Studio di due casi reali: Attuatore termico ed Attuatore elettrico

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1 Studio di due casi reali: Attuatore termico ed Attuatore elettrico 7 Nov 2013 Museo della Scienza Stefano Alacqua

2 AGENDA Introduzione ATTUATORE TERMICO 1 caso reale: Applicazione Motore ATTUATORE ELETTRICO 2 caso reale: Applicazione Sedile Auto 7 Nov Museo della Scienza

3 AGENDA Introduzione ATTUATORE TERMICO 1 caso reale: Applicazione Motore ATTUATORE ELETTRICO 2 caso reale: Applicazione Sedile Auto 7 Nov Museo della Scienza

4 Introduzione Attuatore Termico Stimolo Termico Riscaldamento Naturale Azione meccanica Attuatore Elettrico Stimolo Elettrico Riscaldamento per effetto Joule Azione meccanica 7 Nov Museo della Scienza

5 AGENDA Introduzione ATTUATORE TERMICO 1 caso reale: Applicazione Motore ATTUATORE ELETTRICO 2 caso reale: Applicazione Sedile Auto 7 Nov Museo della Scienza

6 ATTUATORE TERMICO WARM UP engine for cooling system L attuatore termico SMA regola il percorso dell olio sulla base della sua Temperatura Questo controllo automatico permette la riduzione del consumo di carburante grazie ad un incremento di efficienza termodinamica del motore SMA spring Oil pump SMA spring Valve Cooler Engine Oil T< 60 C Engine Oil T > 80 C

7 ATTUATORE TERMICO Product Design and Development Analisi Funzionale del Sistema e specifiche preliminari Selezione Lega Dimensionamento Attuatore Termico Caratterizzazione Attuatore Fattibilità ed analisi costi Congelamento Soluzione Ottimizzazione Realizzazione Prototipo Attuatore Termico Verifica Funzionale Definizione specifiche Funzionali e di controllo PPAP Pre-series Mass Production 7 Nov Museo della Scienza

8 ATTUATORE TERMICO Analisi funzionale del sistema e definizione specifiche Dispositivo Valvola Cold Condition Hot Condition Initial working specs L1; L2 : 17 mm ; 22 mm Min Stroke : 5 mm F1 : 5 T < 60 C F2 : 30 T > 80 C ID : min 8,5 mm OD : 12,3 mm Heat Sources : oil (sulphurous) Hot Condition : up to 80 C Cold Condition : < 60 C N of cycles : > (3years) Isteresys : the lower the best 7 Nov Museo della Scienza

9 Corsa [%] ATTUATORE TERMICO Selezione della Lega NiTi di partenza L attuatore termico SMA spring è un prodotto molto specifico. La combinazione di molteplici composizioni della lega NiTi, di Trattamenti Termomeccanici, di condizioni operative consente di coprire una ampia gamma di applicazioni Temperatura [ C] Different Alloy for different activation temperature As As Definizione ciclo attraverso condizioni operative Affinamento successivo Gdl iniziale attraverso TT Alloy BD As 10 C Alloy BD As 20 C Alloy BD As 30 C Alloy B As 60 C Alloy BH As 90 C Sulla base della T attivazione richiesta si sceglie la tipologia di Lega di partenza. A questo livello il grado di libertà su As è nell intorno di ± 10 C Sulla base di TT si affina la As nell intorno del valore desiderato con una tolleranza ristretta a ± 2 C Sulla base delle reali condizioni operative si verifica e perfeziona il ciclo d isteresi stabilizzandolo a fatica L integrazione verticale di SAES (dal lingotto al dispositivo attuatore finale) garantisce una completa customizzazione del prodotto ed una tracciabilità totale 7 Nov Museo della Scienza

10 Shear Stress t = G g Wire Diameter d = ATTUATORE TERMICO p t max Von Mises criteria E G F c m Young Module Shear Module Spring Force Spring index D/d Poisson module 8W F c W = t max = S3 /3 s max G = m. E 2(m+1) d d n D W deflection Wire diameter number of coils Mean diameter Whal Correction 4c - 1 4c - 4 0,615 t max per cicli a torsione 200 [MPa] g max 2% per N > 100Kcycles + c Dimensionamento Attuatore Molla SMA g = W d d p n D 2 Shear strain 100 Von Mises criteria g max = e max / S3 t Max = 185 MPa SMA Spring Design f wire 1,85 [mm] OD 12,2 [mm] ID 8,5 [mm] N Active coils 6 Free Lenght Lo 31 [mm] Available Force 30 [N] Available Stroke 10 [mm] Lenght low Temp L1 16,7 [mm] Lenght HighTemp L2 25,7 [mm] g Max = 1.23 % SMA spring 7 Nov Museo della Scienza

11 ATTUATORE TERMICO Caratterizzazione Attuatore Load Test 1: 1/3 Corsa - Carico costante L1 Lo L 1 varia al variare della Temperatura T [ C] fra le condizioni a Freddo (Martensite) ed a Caldo (Aust.) DMA Dynamic Mechanical Analyzer Climate Chamber SMA Spring 7 Nov Museo della Scienza

12 Working Lenght ATTUATORE TERMICO F1 Lo Test 2: Forza - Lunghezza costante (working Length) Caratterizzazione Attuatore F 1 varia al variare della Temperatura T [ C] fra le condizioni a Freddo (Martensite) ed a Caldo (Aust.) 2/3 DMA Dynamic Mechanical Analyzer Climate Chamber SMA Spring 7 Nov Museo della Scienza

13 ATTUATORE TERMICO F1 Caratterizzazione Attuatore Test 3: Forza - Temperatura costante 3/3 L1 Lo F 1 varia al variare della Lunghezza L 1 in una condizione di Temperatura costante nel campo di interesse a Freddo (Martensite) ed a Caldo (Aust.) DMA Dynamic Mechanical Analyzer Climate Chamber SMA Spring 7 Nov Museo della Scienza

14 stroke ATTUATORE TERMICO FATIGUE TEST: Verifica Attuatore a Fatica 1/2 n 8 SMA springs with lower and higher Stopper from L 1 =18 Low Temp. to L 2 =22 mm on Reference and New SMA springs Test Equipment scheme L 1 & L 2 BIAS Force L 2 BIAS Force L 1 Block Length Crank arm SMA springs holder SMA springs jig 120 C 30 C Silicon oil - Applying BIAS Spring force (10N - 15N) - Starting travel 18 mm (with lower stopper) - Final travel 22 mm (with upper stopper) - Cycling (30 C 120 C) - Recording stroke along the cycles - Comparison with the fresh behavior each Variants Test Equipment Lay out 7 Nov Museo della Scienza

15 ATTUATORE TERMICO Risultato: Carico costante (15N) per ciascuna variante Verifica Attuatore a Fatica 2/2 7 Nov Museo della Scienza Analogamente per Forza/Temperatura e Forza/Corsa

16 16 7 Nov 2013 Museo della Scienza AGENDA Introduzione ATTUATORE TERMICO 1 caso reale: Applicazione Motore ATTUATORE ELETTRICO 2 caso reale: Applicazione Sedile Auto

17 17 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Alfmeier Lumbar Support System Il sistema supporto Lombare basato sugli Attuatori elettrici SMA wire riduce il peso e i volumi (-30% confronto a possibili attuatori tradizionali) Butterfly Pneumatic valve Outlet Inlet Outlet Lo scale up degli Attuatori SMA abilita funzioni ulteriori come il massaggio completo VANTAGGI Riduzione pesi ed ingombri Enabling verso nuove funzioni Silenziosità Basso consumo Riduzione Costo Attuatore Elettrico SMA Wire SmartFlex wires Electronic control board Daimler BMW GM Hyundai PSA VW Audi Porche Ford

18 18 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Product Design and Development Analisi Funzionale del Sistema e specifiche preliminari Selezione Lega Dimensionamento Attuatore Elettrico Caratterizzazione Attuatore Fattibilità ed analisi costi Congelamento Soluzione Ottimizzazione Realizzazione Prototipo Attuatore Termico Verifica Funzionale Definizione specifiche Funzionali e di controllo PPAP Pre-series Mass Production

19 19 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Analisi funzionale del sistema e definizione specifiche Pompa Butterfly Valve La valvola gonfia e sgonfia i cuscini nel sedile per l aggiustamento lombare del guidatore e passeggero. Elemento elastico completo di cuscini d aria, Butterfly valve e pompa Air Inflate Actuator SMA wire Outlet to Flate Vista posteriore sedile auto con Butterfly valve Outlet to Deflate pump bladder Courtesy of Alfmeier Outlet to Flate Butterfly Valve Outlet to Deflate Air Deflate Actuator SMA wire

20 Corsa [%] 20 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Selezione del la Lega NiTi di partenza L attuatore Elettrico SMA Wire è un prodotto molto specifico. La combinazione di molteplici composizioni di lega, di Trattamenti Termomeccanici, di condizioni operative consente di coprire una ampia gamma di applicazioni Temperatura [ C] Different Alloy for different activation temperature As As Definizione ciclo attraverso condizioni operative Affinamento successivo Gdl iniziale attraverso TTM Alloy BD As 10 C Alloy BD As 20 C Alloy BD As 30 C Alloy B As 60 C Alloy BH As 90 C Sulla base della T attivazione richiesta si sceglie la tipologia di Lega di partenza. A questo livello il grado di libertà su As è nell intorno di ± 10 C Sulla base di TTM si affina la As nell intorno del valore desiderato con una tolleranza ristretta a ± 2 C Sulla base delle reali condizioni operative si verifica e perfeziona il ciclo d isteresi stabilizzando attraverso TRAINING L integrazione verticale di SAES (dal lingotto al dispositivo attuatore finale) garantisce una completa customizzazione del prodotto ed una tracciabilità totale

21 21 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Dimensionamento Attuatore Elettrico SMA wire - Dimensionare a fatica un Attuatore SMA richiede il giusto trade-off tra Stress e Strain - Strain 1% Stress 340 MPa Il Punto di lavoro prescelto (per lo SMA Wire f=76 mm) garantisce la vita a fatica richiesta. A parità di prestazioni a fatica un incremento dello Stress deve comportare inevitabilmente un decremento dello Strain e viceversa.

22 Strain (%) 22 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Dimensionamento Attuatore Elettrico SMA wire Ciclo d isteresi SMA wire 76 mm a carico costante (s = 340 MPa) Smartflex 76 Ms Af Mf As Temperature ( C) Il Punto di lavoro prescelto (s = 340 MPa) garantisce As>90 C e Mf >65 C

23 Load SMA L Mart s=1% Load 23 7 Nov 2013 Museo della Scienza SMA L Aust s=1% drift ATTUATORE ELETTRICO Caratterizzazione Attuatore Elettrico SMA wire Switch-off Switch-on EC SMA wire Stop a caldo Stroke Final Position Constant Load Stop a freddo N 4 postazioni per 4 test di fatica in parallelo Switch-off Electrical Pulse SMA wire position Heating phase SMA wire position Cooling phase SMA Wire f = 76 mm s = 340 MPa [Load 1,5 N] e = 1% Switch-on t1 t2 t[s]

24 24 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Caratterizzazione Attuatore Elettrico SMA wire SmartFlex 76 mm Pulse Test (free mode) SMARTFLEX wire f=76 mm a 340 MPa di Stress Presenta i seguenti tempi di attuazione (heating + cooling)

25 25 7 Nov 2013 Museo della Scienza ATTUATORE ELETTRICO Verifica Attuatore a Fatica SmartFlex 76 mm - Fatigue test SMARTFLEX wire f=76 mm a 340 MPa di Stress e all 1% di Strain realizza più di 1 milione di cicli

26 Grazie per l attenzione Contatti: Ing. Francesco Butera francesco_butera@saes-group.com Ing. Stefano Alacqua stefano_alacqua@saes-group.com