Przez lata bezpieczeństwo infrastruktury technicznej opierało się na tym samym schemacie: okresowa inspekcja, analiza wyników i – w razie potrzeby – reakcja. Ten model, choć sprawdzony, coraz częściej okazuje się niewystarczający wobec rosnącej skali obiektów, presji kosztowej, stosowania nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych i zmiennych warunków eksploatacji. Właśnie w tym kontekście pojawiają się technologie, które nie zastępują inżynierskiego doświadczenia, lecz przesuwają punkt ciężkości z reakcji na podejście proaktywne. Jedną z nich jest rozwijany system DETEKTA w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.
Od kontroli okresowej do ciągłego monitorowania (SHM)
Badania nieniszczące pozostają podstawowym narzędziem diagnostycznym w przemyśle. Ich skuteczność jest niepodważalna, ale sama natura tych metod narzuca istotne ograniczenia. Inspekcje realizowane są w określonych odstępach czasu, wymagają fizycznego dostępu do badanego miejsca i angażują wysoko wykwalifikowany personel oraz kosztowną aparaturę.
– Problemem nie jest skuteczność samych badań, lecz ich periodyczność – zwraca uwagę dr inż. Artur Kurnyta, kierownik projektu DETEKTA. – Konstrukcja może ulec istotnym zmianom krótko po inspekcji i pozostawać poza realną kontrolą aż do następnego przeglądu. Na tę lukę odpowiada koncepcja Structural Health Monitoring (SHM), zakładająca stałą integrację systemu diagnostycznego z konstrukcją i bieżący dostęp do danych o jej stanie technicznym. Zamiast punktowej oceny pojawia się obserwacja procesu – tego, jak i w jakim tempie zachodzą zmiany materiałowe podczas eksploatacji. – SHM oznacza odejście od reagowania po fakcie w stronę podejmowania decyzji na podstawie rzeczywistych danych, a nie harmonogramu – podkreśla dr inż. Kurnyta.
– To zmienia sposób zarządzania bezpieczeństwem konstrukcji. W takim ujęciu monitorowanie stanu technicznego przestaje być zdarzeniem cyklicznym, a staje się procesem. DETEKTA wpisuje się w tę zmianę, oferując ciągły monitoring pęknięć, który pozwala szybciej identyfikować zagrożenia, ograniczać ryzyko nagłych awarii i planować działania utrzymaniowe w oparciu o faktyczny stan obiektu, a nie założenia kalendarzowe.
Czujnik, który pęka razem z konstrukcją
Przejście na ciągły monitoring rodzi podstawowe pytanie: jak obserwować konstrukcję w sposób wiarygodny, bez generowania szumu informacyjnego i bez ryzyka błędnej interpretacji sygnałów? W wielu systemach zgodnych z SHM, informacje z czujników, które mierzą pośrednie parametry, wymagają stosowania zaawansowanych metod analitycznych i wnioskowania. W DETEKTA punkt wyjścia jest inny: sygnał diagnostyczny powstaje dokładnie w tym samym miejscu i momencie, w którym inicjuje się uszkodzenie.
Elementem pomiarowym systemu jest adaptacyjny czujnik wykonany w technologii wytwarzania przyrostowego, z użyciem farb zawierających mikrocząstki metaliczne oraz elastycznych materiałów izolacyjnych. Tworzy on przewodzącą sieć trwale zintegrowaną z powierzchnią monitorowanego elementu. – Czujnik został zaprojektowany tak, aby „pracować” razem z konstrukcją – wyjaśnia dr inż. Kurnyta. – Jeśli w materiale pojawia się pęknięcie, czujnik przerywa się w tym samym miejscu i czasie, generując jednoznaczny sygnał diagnostyczny.
Takie podejście eliminuje etap interpretacji, czy zmiana sygnału oznacza rzeczywiste uszkodzenie, czy jedynie fluktuację np. przez czynniki zewnętrzne. Informacja o pęknięciu nie jest wnioskowana pośrednio – wynika bezpośrednio z fizycznego przerwania ciągłości czujnika.
Istotną rolę odgrywa tu technologia druku ekstruzyjnego, która pozwala precyzyjnie dopasować geometrię czujnika do miejsc koncentracji naprężeń: otworów, nitów, śrub, krawędzi czy przewężeń. Czujniki zachowują przy tym dużą elastyczność, dzięki czemu mogą być instalowane także na elementach o krzywoliniowej i nieregularnej geometrii, zarówno w zastosowaniach indoor, jak i outdoor. – To rozwiązanie, które dostosowuje się do obiektu, a nie wymaga dostosowania obiektu do technologii – podkreśla Kurnyta.
W praktyce oznacza to możliwość monitorowania dokładnie tych miejsc, które z punktu widzenia bezpieczeństwa są najbardziej newralgiczne. Dla użytkownika przekłada się to na większą pewność diagnozy, szybszą interpretację sygnału i mniejsze ryzyko fałszywych alarmów – a więc na decyzje podejmowane szybciej i z większą odpowiedzialnością operacyjną.
Od detekcji do kwantyfikacji: gdy sygnał staje się wiedzą
W wielu systemach monitorowania konstrukcji informacja kończy się na sygnale ostrzegawczym: coś się wydarzyło. Bez wiedzy o skali uszkodzenia i tempie jego rozwoju decyzje o dalszej eksploatacji nadal podejmowane są w trybie reaktywnym – często z nadmiarem ostrożności lub zbyt późno.
DETEKTA rozszerza ten model, umożliwiając nie tylko wykrycie pęknięcia, ale także śledzenie jego propagacji i określenie rzeczywistego rozmiaru uszkodzenia. Zmiana parametrów elektrycznych czujnika, wynikająca z jego stopniowego przerywania, pozostaje bezpośrednio powiązana z długością pęknięcia w materiale konstrukcyjnym. – Nie wystarczy wiedzieć, że pęknięcie się pojawiło. Kluczowe jest określenie jego wielkości i tempa rozwoju – podkreśla dr Kurnyta. – Dopiero wtedy można świadomie zarządzać ryzykiem technicznym.
W efekcie użytkownik otrzymuje informację odnoszącą się bezpośrednio do stanu konstrukcji, możliwą do zestawienia z kryteriami projektowymi i eksploatacyjnymi. System staje się narzędziem planowania działań utrzymaniowych, a nie jedynie alarmem, który wymusza natychmiastową reakcję.
Technologia, która dopasowuje się do obiektu – a nie odwrotnie
Jednym z głównych powodów, dla których innowacyjne systemy monitorowania nie wychodzą poza etap pilotażu, jest ich ograniczona podatność wdrożeniowa. Konstrukcje rzeczywiste rzadko przypominają modele laboratoryjne: mają nieregularną geometrię, lokalne koncentracje naprężeń, elementy złączne i ograniczony dostęp montażowy. W takich warunkach „uniwersalne” rozwiązania często zawodzą.
DETEKTA została zaprojektowana z myślą o tej właśnie rzeczywistości. Zastosowanie technologii wytwarzania przyrostowego – w tym druku ekstruzyjnego – pozwala na szybkie i precyzyjne dostosowanie geometrii czujnika do konkretnego elementu konstrukcji. Sieć pomiarowa może być projektowana z uwzględnieniem otworów, nitów, śrub, krawędzi czy przewężeń, czyli miejsc, w których ryzyko inicjacji pęknięcia jest największe. – Nie projektujemy jednego „idealnego” czujnika do wszystkich zastosowań – zaznacza kierownik projektu. – Projektujemy technologię, by dostosować czujnik pod konkretną lokalizację i problem konstrukcyjny.
Elastyczność zastosowanych polimerowych warstw izolacyjnych sprawia, że czujniki mogą być instalowane także na elementach o krzywoliniowej geometrii. Co istotne, technologia została zweryfikowana zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w testach środowiskowych, obejmujących oddziaływanie zmiennej temperatury, wilgotność oraz obciążeń mechanicznych.
Ważnym, choć często pomijanym aspektem innowacyjności jest również sam proces wytwarzania. Metody addytywne ograniczają ilość odpadów materiałowych i nie wymagają stosowania agresywnych środków chemicznych, typowych dla klasycznych technologii produkcji elektroniki. W efekcie system jest nie tylko funkcjonalny, ale również bardziej efektywny środowiskowo – co coraz częściej staje się istotnym kryterium inwestycyjnym.
Z perspektywy użytkownika oznacza to krótszy czas przygotowania rozwiązania, mniejsze koszty adaptacji oraz większą pewność, że system będzie działał stabilnie w realnych warunkach eksploatacyjnych, a nie tylko w kontrolowanym środowisku testowym.
Gdzie DETEKTA ma największy sens: od infrastruktury po przemysł ciężki
Zmiana paradygmatu monitorowania konstrukcji ma realną wartość tylko wtedy, gdy da się ją przełożyć na praktykę. W przypadku DETEKTA kluczowe znaczenie ma to, że system został zaprojektowany z myślą nie tylko o obiektach nowych, ale też już eksploatowanych – tam, gdzie dostęp jest utrudniony, a ryzyko uszkodzeń rośnie wraz z czasem pracy.
Największy potencjał wdrożeniowy widać dziś w sektorze infrastruktury i budownictwa: mostach, wieżach, halach przemysłowych czy konstrukcjach stalowych. To obiekty, które z jednej strony podlegają regularnym kontrolom, a z drugiej – coraz częściej przekraczają pierwotnie zakładany okres eksploatacji. W takich warunkach ciągła informacja o stanie newralgicznych elementów staje się istotnym narzędziem zarządczym. – Tam, gdzie koszt przestoju lub awarii jest wysoki, a dostęp do konstrukcji utrudniony, ciągły monitoring zaczyna mieć przewagę nad klasycznymi inspekcjami okresowymi – zauważa dr inż. Artur Kurnyta. – Nie chodzi o ich całkowite zastąpienie, lecz o to, by wykonywać je wtedy, gdy rzeczywiście są potrzebne.
Podobna logika dotyczy kolei, lotnictwa, sektora automotive, przemysłu wydobywczego i energetycznego. W tych branżach uszkodzenia zmęczeniowe często rozwijają się latami, a decyzje o wyłączeniu obiektu z eksploatacji mają bezpośrednie przełożenie na koszty operacyjne. System, który pozwala śledzić rozwój pęknięcia w czasie, daje możliwość przesunięcia naprawy na moment logistycznie i technicznie uzasadniony.
Warto podkreślić, że DETEKTA może działać zarówno jako część kompletnego systemu monitorowania, jak i jako samodzielne czujniki współpracujące z istniejącą aparaturą pomiarową – np. tensometryczną. Otwiera to drogę do stopniowego wdrażania technologii, bez konieczności przebudowy całej infrastruktury pomiarowej. – Z perspektywy użytkownika kluczowe jest to, że system daje elastyczność: można zacząć od kilku krytycznych lokalizacji i skalować rozwiązanie wraz z potrzebami – podkreśla kierownik projektu.
W efekcie DETEKTA jest narzędziem, które wpisuje się w realne procesy utrzymania ruchu i zarządzania ryzykiem technicznym. Dla decydentów oznacza to możliwość lepszego bilansowania bezpieczeństwa, kosztów i czasu – bez rezygnacji z kontroli, ale z większą kontrolą nad samą kontrolą.
DETEKTA nie proponuje rewolucji w sensie spektakularnego „zastąpienia” dotychczasowych metod kontroli. Jej istota leży gdzie indziej – w przesunięciu punktu ciężkości z harmonogramów na dane, z reakcji na proaktywność, z okresowego sprawdzania na ciągłą świadomość stanu technicznego konstrukcji. W przemyśle i infrastrukturze, gdzie coraz więcej obiektów pracuje dłużej, intensywniej i w zmiennych warunkach, taka zmiana logiki może okazać się kluczowa. – Największym wyzwaniem nie jest dziś samo wykrycie uszkodzenia, lecz decyzja, co dalej z tą wiedzą zrobić – podsumowuje dr inż. Artur Kurnyta. – Jeżeli potrafimy mierzyć rozwój pęknięcia w czasie, możemy zarządzać ryzykiem technicznym w sposób bardziej świadomy i odpowiedzialny.
W tym sensie DETEKTA wpisuje się w szerszy trend Przemysłu 4.0. To podejście szczególnie istotne w czasach presji kosztowej, rosnących wymagań bezpieczeństwa i ograniczonej dostępności wykwalifikowanych kadr technicznych.
Projekt DETEKTA jest finansowany ze środków budżetu Państwa, w ramach programu LIDER XII Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (umowa nr LIDER/56/0290/L-12/20 NCBR/2021).
Jego rozwój pokazuje, że innowacje w obszarze monitorowania konstrukcji nie muszą polegać na komplikowaniu systemów, lecz na lepszym dopasowaniu technologii do rzeczywistych potrzeb eksploatacyjnych.
Ostatecznie pytanie, które DETEKTA stawia branży, nie brzmi: czy da się monitorować konstrukcje inaczej. Brzmi raczej: czy wciąż stać nas na podejmowanie decyzji wyłącznie na podstawie kalendarza…
