Laserem w samolot. Żeby dostrzec maleńkie uszkodzenia

Każdy, nawet niewidoczny gołym okiem defekt w poszyciu samolotu, jachtu czy profesjonalnego sprzętu sportowego może stanowić zagrożenie. Zespół z AGH pracuje nad laserowym systemem do szybkiego i dokładnego diagnozowania defektów w materiałach kompozytowych.

Poszycie współczesnych samolotów – ale również jachtów, łopat turbin wiatrowych czy sprzętu do sportów ekstremalnych (np. nart czy kajaków) – wytwarzane jest ze strukturalnych materiałów kompozytowych. Składają się one z wielu laminowanych cienkich warstw. Jeśli w takim materiale nastąpi uszkodzenie, warstwy mogą np. pęknąć lub zacząć się rozdzielać. A to stanowiłoby niebezpieczeństwo dla pasażerów czy użytkowników.

Zniszczenie jednak wcale nie musi być widoczne z zewnątrz – gołym okiem. Dlatego konieczne są systemy diagnozowania, czy kompozyt jest nienaruszony. I tak np. samoloty muszą co jakiś czas – a także po każdym "twardym" lądowaniu – przechodzić serię testów, które ustalą, czy nie pojawiły się mikrouszkodzenia.

Takie systemy diagnostyczne do materiałów kompozytowych istnieją od dawna, ale pozostawiają wiele do życzenia. Niektóre metody (NDT) są bardzo dokładne, ale działają jedynie lokalnie – badanie dużych obiektów jest więc bardzo powolne. A inne metody (SHM) - pozawalają na diagnozę dużych powierzchni, ale nie pozwalają rozpoznać najdrobniejszych defektów. Dr Łukasz Pieczonka z Katedry Robotyki i Mechatroniki Akademii Górniczo-Hutniczej pracuje nad nową metodą, która będzie zarazem szybka i dokładna.

Jak opowiada, w jego systemie diagnozowania uszkodzeń wykorzystywany będzie laser. W stronę kompozytu przesyła się trwający miliardową część sekundy impuls, który podgrzewa fragment materiału o kilkadziesiąt stopni C. Następuje wtedy miejscowe – i trwające tylko chwilkę – rozszerzenie się cieplne materiału, co z kolei powoduje, że przez materiał przechodzi fala sprężysta. Informacje o drganiach materiału zbierane są z kompozytu wibrometrem laserowym. "Jeśli w materiale są jakieś uszkodzenia czy pęknięcia, fala ulegnie odbiciu, załamaniu albo zmienią się jej własności. Wystarczy przeanalizować te falę, aby dowiedzieć się, czy z kompozytem wszystko jest w porządku" – opowiada w rozmowie z PAP dr Pieczonka.

Wykorzystanie w systemie laserów jest o tyle wygodną opcją, że materiału nie trzeba w ogóle dotykać ani instalować na nim czujników. Badania mogą być wykonywane zdalnie – np. z odległości kilku metrów. Ruchem głowicy lasera można precyzyjnie sterować dzięki urządzeniom elektronicznym. Dzięki temu materiał można analizować z dokładnością do mikrometrów, i to na dużych powierzchniach. To sprawia, że pomiar jest nie tylko szybki, ale i bardzo precyzyjny.

"Urządzenie docelowo ma być wielkości małej lodówki. Miałoby kółka, więc można byłoby je łatwo przemieszczać" – opowiada dr Pieczonka. Dodaje, że obsługa systemu nie byłaby trudna, wystarczyłoby krótkie przeszkolenie. System sam analizowałby dane i alarmował o wykrytych defektach.

Według badacza z AGH jednym z trudniejszych zadań będzie ustalenie optymalnych impulsów laserowych, jakimi będą naświetlane konkretne kompozyty (dla różnych materiałów takie impulsy laserowe będą inne). A przecież laser – podczas wykrywania uszkodzeń – w żadnym wypadku nie może dodatkowych defektów powodować. Badacze będą musieli bardzo dokładnie to przeanalizować.

W ramach projektu powstanie też oprogramowanie do analizy fal, jakie rozchodzą się po badanym materiale. "W klasycznych metodach analizowane są tylko fale podłużne i poprzeczne. A my będziemy analizowali też inny rodzaj fal – tzw. fale prowadzone. To pewien upgrade, dzięki któremu nasze diagnozy będą dokładniejsze" – ma nadzieję badacz z AGH. Dodaje, że w falach prowadzonych cząstki poruszają się nie ruchem prostoliniowym, ale eliptycznym.

Łukasz Pieczonka realizuje badania w ramach programu LIDER Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Prototyp urządzenia powstać ma w ciągu następnych trzech lat.

Ludwika Tomala