PROGRAMMA DI RICERCA

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1 PROGRAMMA DI RICERCA Tecniche numeriche e sperimentali per la caratterizzazione termomeccanica di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio Proponente: Ing. Andrea FALVO Dipartimento di afferenza: Dipertimento di Meccancica Il presente programma di ricerca riguarda la caratterizione meccanica e funzionale di materiali a memoria di forma. In tale ambito il gruppo di Costruzione di Macchine del Dipartimento di Meccanica dell'università della Calabria ha avviato delle attività di ricerca che coinvolgono partner nazionali ed internazionali; In particolare è in atto un'attività di collaborazione, che prevede un processo di mobilità dei ricercatori, con il Fraunhofer Institute Betriebsfestigkeit and systemzuverlässigkeit di Darmstadt (Germania). [1] Sommario del programma di ricerca Lo sviluppo di materiali adattativi o intelligenti (Smart Materials) ha aperto, negli ultimi anni, nuove prospettive nel campo della progettazione ingegneristica, ed in particolare per la costruzione di sistemi micro elettro meccanici (MEMS - micro electro mechanical systems). Rientrano nella categoria degli smart materials le leghe a memoria di forma (SMA - Shape Memory Alloy), i materiali piezoceramici e magnetostrittivi. La caratteristica principale di questi materiali consiste nella capacità di rilevare stimoli esterni e rispondervi in modi e tempi programmati e ripetibili. Rispetto alle tradizionali soluzioni, l'utilizzo di questi materiali consente di ottenere numerosi benefici: la riduzione di peso e dei costi, il miglioramento delle prestazioni, della sicurezza e del confort. L'utilizzo degli smart materials è in continuo aumento in numerosi settori: esistono applicazioni in campo automobilistico, aerospaziale e aeronautico, inoltre la loro buona biocompatibilità ne consente l'utilizzo in campo biomeccanico per la costruzione di fili e strumenti ortodontici, stents e strumenti per la microchirurgia. Le proprietà funzionali di questi materiali consentono infatti di realizzare attuatori e sensori di ridottissime dimensioni e dotati di elevata affidabilità e precisione, inoltre la loro buona capacità di smorzamento consente di ridurre le vibrazioni, ottenendo così una maggior efficienza e una rilevante diminuzione del rumore nell'ambiente circostante. In tale ambito l'obiettivo del presente programma di ricerca consiste nell'indagine delle caratteristiche meccaniche e funzionali di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio, comunemente note come Nitinol. In particolare verranno messe a punto tecniche sperimentali e numeriche per la caratterizzazione e previsione del comportamento termo meccanico e funzionale di questi materiali, verranno inoltre valutati gli effetti indotti dai processi di saldatura laser Nd-YAg e lavorazione per elettro erosione su tali caratteristiche. [2] Obiettivi del programma di ricerca e stato dell arte L'obiettivo del presente programma di ricerca consiste nella messa a punto di tecniche sperimentali e numeriche di caratterizzazione e previsione del comportamento termo meccanico e funzionale di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio (Nitinol). Verranno inoltre approntante tecniche di ciclaggio termico (training) al fine di conferire al materiale adeguate caratteristiche funzionali, quali la memoria di forma a due vie (TWSME - two way shape memory effect), che ne consentono l'impiego come attuatori o sensori. I rilievi sperimentali verranno successivamente utilizzati per lo sviluppo di

2 modelli numerici di previsione del loro comportamento non lineare ed a isteresi. L'isteresi non lineare è infatti una caratteristica di tutti gli attuatori o sensori che sfruttano il comportamento funzionale degli smart materials, e lo sviluppo di modelli numerici di simulazione, sufficientemente accurati, robusti ed efficienti, consente di mettere a punto tecniche di compensazione delle non linearità per applicazioni real time. Le tecniche sperimentali ed i modelli numerici implementati verranno successivamente applicati a materiali saldati con sorgente laser Nd-YAG o lavorati per elettro erosione, al fine di valutare l'effetto di tali processi tecnologici sia sulle caratteristiche termo meccaniche che funzionali. Le tradizionali tecniche sperimentali di caratterizzazione meccanica e funzionale, basate sull'utilizzo delle comuni macchine di prova materiali, risultano però inadeguate all'indagine di componenti di ridotte dimensioni e geometria complessa. A tale scopo verranno utilizzate opportune tecniche interferometriche capaci di misurare una qualunque componente di spostamento a campo intero su provini e prototipi di geometria qualunque e con accuratezze interferometriche. 2.1 Descrizione della ricerca Il presente programma di ricerca consiste nel rilievo delle caratteristiche termo meccaniche e funzionali delle leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio, mediante la messa a punto di tecniche sperimentali e l'implementazione di metodi numerici. Dopo una prima fase di messa e punto e validazione delle tecniche adottate, particolare attenzione verrà riservata allo studio di componenti saldati con sorgente laser Nd:YAg e/o lavorati per elettroerosione. Infatti la natura delle leghe Nitinol rende praticamente inapplicabili le tradizionali tecniche di lavorazione per asportazione di truciolo, cosicché al fine di realizzare componenti di geometria complessa occorre mettere a punto adeguate tecniche di taglio e giunzione che non comportino una elevata perdita delle caratteristiche meccaniche, ed allo stesso tempo garantiscano la conservazione delle caratteristiche funzionali del materiale. Dopo la caratterizzazione del materiale, l'utilizzo di tecniche interferometriche permetterà di valutare le caratteristiche funzionali di componenti di ridotte dimensioni e geometria complessa, non valutabili con le tradizionali tecniche di caratterizzazione termo meccanica. L'utilizzo delle tecniche interferometriche consentirà inoltre di valutare gli effetti dei processi tecnologici di saldatura e elettroerosione sul materiale e di definirne i limiti di applicazione in termini di geometrie e dimensioni per la realizzazione di sistemi micro elettro meccanici. 2.2 Fasi di lavoro L'attività di ricerca sarà articolata in fasi di lavoro successive che prevedono l'analisi sperimentale e la modellazione numerica delle proprietà meccaniche e funzionali delle leghe Nitinol a memoria di forma. Le attività di sperimentazione verranno pianificate utilizzando metodi statistici di programmazione degli esperimenti (DOE - Design of Experimet) e di analisi della varianza (ANOVA - Analisys of Variance) al fine di valutare l'effetto dei differenti parametri sulle proprietà dei materiali. Il programma di ricerca può essere schematizzato nelle seguenti fasi: Ottimizzazione dei processi di saldatura laser ed elettroerosione; Realizzazione dei provini mediante elettroerosione, da lamiere saldate e non saldate; Caratterizzazione termo-meccanica mediante macchine di prova materiali; Messa a punto di tecniche di training per il conferimento della memoria di forma a due vie e preparazione dei provini; Caratterizzazione delle proprietà funzionali, e rilievo sperimentale del comportamento a isteresi non lineare del materiale;

3 Modellazione numerica delle proprietà funzionali, mediante la simulazione del comportamento ad isteresi; Messa a punto di set-up ottici per misure interferometriche speckle. Realizzazione di componenti di geometria complessa e valutazione delle caratteristiche funzionali mediante tecniche interferometriche speckle. Le fasi di caratterizzazione e modellazione, riguarderanno sia il materiale base che quello sottoposto a lavorazioni di saldatura laser Nd:YAG ed elettroerosione. Queste due tecnologie, grazie al loro basso impatto termico, risultano particolarmente adatte a realizzare componenti in lega a memoria di forma di ridotte dimensioni; gli effetti di queste lavorazioni sulle proprietà meccaniche e funzionali della lega in esame, verranno valutati attraverso un confronto sistematico dei risultati mediante metodi statistici. 2.3 Metodologia prevista La prima fase del programma di ricerca prevede l'ottimizzazione dei processi di saldatura laser ed elettroerosione attraverso lo studio dell'influenza dei parametri di lavorazione sulle proprietà del materiale. Allo scopo, verranno eseguiti test meccanici, prove di durezza e analisi metallografiche. In questa fase verranno inoltre realizzati i provini per la caratterizzazione termomeccanica e funzionale della lega. La caratterizzazione termo-meccanica sarà effettuata attraverso test DSC (Differential Scanning Calorimetry), per la definizione delle temperature di trasformazione caratteristiche, e prove di trazione a diverse temperature necessarie a definire le proprietà meccaniche del materiale sia in fase Martensitica che Austenitica. Le proprietà funzionali della lega, in particolare il comportamento a memoria di forma, saranno studiate sottoponendo i provini a cicli termomeccanici eseguiti in condizioni controllate di deformazione e temperatura. Per indurre l'effetto a memoria di forma a due vie (Two Way Shape Memory Effect, TWSME) e studiare il comportamento ad isteresi ad esso associato, i provini saranno sottoposti a cicli di training opportunamente programmati. L'influenza delle condizioni di training sul comportamento ad isteresi, e la sua stabilità sotto carichi termici ciclici, sarà studiata sottoponendo i provini a cicli termici effettuati con e senza precarico, allo scopo di definire le condizioni ottimali di training del materiale. I risultati ottenuti dai test di caratterizzazione verranno utilizzati, in una fase successiva, per sviluppare modelli numerici capaci di simulare e prevedere sia il comportamento meccanico che funzionale della lega con particolare attenzione alla modellazione del comportamento ad isteresi relativo al TWSME. Infine, si procederà alla validazione dei modelli attraverso il confronto tra i risultati sperimentali e quelli numerici. L'utilizzo dei modelli numerici sviluppati consentirà di mettere a punto tecniche di compensazione delle non linearità per applicazioni real time. Al fine di valutare accuratamente il campo di deformazione dei componenti in Nitinol verranno realizzati opportuni set-up ottici basati su tecniche interferometriche speckle a variazione di fase. Mediante tali tecniche sarà possibile misurare sia spostamenti fuori dal piano, particolarmente significativi nel caso di componenti soggetti a stati di tensione di flessione, che spostamenti nel piano, nel caso di componenti soggetti a stati di trazione. Inoltre potranno anche essere misurate componenti oblique di spostamento a fronte di lievi modifiche dei set-up canonici. L'accuratezza che si riesce a raggiungere sulla misura degli spostamenti mediante la strumentazione già presente presso il laboratorio di Meccanica Sperimentale del Dipartimento di Meccanica dell'unical è dell'ordine di poche decine di nanometri.

4 [3] Risultati attesi e applicabilità nel mercato Nell'ottica del trasferimento del know-how acquisito sul territorio, i risultati del programma di ricerca sono facilmente applicabili ad altri settori scientifici e commerciali, e ciò rappresenta uno dei benefici ottenibili dal presente programma di ricerca. Esistono molte applicazioni delle leghe Nitinol che sfruttano le loro caratteristiche termo meccaniche e funzionali, le capacità smorzanti e la buona biocompatibilità e resistenza alla corrosione. Esistono quindi applicazioni in campo biomedico, automobilsistico, aerospaziale, della robotica e delle costruzioni civili. In campo biomedico questi materiali sfruttano la combinazione di resistenza, duttilità e biocompatibilità, come dimostrato da vari esperimenti condotti in sia in vitro che in vivo, e possono essere utilizzati per la costruzione di fili ortodontici, stent, protesi ortopediche, o strumenti per la microchirurgia. In campo automobilistico e aerospaziale possono essere utilizzati come attuatori o sensori, dispositivi di accoppiamento e fissaggio, o per la riduzione delle vibrazioni grazie allo sfruttamento delle loro capacità smorzanti. La possibilità delle SMA di lavorare in assenza di gravità le rende particolarmente consigliabili anche per applicazioni in campo aerospaziale, un esempio è rappresentato dal sistema di rilascio non esplosivo dei satelliti in orbita. Il settore della robotica è sicuramente uno dei settori di sviluppo più promettenti dei prossimi anni. Questa prospettiva è giustificata dal diffondersi di applicazioni in cui i robot sostituiscono l'uomo: basti pensare ai robot utilizzati nelle missioni spaziali, nell'ispezione di siti non accessibili o contaminati, fino ai robot antropomorfi. Grazie allo sfruttamento della loro buona capacità di smorzamento, possono inoltre essere impiegate in campo civile per la protezione di strutture dai terremoti. In generale l'utilizzo delle leghe a memoria di forma risulta estremamente vantaggioso in tutti i campi dove è richiesta la costruzione di micro meccanismi di precisione, ad esempio microattuatori, valvole, interruttori e sistemi integrati microelettromeccanici (MEMS), che garantiscano allo stesso tempo una elevata precisione, affidabilità, resistenza e ed elevati rapporti potenza/peso. I risultati dell attività di ricerca verranno resi disponibili mediante i comuni mezzi di divulgazione scientifica quali : Pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali; Partecipazione a convegni internazionali specifici sulla materia; Realizzazione di prototipi e validazione delle procedure sperimentali e numeriche implementate;

5 PROGRAMMA DI RICERCA Tecniche numeriche e sperimentali per la caratterizzazione termomeccanica di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio Proponente: Ing. Andrea FALVO Dipartimento di afferenza: Dipertimento di Meccancica Pubblicazioni scientifiche dei proponenti [1] Maletta C., Falvo A., Furgiuele F. M. L., "Laser welding of a NiTi alloy: mechanical and shape memory". Materials science & engineering. A, Structural materials : properties, microstructure and processing, 2005, Vol. 412, n. 1-2, pp [2] Maletta C., Falvo A., Furgiuele F. M. L., Martino G., Calafiori A. R., "Preparazione e Analisi di Rivestimenti a Base di Fosfati di Calcio Depositati su Componenti in Lega NiTi". Atti del convegno "BIOMAT05", Messina, 1-2 Luglio, [3] Maletta C., Cognini F., Falvo A., Furgiuele F. M. L., "Effect of laser welding on shape memory behaviour". Atti del convegno "SMART05", Lisbona, Luglio, 2005, Carlos Mota Soares:Lisbona, 2005, Vol. 1. [4] Maletta C., Falvo A., Cognini F., "Realizzazione e aratterizzazione di giunti saldati con laser Nd:YAG in lega ni-51 at.% ti". Atti del convegno "AIAS 2005", Milano, Settembre, [5] Furgiuele F. M. L., Maletta C., Mammoliti R., Pagnotta L., " Determinazione delle Costanti Elastiche dei Materiali Compositi a Fibra Corta Mediante il Metodo VCFEM". Atti del convegno "XXXIII Convegno AIAS", Bari, settembre, [6] Maletta C., Mammoliti R., Furgiuele F. M. L., " Analisi termo-meccanica di compositi allumina zirconia". Atti del convegno "AIAS 2005", Milano, Settembre, 2005, [7] Alfano M., Pagnotta L., " Vibration analysis of free isotropic cracked plates". Atti del convegno "CMEM 2005", Malta, June, 2005, C A Brebbia:Wessex Institute of Technology, UK, 2005, Vol. 41, pp. 475 [8] Alfano M., Furgiuele F. M. L., Maletta C., Pagnotta L., " Determining the elastic constants of short fiber composites by using hybrid finite element method". Atti del convegno "Third International Conference of Composite in Construction - CCC", Lyon, France, July, [9] Alfano M., Pagnotta L., " An inverse procedure for determining the material constants of isotropic square plates by impulse excitation of vibration". In Advances in Experimental Mechanics, IV, Cartmell M. P., Lucas M. (a cura di), Zurich: Trans Tech publications, 2005, Applied Mechanics and Materials pp

6 [10] Alfano M., Pagnotta L., " A procedure for determining the elastic constants of isotropic materials by modal vibration testing of rectangular thin plates". Atti del convegno "SEM Annual Conference and Exposition on Experimental and Applied Mechanics", Portland, Oregon (USA). [11] Alfano M., Furgiuele F. M. L., " A Procedure for Evaluating the Fracture resistance of Bi- Material Interfaces". Atti del convegno "12th International Conference on Experimental Mechanics - ICEM 12", Politecnico di Bari, Italia, 29 August - 2 Septem, 2004, McGraw- Hill:Milano, [12] Alfano M., Bruno L., Pagnotta L., " Determinazione delle Costanti Elastiche di Piastre Quadrate Isotrope dalle Frequenze Naturali di Vibrazione". Atti del convegno "XXXII Convegno Nazionale AIAS", Salerno, Italy, 3-5 September, Firma del Direttore di Dipartimento

7 PROGRAMMA DI RICERCA Tecniche numeriche e sperimentali per la caratterizzazione termomeccanica di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio Proponente: Ing. Andrea FALVO Dipartimento di afferenza: Dipertimento di Meccancica PIANO DI SPESA DEL PROGRAMMA DI RICERCA A - Spese per acquisto attrezzature scientifiche e materiale librario 2000 B - Spese generali per la ricerca 1) Materiali di consumo e manutenzione strumenti ) Missioni, Congressi e Seminari ) Altre voci (comprese le spese per pubblicazioni) 200 TOTALE B 2200 TOTALE A+B 4200

8 AL MAGNIFICO RETTORE UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELLA CALABRIA Area Ricerca Scientifica e Rapporti Comunitari Via Pietro Bucci RENDE Il sottoscritto Andrea FALVO nato a Lamezia Terme (prov. di CZ) il 15/10/1977, Codice Fiscale FLVNDR77R15M208X, residente in Amantea (Prov. Di CS c.a.p via Etna n. 22 CHIEDE di essere ammesso a partecipare al bando per l attribuzione di finanziamenti per Progetti di Ricerca di Giovani Ricercatori. Il titolo della ricerca è il seguente: Tecniche numeriche e sperimentali per la caratterizzazione termomeccanica di leghe a memoria di forma a base di Nickel e Titanio Area CIVR di riferimento 09 - Ingegneria Industriale e dell'informazione e sarà svolta presso il Dipartimento di Meccanica Dichiara sotto la propria responsabilità che: 1) è cittadino Italiano; 2) è iscritto nelle liste elettorali del comune di Amantea (se cittadino italiano); 3) non ha riportato condanne penali e non ha procedimenti penali in corso; 4) è in possesso del seguente titolo di studio Laurea in Ingegneria Meccanica conseguito in data 24/07/2004 presso l università della Calabria con il punteggio di 102/110 ; 5) é iscritto al II anno di corso del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Meccanica ciclo XX con sede amministrativa presso l Università della Calabria, e di essere titolare di assegno di studio dal 1 Dicembre 2005 e con termine al 31 Aprile 2007 e di svolgere la propria attività presso il Dipartimento di Meccanica 6) elegge il proprio domicilio in Arcavacata di Rende, Dipartimento di Meccanica, P. Bucci 44C, (CS); tel andrea.falvo@unical.it 7) gli partecipanti al gruppo di ricerca sono: Marco Alfano, Dottorando di Ricerca; Alessandro Leopardi, Dottorando di Ricerca; Roberto Mammoliti, Assegnista di Ricerca; Giovanni Stigliano, Dottorando di Ricerca; Allega alla presente domanda: (d) copia del curriculum vitae (comprensivo dell elenco delle pubblicazioni) del proponente, e degli eventuali membri del gruppo di ricerca; (e) dichiarazione autentica del proponente dell esistenza dei requisiti per poter accedere al finanziamento e dichiarazione autentica anche degli eventuali ricercatori partecipanti al progetto; (f) progetto della ricerca vistato dal Direttore del Dipartimento presso il quale verrà realizzata la ricerca; (g) piano di spesa. Data 06 Febbraio 2006 Firma Andrea Falvo

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