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| El dispositivo detecta fallas en materiales compuestos y laminares con una sensibilidad del orden de fracciones de la longitud de onda de la luz. Suministrada por los autores. |
El caso marcó un punto de inflexión para la aviación, al impulsar la incorporación de técnicas de inspección más precisas capaces de identificar este y otros tipos de anomalías estructurales antes de que comprometieran la seguridad de las aeronaves.
Detectar este tipo de defectos en materiales compuestos y laminados es precisamente el objetivo de una tecnología por la que la Universidad del Valle acaba de obtener una patente. El dispositivo, desarrollado por los investigadores Estiven Sánchez Barrera, Joao Luis Ealo Cuello, Diego Reinel Gutiérrez Vecca y Diego Fernando Méndez Velásquez, combina un láser, una cámara industrial y técnicas de interferometría óptica para reconstruir la respuesta de estos materiales frente a estímulos térmicos y ultrasónicos. De esta manera, permite identificar fallas internas y superficiales sin necesidad de desmontar las piezas ni causarles daño.
La invención tiene el potencial de fortalecer los procesos de inspección y control de calidad en industrias como la aeronáutica, la automotriz y la construcción, donde el uso de estos materiales es intensivo. Además, podría aplicarse en la agricultura para evaluar el estado fisiológico de las plantas a partir del análisis de sus hojas, proporcionando información sobre variables como el contenido de agua y el estrés hídrico.
Materiales compuestos: el pasado, presente y futuro de la industria
Los materiales compuestos son claves en industrias como la aeronáutica y la automotriz, pues permiten estructuras resistentes y livianas.
Los materiales compuestos están presentes en numerosos objetos y estructuras, desde las paredes de concreto de los edificios hasta las carcasas de los teléfonos móviles. Estos se obtienen al combinar dos o más materiales con propiedades diferentes para crear uno nuevo con características superiores, como mayor resistencia, menor peso o mayor durabilidad.
Aunque la humanidad ha combinado materiales desde la antigüedad (como ocurrió con la mezcla de arcilla, arena y agua para fabricar adobe hace más de 5.000 años), los materiales compuestos modernos surgieron durante el siglo XX. Las industrias aeronáutica, automotriz y militar impulsaron el desarrollo de resinas sintéticas, fibras de alto desempeño y materiales laminados (constituidos por varias capas unidas entre sí). Estos avances permitieron fabricar estructuras más ligeras y resistentes, favoreciendo la adopción de estos materiales en numerosos sectores.
Sin embargo, para que estos materiales desempeñen adecuadamente su función, es indispensable preservar su integridad estructural desde la fabricación y durante toda su vida útil. Defectos como grietas, delaminaciones o rupturas de fibras pueden disminuir su resistencia y comprometer el funcionamiento de los componentes en los que se emplean, con posibles consecuencias para la seguridad.
El principal desafío es que muchas de estas anomalías no son visibles a simple vista. Algunas se desarrollan en el interior del material y otras son tan pequeñas que solo pueden detectarse mediante técnicas especializadas de inspección, como el ultrasonido y la termografía. Sin embargo, estos métodos suelen requerir equipos de alta especialización y elevados costos, además de condiciones específicas de operación, lo que puede limitar su implementación en determinados entornos y aplicaciones.
Una nueva herramienta para detectar defectos ocultos
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| Diego Reinel Gutiérrez Vecca, Estiven Sánchez Barrera, Joao Luis Ealo Cuello y Diego Fernando Méndez Velásquez fueron los inventores del dispositivo. Suministrada por los autores. |
Con el propósito de superar las limitaciones de las técnicas convencionales de inspección, los investigadores Estiven Sánchez Barrera, Joao Luis Ealo Cuello, Diego Reinel Gutiérrez Vecca y Diego Fernando Méndez Velásquez desarrollaron el proyecto "Método y dispositivo para la medición de desplazamientos y visualización de modos de vibración en materiales laminares por medio de interferometría speckle y estimulación vibratoria o ultrasónica".
"Este trabajo se desarrolló en el marco de una convocatoria de MinCiencias, que me permitió realizar una investigación posdoctoral con el Grupo de Investigación en Mejoramiento Industrial de la Universidad del Valle", contó Estiven Sánchez, quien es físico y magíster y doctor en Ingeniería Mecánica.
La investigación dio lugar a un equipo capaz de mapear la respuesta de materiales compuestos y laminares cuando son sometidos a estímulos térmicos y ultrasónicos. A partir de ese mapeo, los profesionales pueden identificar deformaciones o vibraciones anómalas asociadas con delaminaciones (separaciones entre las capas que conforman el material), fisuras en la matriz (el componente que mantiene unidas las fibras), rupturas de fibras y otros defectos.
"El sistema nos proporciona imágenes del comportamiento de estos materiales ante estímulos térmicos y mecánicos, lo que permite determinar si presentan o no defectos", explicó el investigador.
Luz, interferencia y detección de anomalías
Partes principales del dispositivo. Suministrada por los autores.
El dispositivo está conformado por un láser, un divisor de haz, un elemento difusor, un módulo de excitación ultrasónica, una fuente de estimulación térmica, un diafragma de doble abertura y una cámara industrial.
“Y su funcionamiento se basa en la interferometría speckle, una técnica óptica de alta precisión que permite medir desplazamientos, deformaciones y vibraciones extremadamente pequeñas en la superficie de un material", detalló Sánchez.
Para ello, el láser incide sobre un divisor de haz que separa la luz en dos trayectorias: una se dirige hacia una de las aberturas del diafragma, ubicado frente a la cámara, mientras que la otra llega al elemento difusor, que expande el haz sobre la superficie del material y genera un patrón conocido como speckle o moteado.
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| Recorrido del haz de luz. Suministrada por los autores. |
La luz reflejada por la superficie atraviesa la segunda abertura del diafragma y es captada por la cámara, donde se superpone con el haz que llega directamente desde el divisor. Al encontrarse, ambos haces interfieren entre sí: en algunos puntos las ondas luminosas se refuerzan y en otros se cancelan parcialmente, formando un patrón de franjas claras y oscuras denominado patrón de interferencia.
"Este patrón depende de la diferencia de fase entre ambos haces de luz, es decir, de la diferencia en el punto del ciclo de oscilación en el que se encuentra cada onda cuando llega a la cámara. Esta diferencia se origina porque ambos haces recorren trayectorias ópticas distintas".
A continuación, la imagen del patrón de interferencia es procesada mediante un software que aplica la transformada de Fourier para analizar la distribución espacial de las variaciones de intensidad. A partir de este procesamiento, el sistema reconstruye la diferencia de fase entre los dos haces de luz.
"Como la diferencia de fase está directamente relacionada con el recorrido óptico de ambos haces, es posible determinar con gran precisión la distancia recorrida por cada uno. Y dado que la trayectoria del haz reflejado depende de la posición de la superficie, el dispositivo puede medir con exactitud su ubicación y, cuando se aplica un estímulo, cuantificar su desplazamiento y comportamiento", indicó el inventor.
Una vez reconstruida la diferencia de fase, el siguiente paso consiste en identificar cómo cambia la superficie cuando es sometida a una excitación. Para ello, el sistema compara dos mediciones interferométricas: una antes y otra durante la estimulación, ya sea ultrasónica (mediante ondas sonoras de alta frecuencia que inducen vibraciones sin contacto físico) o térmica (mediante radiación electromagnética). A partir de esta comparación se construye un mapa de fase.
"El mapa de fase muestra el desplazamiento de cada zona de la superficie. Visualmente, se representa mediante píxeles con diferentes intensidades de luz y valores de fase que reconstruyen el comportamiento de cada región analizada".
Mapas de fase de superficies en buen estado durante la estimulación ultrasónica (modos naturales de vibración) y térmica (dilatación térmica uniforme), respectivamente. Suministrada por los autores.
"En el caso de la excitación térmica, un material en buen estado se dilata de manera uniforme".
En cambio, cuando la superficie presenta anomalías, su respuesta a la estimulación es diferente.
"Las zonas con defectos responden de forma distinta al resto del material: vibran de manera diferente a los modos naturales o se dilatan de forma no uniforme. Estos comportamientos anómalos quedan representados en el mapa de fase, lo que facilita la identificación del daño", señaló Sánchez.
Detección precisa, portátil y de bajo costo
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| Mapa de fase de un material con fallas estructurales. Suministrada por los autores. |
La capacidad de este dispositivo para caracterizar el comportamiento de los materiales permite detectar anomalías superficiales e internas con una precisión del orden de fracciones de la longitud de onda de la luz.
"Esto lo hace sin destruir ni desmontar las piezas, una ventaja importante para la industria porque preserva la integridad de los componentes durante la inspección".
Además, al combinar estimulación ultrasónica y térmica, el dispositivo permite identificar tanto cambios en la rigidez como variaciones en la expansión térmica del material, lo que lo convierte en una herramienta muy completa para el control de calidad.
"Es posible detectar delaminaciones, despegues entre interfaces y uniones, pérdidas locales de rigidez, fisuras, daños por impacto, vacíos o porosidades, contaminación con materiales extraños, humedad o infiltración de agua, así como zonas con variaciones en la conductividad térmica".
A estas capacidades se suman su portabilidad y su bajo costo de fabricación.
"El dispositivo cuesta menos de diez millones de pesos, una fracción de lo que valen equipos con capacidades similares", destacó Sánchez.
Del fuselaje de un avión a los cultivos de café
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| Prueba de medición con estimulación ultrasónica a hoja de una planta. Suministrada por los autores. |
Estas características le otorgan al equipo un amplio potencial de aplicación en sectores que emplean de forma intensiva materiales compuestos y laminados.
"La industria aeronáutica y aeroespacial utiliza estos compuestos en componentes críticos, como fuselajes y estructuras. Los sectores naval y automotor los emplean para aumentar la resistencia de embarcaciones y vehículos sin incrementar su peso. En la construcción también son frecuentes como refuerzos y elementos estructurales".
Su implementación en estos sectores podría fortalecer los procesos de control de calidad y contribuir a mejorar la seguridad, la confiabilidad y la vida útil de los componentes.
Más allá del ámbito industrial, esta tecnología también podría aplicarse en la agricultura para evaluar el estado fisiológico de las plantas e identificar alteraciones antes de que sean visibles.
"Por ejemplo, cuando las hojas reciben un estímulo térmico, sus procesos de transpiración pueden modificarse, lo que permite determinar su estado de hidratación. De igual forma, mediante estimulación ultrasónica es posible identificar estrés hídrico, ya que las hojas responden mecánicamente de manera diferente. Esto podría ser de gran utilidad para los productores de café, por ejemplo, que contarían con una herramienta para monitorear el estado hídrico de sus cultivos y optimizar la producción", explicó el científico.
Una tecnología patentada en Colombia
El carácter innovador de esta tecnología fue reconocido con la concesión de la patente de invención "Método y dispositivo para la medición de desplazamientos y visualización de modos de vibración en materiales laminares por medio de interferometría speckle y estimulación vibratoria o ultrasónica", otorgada por la Superintendencia de Industria y Comercio de Colombia mediante la Resolución No. 32077 del 29 de abril de 2026.
"La patente reconoce a la Universidad del Valle como titular de la invención y al profesor Joao Luis Ealo Cuello, así como a los profesionales Diego Reinel Gutiérrez Vecca, Diego Fernando Méndez Velásquez y a mí como inventores de la metodología y del equipo. Esto confirma que se trata de un desarrollo innovador con un importante potencial de aplicación industrial".
La obtención de esta patente constituye un reconocimiento a la capacidad de investigación e innovación de la Universidad del Valle y fortalece las posibilidades de transferir este desarrollo al sector productivo.
"Esto es muy valioso porque demuestra las capacidades que tiene la universidad para desarrollar sistemas orientados a resolver necesidades reales de la industria. Con el apoyo del sector productivo, este tipo de desarrollos puede generar un impacto muy significativo e impulsar el avance de nuevas tecnologías", concluyó Sánchez.
De esta manera, el dispositivo desarrollado por los investigadores representa un avance en la detección no destructiva de anomalías en materiales compuestos y laminados. Su capacidad para identificar defectos sin afectar la integridad de las piezas, sumada a su bajo costo y portabilidad, le otorga un alto potencial para fortalecer los procesos de control de calidad en sectores como la aeronáutica, la industria automotriz, la construcción y, en el futuro, la agricultura.
Por este importante logro, la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle felicita a Estiven Sánchez Barrera, Joao Luis Ealo Cuello, Diego Reinel Gutiérrez Vecca y Diego Fernando Méndez Velásquez, y los anima a continuar desarrollando innovaciones que amplíen las fronteras de la ingeniería y contribuyan a resolver los desafíos del sector productivo.
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