La meccanica degli attuatori
a memoria di forma
Eugenio Dragoni
Giovanni Scirè
Andrea Spaggiari
Igor Spinella
Università di Modena e Reggio Emilia
Seminario Università degli Studi di Pavia31 Gennaio 2014
Gruppo Costruzione di Macchine RE
Materiali leggeri (polimeri, adesivi)
Materiali meccatronici
Materiali meccatronici
Cambiano reversibilmente caratteristiche reologiche
(forma, rigidezza, viscosità)
se sottoposti a stimolo fisico
(temperatura, campo elettrico/magnetico)
originato da corrente elettrica
Materiali meccatronici
Liquidi magnetoreologici
Polimeri elettroattivi
Ceramiche piezoelettriche
Leghe a memoria di forma
Leghe a memoria di forma: attuatori
Principio di funzionamento
Sistemi di riarmo
Modelli di comportamento meccanico
Attuatori non convenzionali
Fatica termomeccanica
Linee di sviluppo
Principio di funzionamento
500°, 30 min
Principio di funzionamento
?
Principio di funzionamento
Principio di funzionamento
Memorizzazione della forma (una tantum)
Fonte di riscaldamento (corrente elettrica, calore)
Sistema di riarmo (peso, molla, carico esterno…)
Principio di funzionamento
Sensore-attuatore
Molla SMA Molla Riarmo
Cassetto
Acqua miscelata
Acqua fredda Acqua calda
Principio di funzionamento
Attuatore
Sistemi di riarmo
Forza costante (Peso, molla a nastro)
Molla elastica
Molla SMA
Compensazione negativa (meccanismi bistabili)
Sistemi di riarmo (forza costante)
CaldoFreddoFreddo
∆
Sistemi di riarmo (forza costante)
Sistemi di riarmo (forza costante) Sistemi di riarmo (molla lineare)
Caldo
Freddo
∆
Sistemi di riarmo (molla lineare) Sistemi di riarmo (molla SMA)
∆
CaldoFreddo
Caldo Freddo
Sistemi di riarmo (molla SMA)
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA1 SMA2
Compensatore
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 1 SMA 2
Compensatore
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 1 SMA 2
Compensatore
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 1 SMA 2
Compensatore
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
Forza (N)
Co
rsa
(mm
)Compensato
Tradizionale
Modelli di comportamento meccanico
Deformazione / Spostamento
Ten
sio
ne
/ F
orz
a
Modelli di comportamento meccanico
Spostamento
Fo
rza
Forzautile
Forzautile
Forz
a
Spostamento
SMA
± F
+F
-F
Corsa
Modelli di comportamento meccanico
Riarmo
Forz
a
Spostamento
+F
-F
Corsa
+F
-F
Corsa
Modelli di comportamento meccanico
SMA
± FRiarmo
Corsa
Forz
a
Spostamento
+F
-F-F
+F
Corsa
Modelli di comportamento meccanico
SMA
± FRiarmo
Forz
a
Spostamento
Modelli di comportamento meccanico
SMA
± FRiarmo
Riarmo
Attuatori non convenzionali
Massa (kg)
Po
ten
za s
pe
cifi
ca (
W/k
g)
Attuatori non convenzionali
Corsa specifica
Fo
rza
spe
cifi
ca
Prestazioni attuatori SMA
Attuatori non convenzionali
∆x
∆ x
Attuatori non convenzionali
∆x
∆θ
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Molla a nastro SMA
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Sinistra Centro Destra
Telaio
Cassetto
Lamine elastiche
Molle SMA
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Filo SMA
Lamina
elastica
Freddo Caldo
Corsa
Forza
Attuatori non convenzionali
Freddo Caldo
Doppio arco
Multi-stadio
Attuatori non convenzionali Fatica termomeccanica
Gli elementi SMA degli attuatori sono soggetti a ciclo termico
Nascono tensioni e deformazioni variabili nel tempo
Esiste pericolo di rottura o degrado funzionale per fatica
termomeccanica
Ten
sio
ne
Deformazione
Tensione costante
Ten
sio
ne
Deformazione
Deformazione costante
Ten
sio
ne
Deformazione
Tensione costante e
deformazione limitataTe
nsi
on
e
Deformazione
Tensione-deformazione
variabile
Fatica termomeccanica Fatica termomeccanica
Sensore di posizione
Filo SMA
Telaioprimario
Telaio secondario
Cella di carico
Ventola
Alimentazione
Peso
Fatica termomeccanica
0
50
100
150
200
250
1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06
Str
ess,
σσ σσ(M
Pa)
Cycles, N
Failure Survived
log(N)=5.53 - 9.919x10-3 ·σ
σw=101.8 MPa
Numero di cicli
Ten
sio
ne
ap
pli
cata
(MP
a)
���� Rottura
���� Sopravv. (5x105 cicli)
��������
���� ����
��������
����
����
����
��������
Limite di fatica ≈ 102 MPa
2××××106
Tensione costante
Fatica termomeccanica
Tensione costante
Numero di cicli
De
form
azi
on
e (
%)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 125000 250000 375000 500000
εε εε(%
)
eA eM SMEεA εM SME
σ = 100MPa
σ = 100 MPa
Freddo
Caldo
Differenziale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1250 2500 3750 5000
eA eM SMEεA εM SME
σ = 200Pa
σ = 200 MPa
Freddo
Caldo
Differenziale
Fatica termomeccanica
Deformazione costante
0
1
2
3
4
5
6
1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05
Str
ain
, εε εε(%
)
Cycles, N
Failure
log(N)=4.362 - 1.207x10-1 ·ε%
Numero di cicli
De
form
azi
on
e a
pp
lica
ta(%
)
���� Rottura��������
��������
��������
����
����
����
����
���� ����
������������
Fatica termomeccanica
Deformazione costante
Numero di cicli
Ten
sio
ne
a c
ald
o(M
Pa
)
Linee di sviluppo
Motori angolari continui
Recupero energia a bassa entalpia
Linee di sviluppo
Filo SMA
Ruota libera
Motore angolare continuo
Molla
Linee di sviluppo
Recupero di energia a bassa entalpia
Conclusioni
La meccanica degli attuatori a memoria di forma è facile
Esistono semplici criteri di progettazione
Le prestazioni dipendono dal sistema di riarmo
Le architetture non-convenzionali offrono vantaggi
Servono dati su fatica strutturale e funzionale
Promettente il recupero di energia a bassa entalpia
Domande?
O ε
σ
Ea
Emb
Austenite(T >Af)
Martensite (T < Mf )
εg
σg
Ema
A
B
C
εadm
σom
Freddo
Caldo
Bibliografia (1/2)
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