Gruppo Costruzione di Macchine RE La meccanica degli … · Principio di funzionamento...

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


Cambiano reversibilmente caratteristiche reologiche

(forma, rigidezza, viscosità)

se sottoposti a stimolo fisico

(temperatura, campo elettrico/magnetico)

originato da corrente elettrica


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


500°, 30 min


?



Memorizzazione della forma (una tantum)

Fonte di riscaldamento (corrente elettrica, calore)

Sistema di riarmo (peso, molla, carico esterno…)


Sensore-attuatore

Molla SMA Molla Riarmo

Cassetto

Acqua miscelata

Acqua fredda Acqua calda


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


SMA 1 SMA 2

Compensatore


SMA 1 SMA 2

Compensatore


SMA 1 SMA 2

Compensatore



Forza (N)

Co

rsa

(mm

)Compensato

Tradizionale


Deformazione / Spostamento

Ten

sio

ne

/ F

orz

a


Spostamento

Fo

rza

Forzautile

Forzautile

Forz

a

Spostamento

SMA

± F

+F

-F

Corsa


Riarmo

Forz

a

Spostamento

+F

-F

Corsa

+F

-F

Corsa


SMA

± FRiarmo

Corsa

Forz

a

Spostamento

+F

-F-F

+F

Corsa


SMA

± FRiarmo

Forz

a

Spostamento


SMA

± FRiarmo

Riarmo


Massa (kg)

Po

ten

za s

pe

cifi

ca (

W/k

g)


Corsa specifica

Fo

rza

spe

cifi

ca

Prestazioni attuatori SMA


∆x

∆ x


∆x

∆θ



Molla a nastro SMA



Sinistra Centro Destra

Telaio

Cassetto

Lamine elastiche

Molle SMA



Filo SMA

Lamina

elastica

Freddo Caldo

Corsa

Forza


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


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


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



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��

��

��

��

��

��

��

��

��



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.

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