Monitorización de la salud estructural de uniones con adhesivo mediante galgas extensométricas

¿Cómo se puede monitorizar de manera permanente una unión estructural con adhesivo durante su uso? ¿Es posible detectar daños de forma precoz y fiable mediante monitorización de la salud estructural?

Un grupo de investigadores del Instituto de Mecánica Estructural y Diseño Ligero de la Universidad RWTH de Aquisgrán está investigando estas cuestiones. El grupo utiliza unas galgas extensométricas personalizadas que permiten compensar durante el posprocesamiento desviaciones en la posición calculada. 

Problema

Se necesitaba una galga extensométrica capaz de compensar desajustes muy pequeños, para calcular el estado estructural de una unión pegada con un adhesivo y garantizar una transmisión fiable de la fuerza.

Solución

Se desarrolló una rejilla de medición de galgas extensométricas a medida que proporciona una distribución uniforme de deformaciones en torno a la posición de medida, para optimizar la precisión.

Resultados

Gracias al empleo de una rejilla de medición personalizada ha sido posible registrar variaciones muy pequeñas en la deformación, con distancias de medición cortas. La disposición relativa de las rejillas de medición se conoce con gran exactitud, lo cual permite extraer conclusiones sobre el posicionamiento incorrecto de determinadas galgas extensométricas y corregir los valores medidos de modo que se refieran a la posición deseada.

Monitorización permanente de uniones con adhesivo

No es posible hacer ensayos no destructivos completos de una unión pegada con un adhesivo. Como alternativa, se planteó realizar una monitorización permanente de una unión con adhesivo para medir su estado estructural y garantizar una transmisión de fuerzas fiable.

Este tipo de control puede realizarse muy fácilmente empleando una única galga extensométrica, que se instala en una posición del componente especialmente sensible a los daños, denominada punto de deformación cero[1]. En esta posición especial, en la que la galga simplemente se pega a la superficie de las piezas unidas entre sí, no existe ninguna deformación si la unión entre las piezas no está dañada. Cuando se produce un daño, la distribución de deformación varía y se obtiene una señal de medida clara.

El reto de esta prometedora técnica de monitorización de salud estructural radica en situar la galga extensométrica con la máxima precisión posible en el punto de deformación cero previamente calculado. El problema es que cualquier pequeño desajuste (<200 µm) o variación en el grosor de la unión produce un desplazamiento de la señal de medida, que obliga a aplicar una corrección a la variación en la deformación resultante.

Para medir la distribución de la deformación en varios puntos definidos cercanos a los puntos de medición, se diseñó y fabricó una galga extensométrica personalizada en colaboración con HBK. Las rejillas de medición se separaron longitudinalmente 0,5 mm entre sí y se dispusieron una al lado de otra sobre la lámina portadora (ver Fig. 2).

Ensayos

Para evaluar la idoneidad, las galgas extensométricas desarrolladas se aplicaron a ambos lados de la unión con adhesivo. A continuación, se aplicó una carga hasta rotura a la unión entre las dos piezas en un ensayo de tracción. Como era de esperar, las tres rejillas de medición generaron otras tantas curvas de medición desplazadas entre sí.

El uso de tres rejillas de medición desplazadas entre sí, permitió corregir a posteriori los valores medidos para referirlos a la posición óptima real (ver Fig. 3).  

Este enfoque ofrece un interesante valor añadido para la evaluación de daños, ya que reacciona con una alta sensibilidad a las más mínimas desviaciones con respecto a la posición óptima.

Los resultados de este primer ciclo de pruebas demostraron claramente que las galgas extensométricas personalizas de HBK proporcionan datos de buena calidad, a la altura de las exigencias del experimento.

Acerca del Instituto de Mecánica Estructural y Diseño Ligero de la Universidad RWTH de Aquisgrán

La Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Universidad RWTH de Aquisgrán) es la universidad de estudios técnicos más importante de Alemania. El Instituto de Estructuras Ligeras se fundó en 1955 y coopera estrechamente con el Instituto Alemán de Investigación en Aeronáutica y Astronáutica (Deutsche Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.). En los últimos tiempos, su actividad docente e investigadora ha incorporado la mecánica estructural y la monitorización de salud estructural, lo que ha motivado que el propio instituto cambie su nombre, pasando a denominarse Instituto de Mecánica Estructural y Diseño Ligero.

[1] Sadeghi, M. Z.; Weiland, J.; Preisler, A.; Zimmermann, J.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.; Schroeder, K. U. Damage Detection in Adhesively Bonded Single Lap Joints by Using Backface Strain: Proposing a New Position for Backface Strain Gauges. Int. J. Adhes. Adhes. 2020, 97, 102494.