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)

G. Scirè Mammano, E. Dragoni (In stampa) “Functional fatigue of Ni–Ti shape memory wires under various loading conditions”, Int. J.

Fatigue, (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112312000874).

G. Scirè Mammano, E. Dragoni (In stampa) "Elastic compensation of linear shape memory alloy actuators using compliant

mechanisms", J. Intelligent Material Systems and Structures, (doi: 10.1177/1045389X13488253).

A. Spaggiari, E. Dragoni (In stampa) " Analytical and numerical modeling of shape memory alloy Negator springs for constant-force,

long-stroke actuators ", J. Intelligent Material Systems and Structures, (doi: 10.1177/1045389X13493354).

A. Spaggiari, I. Spinella, E. Dragoni (2013) “Design equations for binary shape memory actuators under arbitrary external forces”, J.

Intelligent Material Systems and Structures, 24(6), 682-694.

G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2013) “Design and testing of an enhanced shape memory actuator elastically compensated by a

bistable rocker arm”, J. Intelligent Material Systems and Structures, 24(6), 704-716.

A. Spaggiari, G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2012) " Optimum mechanical design of binary actuators based on shape memory alloys",

in Smart Actuation and Sensing Systems - Recent Advances and Future Chall., G. Berselli, R. Vertechy, G. Vassura (Eds). Intech, 3-34.

G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2011) “Modelling of wire-on-drum shape memory actuators for linear and rotary motion”, J.

Intelligent Material Systems and Structures, 22(11), 1129-1140.

A. Spaggiari, E. Dragoni (2011) “Multiphysics Modeling and Design of Shape Memory Alloy Wave Springs as Linear Actuators”, ASME J

Mechanical Design, 133(6), 061008(1-8).

Bibliografia (2/2)

A. Spaggiari, I. Spinella, E. Dragoni (211) “Design of a Telescopic Linear Actuator Based on Hollow Shape Memory Springs”, J. of

Materials Engineering and Performance, 20(4-5), pp.489-486.

G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2011) “Increasing stroke and output force of linear shape memory actuators by elastic

compensation”, Mechatronics, 21(3), 579-580.

I. Spinella, E. Dragoni, F. Stortiero (2010) “Modeling, Prototyping, and Testing of Helical Shape Memory Compression Springs With

Hollow Cross Section”, ASME J. Mech. Design, 132(6), 061008 (9 pp).

I. Spinella, E. Dragoni, (2010) “Analysis and design of hollow helical springs for shape memory actuators”, J. Intelligent Material

Systems and Structures, 21(1), 185-199.

I. Spinella, G. Scirè Mammano, E. Dragoni (2009) “Conceptual design and simulation of a compact shape memory actuator for rotary

motion”, J. of Materials Engineering and Performance, 18(5-6), 638-648.

A. Bellini, M. Colli, E. Dragoni, (2009) “Mechatronic Design of a shape memory alloy actuator for automotive tumble flaps: a case

study”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(7), 2644-2656.

I. Spinella, E. Dragoni, (2009) “Design equations for binary shape memory actuators under dissipative forces”, Proc. IMechE, Part C: J.

Mechanical Engineering Science, 223(C3), 531-543.