Sommario
La meccanica degli attuatori
Principio di funzionamento
Eugenio Dragoni
Sistemi di riarmo
Giovanni Scirè
Andrea Spaggiari
Igor Spinella
Università di Modena e Reggio Emilia
Modelli di comportamento meccanico
Attuatori non convenzionali
Fatica termomeccanica
Giornata “Leghe a memoria di forma”
Museo della Scienza e della Tecnica – Milano – 7 Novembre 2013
Principio di funzionamento
Principio di funzionamento
500°, 30 min
?
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
Sistemi di riarmo
Forza costante (Peso, molla a nastro)
Molla elastica
Molla SMA
Compensazione negativa (meccanismi bistabili)
Sistemi di riarmo (forza costante)
Sistemi di riarmo (forza costante)
∆
Freddo
Freddo
Caldo
Sistemi di riarmo (forza costante)
Sistemi di riarmo (molla lineare)
Freddo
∆
Caldo
Sistemi di riarmo (molla lineare)
Sistemi di riarmo (molla SMA)
Freddo
Caldo
∆
Caldo
Sistemi di riarmo (molla SMA)
Freddo
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
Compensatore
SMA1
SMA2
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 1
SMA 2
Compensatore
Compensatore
SMA 1
SMA 2
Compensatore
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 1
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
SMA 2
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
Sistemi di riarmo (compensazione negativa)
Modelli di comportamento meccanico
Tensione / Forza
Corsa (mm)
Compensato
Tradizionale
Forza (N)
Modelli di comportamento meccanico
Deformazione / Spostamento
Modelli di comportamento meccanico
±F
Riarmo
SMA
Forza
Forza
utile
+F
Forza
utile
Forza
Spostamento
-F
Corsa
Spostamento
Modelli di comportamento meccanico
Modelli di comportamento meccanico
±F
±F
Riarmo
Riarmo
SMA
SMA
+F
Forza
Forza
-F
+F
-F
+F
+F
-F
-F
Corsa
Corsa
Corsa
Corsa
Spostamento
Spostamento
Modelli di comportamento meccanico
Attuatori non convenzionali
±F
Forza
SMA
Riarmo
Spostamento
Potenza specifica (W/kg)
Riarmo
Massa (kg)
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Prestazioni attuatori SMA
Forza specifica
∆x
∆x
Corsa specifica
Attuatori non convenzionali
∆θ
∆x
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Molla a nastro SMA
Attuatori non convenzionali
Attuatori non convenzionali
Lamine elastiche
Telaio
Cassetto
Molle SMA
Sinistra
Centro
Destra
Attuatori non convenzionali
Freddo
Attuatori non convenzionali
Freddo
Caldo
Caldo
Doppio arco
Filo SMA
Lamina
elastica
Forza
Multi-stadio
Corsa
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
Fatica termomeccanica
Fatica termomeccanica
Tensione
Tensione costante e
deformazione limitata
Tensione
Tensione costante
Telaio
secondario
Cella di
carico
Ventola
Filo SMA
Deformazione
Deformazione
Peso
Deformazione costante
Sensore di
posizione
Tensione
Tensione
Tensione-deformazione
variabile
Alimentazione
Deformazione
Telaio
primario
Deformazione
Fatica termomeccanica
Fatica termomeccanica
Tensione costante
Tensione costante
Survived
200
Sopravv.
(5x105 cicli)
150
log(N)=5.53 - 9.919x10-3 · σ
100
=101.8 MPa
Limite diσwfatica
≈ 102 MPa
8
εeA
A
7
8
SME
σ =εeMM100 SME
MPa
5
3
3
σ = 100MPa
Numero
Cycles,di
N cicli
2×
×106
σ = 200Pa
2
Caldo
Caldo
1
0
1.0E+06
Differenziale
4
Differenziale
1
1.0E+05
Freddo
5
4
50
1.0E+04
SME
σ =εeMM200 SME
MPa
6
Freddo
2
0
1.0E+03
εeA
A
7
6
ε (%)
Failure
Rottura
Deformazione (%)
Tensione
applicata
Stress,
σ (MPa) (MPa)
250
0
0
125000
250000
375000
500000
0
Numero di cicli
1250
2500
3750
5000
Fatica termomeccanica
Fatica termomeccanica
Deformazione costante
Deformazione costante
1200
6
Rottura
4
3
log(N)=4.362 - 1.207x10-1 · ε%
2
1
0
1.0E+03
1%
2%
4%
5%
3%
1000
Tensione
caldo (MPa)
σ max a(MPa)
Deformazione
(%)
Strain, εapplicata
(%)
Failure
5
800
600
400
200
0
1.0E+04
1.0E+05
1
Numero
Cycles, Ndi cicli
Conclusioni
La meccanica degli attuatori a memoria di forma è facile
10
100
1000
10000 100000
Numero
Ν di cicli
Domande?
σ
Caldo
A
Austenite(T >Af)
Ea
Esistono semplici criteri di progettazione
Freddo
C
σg
σom
O
Le prestazioni dipendono dal sistema di riarmo
Le architetture non-convenzionali offrono vantaggi
Servono dati su fatica strutturale e funzionale
Martensite (T < Mf )
B
Emb
Ema
εg
εadm ε
