa ha inscritti i sensori FBG citati sopra.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, la fase d) comprende inoltre fissare la fibra ottica al primo elemento semi-lavorato mediante rettangoli di fissaggio in materiale composito pre-impregato applicati sulla fibra ottica. Il materiale utilizzato ? preferibilmente lo stesso utilizzato per l?ultima lamina deposta.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, nella fase e) una lamina del secondo numero di lamine comprende fibre di rinforzo con orientazione a 90? rispetto all?asse longi tudinale dell?elemento cilindrico.
Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, il metodo di fabbricazione comprende inoltre una fase in cui l?alloggiamento di protezione viene realizzato mediante un processo di manifattura additiva a stampa 3D.
Breve descrizione dei disegni
La presente invenzione diverr? pi? chiara dalla seguente descrizione dettagliata, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo, da leggersi con riferimento alle annesse Figure, in cui:
- le Figure 1a e 1b mostrano schematicamente un elemento cilindrico per un dispositivo ammortizzatore secondo la presente invenzione; - le Figure 2a e 2b mostrano schematicamente una forcella comprendente un dispositivo ammortizzatore con l?elemento cilindrico mostrato nelle Figure 1a e 1b;
- la Figura 3 mostra schematicamente una fibra ottica con alcuni sensori in fibra ed un?estremit? pre-connettorizzata inserita in un apposito alloggiamento di protezione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- le Figure 4a, 4b e 4c sono tre viste schematiche dell?alloggiamento di protezione secondo forme di realizzazione della presente invenzione; - la Figura 5 ? un diagramma di flusso che illustra un metodo di fabbricazione dell?elemento cilindrico delle Figure 1a e 1b secondo la presente invenzione;
- la Figura 6 mostra schematicamente due semi-stampi utilizzati durante il metodo di fabbricazione dell?elemento cilindrico; e
- la Figura 7 mostra schematicamente una porzione dell?elemento cilindrico durante la sua fabbricazione in cui la fibra ottica ? inserita tra le lamine di materiale composito.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell?invenzione
La Figura 1a mostra schematicamente un elemento cilindrico 1 per un dispositivo ammortizzatore (o, pi? semplicemente, ammortizzatore) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Preferibilmente, l?elemento cilindrico 1 ha un corpo principale cilindrico 2 in materiale composito. Il materiale composito utilizzato comprende alcune lamine di materiale composito sovrapposte a formare l?elemento cilindrico, come verr? descritto pi? in dettaglio nel seguito. L?elemento cilindrico 1 pu? rappresentare un elemento strutturale di un ammortizzatore, ad esempio il fodero.
La Figura 1b mostra schematicamente l?elemento cilindrico 1 di Figura 1a privo di alcune lamine pi? esterne, per mostrarne gli altri componenti secondo la presente invenzione.
In particolare, l?elemento cilindrico 1 comprende inoltre, incorporati in esso:
- un sistema di monitoraggio 3 comprendente almeno una fibra ottica 4 e configurato per fornire dati di monitoraggio indicativi dello stato dell?elemento cilindrico 1;
- un apparato di connessione 7 collegato ad un?estremit? della fibra ottica 4 per collegare la fibra ottica ad un?unit? di acquisizione dei dati di monitoraggio; e
- un alloggiamento di protezione 6 configurato per alloggiare tale apparato di connessione 7.
Nel seguito della presente descrizione e nelle rivendicazioni il termine ?incorporata?, o, equivalentemente ?inglobata?, associato alla fibra ottica (cos? come lo stesso termine associato al sistema di monitoraggio) verr? usato per indicare che la fibra ottica viene integrata quasi interamente (a meno di una sua parte terminale, come diverr? chiaro dalla descrizione che segue) nel materiale composito, ossia tra due lamine successive di tale materiale. Inoltre, il termine ?incorporato? associato all?alloggiamento di protezione indicher? che tale componente ? sostanzialmente completamente racchiuso dal materiale composito, a meno, eventualmente, di una sua porzione in corrispondenza di un suo tappo, come verr? descritto in dettaglio qui di seguito. Infine, il termine ?incorporato? associato all?apparato di connessione indicher? che tale componente ? sostanzialmente completamente alloggiato nell?alloggiamento di protezione a sua volta racchiuso dal materiale composito, come verr? descritto in dettaglio qui di seguito.
Secondo le forme di realizzazione della presente invenzione mostrate schematicamente ad esempio nella Figura 1b, il sistema di monitoraggio 3 comprende un numero di sensori in fibra ottica 5 configurati per fornire i dati di monitoraggio indicativi dello stato dell?elemento cilindrico 1.
L?apparato di connessione 7 pu? comprendere un connettore ottico configurato per connettere la fibra ottica, tramite un opportuno cavo di trasmissione dati in fibra ottica, ad un?unit? di acquisizione dati esterna. Opzionalmente, l?apparato di connessione 7 pu? comprendere un adattatore che permette il successivo collegamento del connettore ad un analogo connettore esterno per il collegamento, tramite cavo, all?unit? di acquisizione esterna. Tale unit? di acquisizione pu? essere un interrogatore ottico. In alternativa, un?unit? di acquisizione miniaturizzata (non mostrata nelle Figure) pu? essere collegata direttamente (ossia, senza cavo) all?apparato di connessione 7 e pu? anche essere configurata per trasmettere dati ad un?unit? esterna in modalit? wireless. In tal caso, l?alloggiamento di protezione 6 pu? alloggiare anche tale unit? miniaturizzata posto che essa sia realizzata con componenti resistenti alle temperature di polimerizzazione del materiale composito utilizzato, che sono tipicamente maggiori di 120 ?C.
La Figura 2a mostra schematicamente una forcella anteriore 10 per un motoveicolo comprendente un ammortizzatore a sua volta comprendente l?elemento cilindrico 1 secondo la presente invenzione. In particolare, l?elemento cilindrico 1 ? il fodero della forcella mostrata schematicamente in Figura 2a. La Figura 2b mostra schematicamente la forcella 10 di Figura 2a in cui il fodero ? privo di alcune lamine pi? esterne per mostrare il sistema di monitoraggio 3 e l?alloggiamento di protezione 6.
Come anticipato qui sopra, l?elemento cilindrico 2 ? preferibilmente realizzato utilizzando un materiale composito. Il materiale composito utilizzato comprende preferibilmente una matrice polimerica in resina epossidica e fibre di rinforzo in carbonio. In particolare, l?elemento cilindrico 1 ? preferibilmente realizzato con un processo ?lay-up? sovrapponendo lamine di materiale composito con fibre di rinforzo in carbonio organizzate in tessuti con predefiniti stili di tessitura oppure disposte in un?unica direzione (lamine di fibre unidirezionali), come verr? discusso in dettaglio nel seguito. Preferibilmente, tali lamine sono pre-impregnate di resina prima della loro sovrapposizione (lamine preimpregnate o pre-preg). Il diametro del corpo 2 dell?elemento cilindrico 1 pu? essere uniforme oppure variabile lungo la direzione del suo asse longitudinale. La sezione del corpo 2 dell?elemento cilindrico 1 pu? essere sostanzialmente circolare, come mostrato esemplificativamente nelle Figure, oppure di forma diversa, anche non uniforme lungo l?asse del corpo 2. Ad esempio, le forcelle dei motoveicoli hanno un diametro nella parte superiore minore rispetto a quella inferiore per questioni strutturali e per facilitare il montaggio. Le dimensioni dell?elemento cilindrico, quando utilizzato in una forcella, sono molto variabili in base alla tipologia di veicolo: ad esempio, per una mountain-bike il diametro pu? essere da 1 cm a 5 cm, per un aereo ultraleggero pu? essere di 5-10 cm, mentre per un aereo di linea di medie-grandi dimensioni pu? arrivare a 30-40 cm.
Il sistema di monitoraggio 3, nella forma di realizzazione mostrata nelle Figure, comprende una fibra ottica 4, che viene inserita tra due lamine successive del materiale composito durante la fabbricazione dell?elemento cilindrico 1 cos? da essere inglobata in esso. Il processo di posizionamento della fibra ottica 4 tra le lamine del materiale composito verr? descritto nel seguito. La fibra ottica 4 ? preferibilmente una fibra ottica monomodale in pura silice con diametro del cladding standard (125 micron) oppure ridotto (ad esempio 80 micron o 50 micron o inferiore). La fibra ottica ? preferibilmente ad alta apertura numerica, ossia con diametro del core inferiore ai 9 micron (tipicamente 5-6 micron o inferiore).
Ad esempio, la fibra ottica 4 ? una fibra ottica con un diametro del cladding pari a 80 micron ad alta apertura numerica. Queste caratteristiche permettono di ridurre l?invasivit? della fibra ottica nell?elemento cilindrico (grazie al diametro ridotto) e limitano l?entit? di attenuazione del segnale ottico indotta dalle fibre di rinforzo del composito. Tuttavia, in alternativa, altri tipi di fibre ottiche possono essere usate, ad esempio fibre ottiche multimodali oppure fibre ottiche birifrangenti oppure fibre ottiche di altri materiali purch? resistenti alle temperature di polimerizzazione del materiale composito.
La fibra ottica 4 preferibilmente comprende un rivestimento o ?coating? in materiale resistente ad alte temperature, ossia in grado di sopportare i cicli di polimerizzazione cui ? sottoposto il materiale composito (che, come gi? anticipato sopra, avvengono tipicamente a temperature maggiori di 120 ?C), e adatto a garantire un?elevata adesione alla resina delle lamine pre-impregnate tra le quali la fibra ottica viene inserita, per ottimizzare le prestazioni dei sensori, che verranno descritti qui di seguito, in termini di sensibilit? di rilevazione. Il materiale del rivestimento della fibra ottica pu? ad esempio essere un materiale polimerico (ad esempio, un poliacrilato o un poliimmide), oppure un materiale ibrido (ad esempio, Ormocer? - Organic Modified Ceramics), oppure un materiale metallico. La fibra ottica 4 ad esempio ha un rivestimento in Ormocer? che garantisce una resistenza a temperature superiori ai 200?C.
I sensori 5 sono preferibilmente sensori di deformazione inscritti nella fibra ottica 4 in posizioni predeterminate, adatti a rilevare le deformazioni lungo l?asse longitudinale della fibra ottica 4. I sensori 5 sono preferibilmente sensori di deformazione puntuali di tipo FBG (Fiber Bragg Grating). Gli inventori hanno notato che tale tipo di sensori vantaggiosamente consente di fare misure in tempo reale precise e prive di disturbi. Inoltre, gli inventori hanno notato che per tale tipo di sensori, considerando l?esempio applicativo citato sopra, l?unit? di acquisizione dei segnali rilevati ? facilmente installabile sul motoveicolo per le ridotte dimensioni, la resistenza a sollecitazioni meccaniche, le ridotte potenze di alimentazione, e la facilit? di integrazione con un sistema CAN-bus eventualmente presente sul motoveicolo. Tuttavia, in alternativa o in aggiunta, altre tecniche di misura basate su fibra ottica possono essere implementate per rilevare lo stato di salute dell?elemento cilindrico secondo la presente invenzione, tra cui tecniche basate su fenomeni di scattering (Reyleigh, Brillouin o Raman), come ad esempio tecniche di misura OTDR (Optical Time Domain Reflectometry), oppure su fenomeni interferometrici (interferometri di Fabry-Perot, Sagnac, Mach-Zehnder o Pohl).
La Figura 3 mostra schematicamente la fibra ottica 4 con i sensori 5 disposti in posizioni predeterminate nella fibra. La Figura 3 mostra anche un?estremit? della fibra 4 intestata con l?apparato di connessione 7 (di cui viene mostrata solo una parte terminale) alloggiato nell?alloggiamento di protezione 6. Nella forma di realizzazione mostrata in Figura 3, la fibra 4 comprende un numero di sensori 5 pari a dodici. La posizione dei sensori nell?elemento cilindrico 1 ? progettata per garantire l?identificazione dei carichi agenti sull?elemento cilindrico e per monitorarne lo stato di salute durante l?uso.
Preferibilmente, i sensori 5 sono allineati lungo l?asse longitudinale dell?elemento cilindrico 1, in modo tale da rilevare la deformazione longitudinale dell?elemento stesso. Considerando infatti il caso applicativo citato sopra, le principali sollecitazioni a cui ? sottoposta la forcella 10 sono di flessione intorno ai due assi trasversali, entrambe misurabili con la deformazione longitudinale. Come verr? descritto pi? in dettaglio nel seguito, la fibra ottica 4 ? dunque deposta secondo un percorso prestabilito cos? da posizionare i sensori 5 in posizioni prestabilite e allinearli alla direzione desiderata di misura. Le posizioni prestabilite dei sensori 5 consentono la ricostruzione delle azioni interne applicate alla forcella 10 durante il suo funzionamento e, al contempo, il monitoraggio dello stato di salute della forcella 10 durante il suo funzionamento. I sensori 5 hanno preferibilmente dimensione tra 1 mm e 15 mm.
Per minimizzare l?invasivit? della fibra ottica nell?elemento cilindrico 1, la fibra ottica 4 ? preferibilmente gi? intestata a una estremit? mediante l?apparato di connessione 7 che, nella forma di realizzazione mostrata nelle Figure, comprende, come anticipato sopra, un connettore ottico 8. L?apparato di connessione 7 mostrato nelle Figure preferibilmente comprende anche un adattatore 9 che permette il successivo collegamento del connettore ottico 8 con uno analogo con cui possibilmente termina una fibra esterna per il collegamento con un?unit? di acquisizione esterna. Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, l?apparato di connessione 7, comprendente il connettore ottico 8 e l?adattatore 9, ? inserito nell?alloggiamento di protezione 6 prima o durante la fase di posizionamento della fibra ottica 4 tra le lamine del materiale composito.
Ad esempio, il connettore 8 pu? essere un connettore Mini AVIM? prodotto da Diamond SA, Svizzera, e l?adattatore pu? essere un adattatore Mini AVIM?/Mini AVIM?.
L?alloggiamento di protezione 6 ? preferibilmente realizzato in materiale polimerico. Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l?alloggiamento di protezione 6 ? realizzato mediante un processo di manifattura additiva a stampa 3D, ad esempio utilizzando la tecnica FDM (Fused Deposition Modeling). La resina utilizzata in tale processo pu? essere, ad esempio, una resina Ultem? 1010. L?alloggiamento di protezione 6 viene posizionato sulla superficie esterna del corpo 2 dell?elemento cilindrico 1 durante la fabbricazione dell?elemento stesso, come verr? descritto pi? in dettaglio nel seguito. ? opportuno notare che l?alloggiamento di protezione 6 pu? essere realizzato anche con un diverso materiale, ad esempio con un materiale metallico, utilizzando ad esempio una lavorazione meccanica sottrattiva.
Le Figure 4a, 4b e 4c mostrano tre viste schematiche dell?alloggiamento di protezione 6, del connettore ottico 8 e dell?adattatore 9 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. La geometria esterna dell?alloggiamento di protezione 6 (in particolare di un suo corpo 61) mostrata nelle Figure ? puramente esemplificativa. Essa deve comunque essere progettata per minimizzare l?ingombro ed il peso dell?alloggiamento di protezione 6 sul corpo 2 dell?elemento cilindrico 1. Sull?alloggiamento di protezione 6 possono essere realizzati degli scassi in direzione trasversale, come quelli schematicamente mostrati nelle Figure 4a-4c, per migliorare la solidit? dell?alloggiamento di protezione stesso 6 sul corpo 2 dell?elemento cilindrico 1. Tali scassi sono infatti configurati per alloggiare una lamina di materiale composito che, durante la fabbricazione, viene posizionata sopra l?alloggiamento di protezione 6, le cui fibre di rinforzo possono essere orientate circonferenzialmente rispetto all?asse dell?elemento cilindrico 2, ossia a 90? rispetto a detto asse. Come gi? detto le fasi del processo di fabbricazione verranno meglio illustrate nel seguito.
La superficie del corpo 61 dell?alloggiamento di protezione 6 che viene posizionata sul corpo 2 dell?elemento cilindrico 1 replica la curvatura del corpo 2 dell?elemento cilindrico 1 nella sezione in cui l?alloggiamento di protezione viene applicato, in modo da facilitare l?adesione dell?alloggiamento di protezione 6 alla lamina di materiale composito dell?elemento cilindrico 1 applicata prima del posizionamento dell?alloggiamento di protezione 6. Internamente, la forma dell?alloggiamento di protezione 6 replica la forma del connettore ottico 8 utilizzato e dell?adattatore 9. In questo modo infatti ? possibile sigillare ermeticamente l?alloggiamento di protezione 6 e fare in modo che il connettore ottico 8 resti isolato dalla resina del materiale composito che durante il processo di polimerizzazione potrebbe altrimenti raggiungerlo rendendolo inutilizzabile.
L?alloggiamento di protezione 6 comprende quindi un corpo 61 almeno parzialmente cavo ed un tappo di chiusura di tale corpo. La rimozione di tale tappo consente di esporre una porzione dell?apparato di connessione 7 (ad esempio, l?adattatore 9) per connettere dispositivi e cavi esterni. Nella forma di realizzazione mostrata nelle Figure 4a-4c, l?alloggiamento di protezione 6 comprende quindi il corpo 61 almeno parzialmente cavo, un tappo principale 62 ed un tappo secondario 63. Il corpo 61 comprende un foro passante 64 che consente il passaggio della fibra ottica. Nella forma di realizzazione mostrata nelle Figure, il corpo 61 comprende anche, in corrispondenza del foro principale 64, un incavo configurato per alloggiare l?adattatore 9 schematicamente mostrato nelle Figure 4a-4c. Il tappo principale 62 ha preferibilmente un foro centrale 65 che, quando il tappo principale 62 ? montato sul corpo 61, consente di esporre una porzione dell?apparato di connessione 7 (per la forma di realizzazione mostrata nelle Figure, la porzione terminale dell?adattatore 9) utile per connettere dispositivi e cavi esterni. Il tappo secondario 63 ? configurato per chiudere il foro del tappo principale. La rimozione del tappo secondario 63 consente quindi di esporre la parte terminale dell?adattatore per collegare un eventuale dispositivo (ad esempio un ?fault locator?) che consenta di verificare l?integrit? della fibra ottica 4 durante le fasi della fabbricazione dell?elemento cilindrico.
La Figura 5 ? un diagramma di flusso del metodo di fabbricazione applicato dagli inventori per la realizzazione, in particolare, di un prototipo dell?elemento cilindrico della presente invenzione per un fodero di un ammortizzatore presente nella forcella anteriore di un motoveicolo. Questo tuttavia non ? limitativo dell?ambito della presente invenzione in quanto procedure del tutto simili possono essere applicate per la realizzazione di altri tipi di elementi (ossia, non necessariamente il fodero di un ammortizzatore per la forcella di un motoveicolo) in materiale composito dotati di un sistema di monitoraggio basato su fibra ottica e di un alloggiamento di protezione per l?apparato di connessione della fibra ottica come descritto sopra. Il metodo di fabbricazione ? basato su un processo di formatura in autoclave che prevede l?utilizzo di uno stampo femmina costituito da due semi-stampi 611, 612. La Figura 6 mostra schematicamente i due semi-stampi 611, e 612 per la fabbricazione dell?elemento cilindrico mostrato nelle Figure 1 a e 1b. Uno dei due semi-stampi comprende una sede 613 appositamente creata per inserire l?alloggiamento di protezione una volta che esso sia incorporato tra le lamine del materiale composito. Lo stampo femmina replica la geometria esterna dell?elemento cilindrico. I due semi-stampi 611, 612 possono essere realizzati anch?essi in materiale composito.
Il metodo di fabbricazione prevede anche l?utilizzo di un mandrino necessario per effettuare le operazioni di laminazione che verranno descritte nel seguito.
Inoltre, il processo prevede una fase preliminare di assemblaggio del sistema di monitoraggio con l?apparato di connessione e l?alloggiamento di protezione.
In particolare, vale la pena notare che l?alloggiamento di protezione deve garantire la protezione del connettore e dell?adattatore dalla resina del materiale composito che, durante la successiva fase di polimerizzazione, pu? diventare estremamente fluida. La protezione dalla resina ? ottenuta rendendo a tenuta stagna la cavit? dell?alloggiamento di protezione mediante l?incollaggio dei tappi principale e, eventualmente, secondario al corpo dell?alloggiamento di protezione e mediante l?accoppiamento in tolleranza tra il connettore ottico e le pareti interne dell?alloggiamento di protezione, per sigillare il foro da cui passa la fibra ottica. Le operazioni per l?inserimento del connettore e dell?adattatore nell?alloggiamento di protezione sono le seguenti: intestare il connettore ottico ad un?estremit? della fibra ottica, collegare l?adattatore al connettore ottico, infilare la fibra ottica nel foro passante presente nel corpo nell?alloggiamento di protezione e inserire il connettore ottico e l?adattatore in sede nell?alloggiamento di protezione. Successivamente, il tappo principale viene incollato al corpo dell?alloggiamento di protezione. Infine, viene applicato un agente distaccante (ad esempio, nastro di Teflon) sulla superficie esterna del tappo che permetter? di separare agevolmente il tappo principale dall?elemento cilindrico una volta che i tappi principale e, eventualmente, secondario dovranno essere rimossi per collegare la fibra ottica ad un?unit? di acquisizione esterna.
Tornando quindi al metodo di fabbricazione, alla fase 501 il mandrino viene rivestito da un sacco da vuoto tubolare seguito dai materiali di consumo necessari alla produzione, come noto per la tecnologia di formatura in autoclave: ad esempio, prima una calza in tessuto aeratore, che permette l?estrazione dal sacco da vuoto dell?aria e dei gas eventualmente prodotti durante il processo, poi un film distaccante in Teflon microforato, che permette di staccare il manufatto dal tessuto areatore e dal sacco.
Alla fase 502, il processo prevede una prima laminazione con la deposizione di un primo numero di lamine in materiale composito sul mandrino. Le lamine sono pre-impregnate. Ciascuna lamina comprende fibre di rinforzo aventi un orientamento predeterminato. La sequenza di deposizione delle lamine ? anch?essa predeterminata.
? opportuno notare che la scelta del numero, della tipologia del materiale (con fibre in tessuto oppure con orientamento unidirezionale) e della sequenza delle lamine del materiale composito sono definite a valle di un processo di progettazione che, ad esempio nel caso applicativo descritto sopra, tiene conto di:
- rigidezza complessiva del componente nel quale l?elemento cilindrico deve essere utilizzato (ossia, la forcella indicata sopra); - resistenza ai carichi durante l?uso e per le prove di verifica tecnica. Per ottenere particolari condizioni di rigidezza variabile (per esempio, incrementandola nella direzione in cui si vogliano minimizzare le deformazioni trasversali) ? possibile variare localmente la tipologia di materiali applicati o la sequenza di laminazione. Il processo di progettazione relativo al prototipo realizzato dagli inventori non verr? descritto nel seguito in quanto non ? rilevante ai fini della presente invenzione.
A titolo di esempio, l?elemento cilindrico secondo una forma di realizzazione della presente invenzione pu? essere realizzato utilizzando, come gi? citato, lamine pre-impregnate di materiale composito termoindurente a matrice polimerica con rinforzo in fibra di carbonio, che garantisce elevate prestazioni meccaniche. Tuttavia, oltre alla fibra di carbonio, possono essere usate altre fibre come ad esempio fibre di vetro, aramidiche, boro metallico a seconda del tipo di dispositivo che viene fabbricato e della sua applicazione.
Sempre a titolo di esempio, l?elemento cilindrico del prototipo realizzato dagli inventori ? stato realizzato tramite la sequenza di laminazione indicata nella Tabella 1 seguente:
Tabella 1
Nella tabella, la sigla ?Woven 230? indica un tessuto con tessitura twill 2x2, in fibra di carbonio da 3k, grammatura 230 g/mq, contenuto di resina del 42% e la sigla UD 110 indica un unidirezionale, in fibra di carbonio da 3k, grammatura 110 g/mq, contenuto di resina del 37%. Dopo la deposizione della prima lamina il metodo pu? comprendere una prima compattazione intermedia per mezzo di un nastro termoretraibile. Successivamente, il metodo pu? comprendere altre compattazioni intermedie ogni due lamine.
? opportuno ancora notare che la sequenza di laminazione qui illustrata ? esemplificativa. Gli inventori hanno infatti progettato ed applicato tale sequenza per la realizzazione del prototipo di elemento cilindrico di un ammortizzatore per la forcella anteriore di un motoveicolo, come gi? indicato sopra. Tuttavia, la procedura descritta pu? essere applicata ad un?altra qualsiasi sequenza di laminazione. Tornando alla fase 502 del diagramma di flusso di Figura 5, la prima laminazione termina dopo la deposizione della lamina sopra cui vengono inseriti la fibra ottica con i sensori in essa integrati. Tale lamina ? preferibilmente costituita da fibre unidirezionali. Inoltre, le fibre di tale lamina hanno preferibilmente la stessa orientazione dei sensori in fibra ottica (ossia, lungo l?asse della fibra ottica in corrispondenza della posizione dei sensori). Questo vantaggiosamente consente di evitare sollecitazioni locali indesiderate con il rischio di malfunzionamento dei sensori. Al termine della fase 502, viene ottenuto un manufatto che verr? indicato anche come primo elemento cilindrico semi-lavorato. A questo punto, alla fase 503, il metodo prevede di posizionare la fibra ottica e l?alloggiamento di protezione contenente il connettore ottico e l?adattatore sull?ultima lamina deposta del primo elemento cilindrico semi-lavorato. Questa fase di posizionamento viene preferibilmente eseguita posizionando dapprima l?alloggiamento di protezione (comprendente il corpo 61 con il connettore ottico e l?adattatore ed il tappo principale 62 mostrati schematicamente nelle Figure 4a-4c). L?alloggiamento di protezione viene assicurato alla lamina deposta mediante, ad esempio, una clamp. Gli inventori, in particolare, hanno realizzato ad hoc una clamp per assicurare l?alloggiamento di protezione alla lamina durante la fabbricazione del prototipo citato prima.
Successivamente, il processo prevede di posizionare la fibra ottica secondo un percorso predeterminato che consenta di posizionare i sensori nelle posizioni predeterminate. Per il posizionamento della fibra nel prototipo citato, gli inventori hanno realizzato una dima progettata ah hoc che ? stata calzata sul manufatto. Il posizionamento dei sensori viene realizzato utilizzando ad esempio dei marker realizzati precedentemente sulla fibra ottica in corrispondenza della posizione dei sensori. I marker vengono realizzati ad esempio con una vernice apposita che non riduca l?adesione della fibra ottica al materiale composito. In questa fase, l?alloggiamento di protezione non viene chiuso con il tappo secondario in modo che un operatore possa accedere all?adattatore durante le fasi successive del processo per collegare la fibra ottica ad un dispositivo esterno per la verifica del corretto funzionamento dei sensori (ad esempio un ?fault locator?, come gi? anticipato sopra).
Preferibilmente a questo punto la fibra ottica viene fissata alla lamina sottostante. Questo pu? essere fatto ad esempio usando rettangoli di fissaggio di piccole dimensioni di materiale composito pre-impregato applicati sulla fibra ottica. Il materiale utilizzato ? preferibilmente lo stesso utilizzato per l?ultima lamina deposta, per garantire la minima invasivit?. I rettangoli di fissaggio garantiscono infatti il fissaggio temporaneo della fibra ottica fino alla deposizione della lamina successiva.
A questo punto, alla fase 504, il processo prevede una seconda laminazione comprendente la deposizione delle restanti lamine della sequenza di laminazione selezionata. ? opportuno notare che tutte le lamine deposte sopra la fibra ottica vengono opportunamente tagliate in modo tale da far passare la fibra ottica oltre le lamine stesse (ossia attraverso lo spessore delle stesse).
Una delle lamine deposte sopra la fibra ottica (ad esempio, la lamina numero 5 nella sequenza di laminazione esemplificativa di Tabella 1) comprende fibre di rinforzo con orientazione a 90? rispetto all?asse longitudinale dell?elemento cilindrico. In questo modo, tale lamina pu? costituire una sorta di ?bendaggio? sovrapposto all?alloggiamento di protezione, che garantisce una maggior adesione dell?alloggiamento di protezione stesso al corpo dell?elemento cilindrico. In questa fase inoltre, il tappo secondario viene posizionato a chiusura dell?alloggiamento di protezione e viene sigillato con resina.
Al termine della fase 504 viene ottenuto un nuovo manufatto che verr? indicato anche come secondo elemento cilindrico semi-lavorato. La Figura 7 mostra schematicamente una porzione del manufatto in cui ? visibile uno spezzone della fibra ottica 5 tra le lamine del materiale composito. In particolare, la Figura 7 mostra la lamina sulla quale viene posizionata la fibra (questa lamina ? indicata con il numero di riferimento 71 in Figura) con le fibre di rinforzo orientate nella stessa direzione dei sensori in fibra ottica (ossia lungo l?asse della fibra ottica in corrispondenza delle posizioni dei sensori). La Figura 7 mostra inoltre la lamina deposta sopra la fibra ottica 4 con fibre di rinforzo orientate a 90? rispetto all?asse longitudinale dell?elemento cilindrico (tale lamina ? indicata con il numero di riferimento 72). Infine la Figura 7 mostra un?ulteriore lamina, indicata con il numero di riferimento 73, con le fibre di rinforzo in tessuto.
Alla fase 505, il manufatto viene collocato nei due semi-stampi 611 e 612 mostrati schematicamente in Figura 6 che vengono serrati tra di loro. Durante questa fase, l?alloggiamento di protezione incorporato nel materiale composito viene inserito nella sede ricavata appositamente in uno dei semi-stampi.
Al termine delle laminazioni e dopo la chiusura dei due semi-stampi il sacco da vuoto interno viene unito e sigillato a un sacco da vuoto esterno (che racchiude tutto), in modo da usare la tecnica del ?doppio sacco? per fare in modo che la pressione dell?aria dell?autoclave agisca sia esternamente sui due semi-stampi che internamente (tra il mandrino interno e il sacco da vuoto interno) per compattare le lamine radialmente, dall?interno del tubo verso i semi stampi.
Alla fase 506, il processo prevede la chiusura del doppio sacco da vuoto e la polimerizzazione. La polimerizzazione avviene secondo una procedura standard che non verr? ulteriormente descritta.
Considerando la forcella esemplificativa descritta sopra, a valle della polimerizzazione il fodero viene assemblato con gli altri componenti della forcella e solo successivamente vengono rimossi i tappi principale e secondario dell?alloggiamento di protezione per consentire il collegamento della fibra ottica all?unit? di acquisizione installata a bordo del motoveicolo.
La presente invenzione offre numerosi vantaggi, alcuni dei quali sono gi? stati discussi qui sopra. In particolare, per quanto riguarda l?esempio applicativo descritto, l?elemento cilindrico realizzato in materiale composito (ad es. il fodero e/o lo stelo dell?ammortizzatore) permette sia una riduzione della massa a parit? di rigidezza della stessa struttura in metallo, che la possibilit? di variare localmente la rigidezza dell?elemento cilindrico modificando la tipologia di materiale (ossia le fibre di rinforzo) e/o la sequenza di laminazione. La presenza del sistema di monitoraggio come descritto garantisce un efficiente monitoraggio dello stato di uso e salute del componente (HUMS), particolarmente efficace se si utilizzano le fibre ottiche ed i sensori in fibra ottica, grazie alla loro bassa invasivit? nell?elemento cilindrico. L?alloggiamento di protezione per la connessione della fibra ottica all?unit? di acquisizione ? progettato per essere incorporato nell?elemento cilindrico direttamente durante il processo produttivo dello stesso, rendendo il sistema di monitoraggio ?plug and play? con i componenti originali e riducendone l?invasivit? sul processo produttivo stesso.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Un elemento cilindrico (1) per un dispositivo ammortizzatore comprendente:
- un corpo cilindrico (2) in un materiale composito;
- un sistema di monitoraggio (3) configurato per fornire dati di monitoraggio indicativi dello stato di detto elemento cilindrico (1), detto sistema di monitoraggio (3) comprendendo una fibra ottica (4) collegata, ad una sua estremit?, ad un apparato di connessione (7) per collegare detta fibra ottica ad un?unit? di acquisizione di detti dati di monitoraggio;
- un alloggiamento di protezione (6) configurato per alloggiare almeno detto apparato di connessione (7),
in cui detto sistema di monitoraggio (3) e detto alloggiamento di protezione (6) sono incorporati in detto materiale composito.
2. L?elemento cilindrico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di monitoraggio (3) comprende un numero di sensori di deformazione in fibra ottica (4).
3. L?elemento cilindrico (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detti sensori (5) sono sensori di tipo FBG.
4. L?elemento cilindrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto apparato di connessione (7) comprende un connettore ottico (8) ed un adattatore (9).
5. L?elemento cilindrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto alloggiamento di protezione (6) comprende un corpo (61) almeno parzialmente cavo, un tappo principale (62) ed un tappo secondario (63), in cui detto tappo principale (62) ha preferibilmente un foro (65) per esporre una porzione dell?apparato di connessione (7) per connettere un dispositivo o cavo esterno, ed in cui detto tappo secondario (63) ? configurato per chiudere detto foro (65).
6. L?elemento cilindrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto alloggiamento di protezione (6) ? in materiale polimerico.
7. L?elemento cilindrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto alloggiamento di protezione (6) ? inoltre configurato per alloggiare detta unit? di acquisizione in forma miniaturizzata.
8. Un dispositivo ammortizzatore comprendente un elemento cilindrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
9. Un metodo di fabbricazione di un elemento cilindrico (1) per un dispositivo ammortizzatore comprendente le fasi di:
a) prevedere un sistema di monitoraggio (3) per detto elemento cilindrico (1), detto sistema di monitoraggio (3) essendo configurato per fornire dati di monitoraggio indicativi dello stato di detto elemento cilindrico (1) e comprendendo una fibra ottica (4), in cui detto sistema di monitoraggio (3) ? collegato, ad un?estremit? di detta fibra ottica (4), ad un apparato di connessione (7) per collegare detta fibra ottica (4) ad un?unit? di acquisizione di detti dati di monitoraggio;
b) assemblare detto sistema di monitoraggio (3), collegato a detto apparato di connessione (7), con un alloggiamento di protezione (6) atto ad alloggiare almeno detto apparato di connessione (7);
c) deporre su un mandrino cilindrico un primo numero di lamine in materiale composito per ottenere un primo elemento cilindrico semi-lavorato;
d) posizionare detto sistema di monitoraggio (3), collegato a detto apparato di connessione (7) e assemblato con detto alloggiamento di protezione (6), sul primo elemento cilindrico semi-lavorato;
e) deporre un secondo numero di lamine in materiale composito per ottenere un secondo elemento cilindrico semi-lavorato in cui detto sistema di monitoraggio (3), collegato a detto apparato di connessione (7), e detto alloggiamento di protezione (6) sono incorporati in detto materiale composito; e f) effettuare una polimerizzazione di detto secondo elemento cilindrico semi-lavorato per ottenere detto elemento cilindrico.
10. Il metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre una fase in cui detto alloggiamento di protezione (6) viene realizzato mediante un processo di manifattura additiva a stampa 3D.
IT102021000010649A 2021-04-27 2021-04-27 Elemento cilindrico in composito sensorizzato per un dispositivo ammortizzatore IT202100010649A1 (it)

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