Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Design, optimization, and real-time structural health monitoring using embedded 3d-printed piezoresistive sensors in composite structures
Autor(es): MUSA, Ibraim Umar
Primeiro Orientador: GOMES, Guilherme Ferreira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SONEGO, Marilia
metadata.dc.contributor.referee1: GOMES, Guilherme Ferreira
metadata.dc.contributor.referee2: CUNHA JUNIOR, Sebastião Simões da
metadata.dc.contributor.referee3: SILVA, da Silva
Resumo: O Monitoramento da Sa´ude Estrutural (Structural Health Monitoring - SHM) ´e fundamental para garantir a seguran¸ca e a longevidade de infraestruturas cr´ıticas e estruturas de comp´ositos avan¸cados. Embora sensores embutidos ofere¸cam uma abordagem promissora para o monitoramento em tempo real por meio da detec¸c˜ao in-situ de danos, sua ado¸c˜ao ainda ´e limitada por desafios relacionados `a interface sensor-material, `a otimiza¸c˜ao geom´etrica e `a escassez de valida¸c˜oes em n´ıvel de sistema. Esta disserta¸c˜ao apresenta uma estrutura integrada de “Experimentar-Modelar-Otimizar-Validar” para o desenvolvimento, otimiza¸c˜ao e integra¸c˜ao de sensores piezoresistivos de deforma¸c˜ao fabricados por manufatura aditiva. Uma revis˜ao sistem´atica identificou a predominˆancia de sensores piezoresistivos `a base de carbono produzidos por Modelagem por Deposi¸c˜ao Fundida (FDM) e destacou a necessidade de equilibrar a sensibilidade do sensor com a integridade mecˆanica da estrutura hospedeira. Para enfrentar esse desafio, foi desenvolvida uma metodologia computacional e experimental combinando Planejamento de Experimentos (DoE), Regress˜ao por Processo Gaussiano (GPR) e Otimiza¸c˜ao por Enxame de Part´ıculas Multiobjetivo (MOPSO). A an´alise avaliou a influˆencia de parˆametros geom´etricos, como largura e espa¸camento de trilhas, espessura e la¸cos terminais, sobre o desempenho dos sensores. Os resultados experimentais mostraram que configura¸c˜oes totalmente embutidas atingiram elevada sensibilidade piezoresistiva (Gauge Factor ≈ 59), enquanto uma variante geometricamente escalonada restaurou a rigidez da estrutura hospedeira para n´ıveis pr´oximos aos originais (≈ 2,18 GPa), sem perda significativa de sensibilidade. Para aproximar os resultados laboratoriais de aplica¸c˜oes reais, as arquiteturas otimizadas foram integradas a uma estrutura de pilar aeroespacial geometricamente complexa utilizando FDM multimaterial. O posicionamento dos sensores foi definido por An´alise de Elementos Finitos (FEA), enquanto uma rede redundante garantiu tolerˆancia a falhas. Ensaios validados por Correla¸c˜ao Digital de Imagens (DIC) demonstraram sincroniza¸c˜ao precisa entre as respostas dos sensores e a deforma¸c˜ao mecˆanica, al´em da capacidade de identificar anomalias de carregamento assim´etrico. Em s´ıntese, esta pesquisa estabelece uma metodologia robusta e escal´avel para a integra¸c˜ao de sensores impressos em 3D em estruturas auto-sensoriadas, contribuindo para o avan¸co do SHM em tempo real em aplica¸c˜oes aeroespaciais e de engenharia civil.
Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) is an essential strategy for ensuring the safety and longevity of critical infrastructure and advanced composite structures. While embedded sensors offer a transformative approach to real-time monitoring by enabling in-situ damage detection, their widespread adoption is hindered by challenges at the sensor-material interface, unoptimized geometric designs, and a critical lack of system-level validation in complex load-bearing components. This thesis presents a comprehensive ”Experiment- Model-Optimize-Validate” framework for the development, optimization, and system-level integration of additively manufactured piezoresistive strain sensors. Through a systematic review of the state-of-the-art, the predominance of carbon-based piezoresistive sensors manufactured via Fused Deposition Modeling (FDM) was established, alongside the critical need to balance sensor sensitivity with the mechanical integrity of the host structure. To address this inherent trade-off, a rigorous computational and experimental methodology was developed. A Design of Experiments (DoE) evaluated the influence of geometric parameters (trace width, inter-trace distance, thickness, and end-loops) on sensor performance. Utilizing Gaussian Process Regression (GPR) and a Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm, optimal geometries were identified. Experimental validation demonstrated that fully embedded configurations achieved exceptional piezoresistive sensitivity (Gauge Factor ≈ 59), while a geometrically scaled variant successfully restored the host structure’s stiffness to near-native levels (≈ 2.18 GPa) without significant loss of sensitivity. To bridge the gap between laboratory-scale coupon testing and field-ready deployment, the optimized sensing architectures were integrated into a geometrically complex aerospace pylon structure using multi-material FDM. Sensor placement was strategically guided by Finite Element Analysis (FEA) to target critical strain hotspots, and a redundant sensing network was implemented to ensure fault tolerance. System-level testing, validated by full-field Digital Image Correlation (DIC), proved that the embedded sensors exhibited high-fidelity temporal synchronization with mechanical deformation, capturing transient structural events with negligible viscoelastic lag. Furthermore, the redundant architecture successfully maintained monitoring capabilities and diagnosed asymmetrical loading anomalies. Ultimately, this research provides a highly scalable and robust methodology for transitioning 3D-printed embedded sensors from isolated component optimization to integrated, self-sensing structural systems, advancing the technological readiness of real-time SHM in aerospace and civil engineering applications.
Palavras-chave: Structural health monitoring (SHM)
Additive manufacturing
Fused deposition modeling (FDM)
Piezoresistive sensors
Conductive PLA
Multi-objective particle swarm optimization (MOPSO)
Composite structures
Embedded sensors
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica
Citação: MUSA, Ibraim Umar. Design, optimization, and real-time structural health monitoring using embedded 3d-printed piezoresistive sensors in composite structures. 2026. 183 f. Dissertação. (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4472
Data do documento: 1-Jul-2026
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