Obiettivo. Leghe a memoria di forma

Transcript

1 Attuazione con lega a memoria di forma: fondamenti e potenziale applicazione nel settore aeronautico (Progetto SISA) Ing. Pietro Bisci, Dipartimento di Chimica IFM e CoE NIS, Università di Torino Obiettivo Obiettivo della ricerca è verificare la possibilità di utilizzare materiali a memoria di forma come attuatori all interno di valvole oleodinamiche per impiego aeronautico. Leghe a memoria di forma Le leghe SMA sono leghe metalliche particolari in grado di recuperare grandi deformazioni. Questa proprietà è sfruttata in molti campi: medico, meccanico, microelettrico. Le leghe SMA commercialmente disponibili ed utilizzate maggiormente sono a base Ni-Ti (Nitinol).

2 Trasformazione martensitica Le leghe a memoria di forma sono caratterizzate da due fasi: martensite (stabile a basse temperature ), austenite (stabile ad alte temperature ).

3 Memoria di forma ad una via Riscaldando la SMA sopra la Af si ha un ritorno alla forma iniziale. Raffreddando la SMA sotto la Mf la configurazione macroscopica resta invariata e per avere nuovamente l effetto memoria di forma bisogna deformare nuovamente il materiale.

4 Memoria di forma a due vie Effetto memoria di forma reversibile. Non è una proprietà intrinseca del materiale ma ottenuta con appositi trattamenti termo-meccanici.

5 Riassumendo 1. il filo è in configurazione non deformata 2. il filo viene deformato in fase martensitica il filo ritorna alla sua forma originale in seguito ad un riscaldamento a temperatura superiore ad Af

6 Leghe a memoria di forma di utilizzo commerciale le leghe Ni-Ti: deformazioni recuperabili fino all'8%, eccellente resistenza alla corrosione ed alla stress corrosion, maggiore duttilità. le leghe a base Cu: deformazioni recuperabili fino al 4-5%, sono più economiche, possibilità di fusione ed estrusione in aria, range più ampio di temperature di trasformazione. Principali proprietà delle SMAs NiTi Deformazioni Densità Modulo elastico Martensite Modulo elastico Austenite Tensione ultima a rottura Plateau stress Martensite Conventional Yield stress Austenite 1 ciclo 100 cicli cicli > cicli 6.45 [Kg/dm 3 ] [GPa] [GPa] 900 [MPa] [MPa] [MPa] 8% 5% 3% 2% Dati Memory-Metalle GmbH

7 Esempi di applicazioni commerciali connessioni nei circuiti idraulici interruttori elettrici sensori e/o attuatori di vario tipo Attuatori Vantaggi di un attuatore SMA : riduzione del numero complessivo di pezzi di un dispositivo riduzione dei costi associati condizioni di lavoro pulite e silenziose capacità di recuperare grandi deformazioni ed immagazzinare grandi quantità di energia (da 5 a 40 volte quella immagazzinabile negli acciai) Limiti: La deformazione percentuale recuperata durante la trasformazione martensitica è inversamente proporzionale al numero di cicli di lavoro compiuti dal materiale. Esiste un numero finito di cicli superato il quale una lega a due vie torna a comportarsi come una lega ad una via. Esiste una temperatura critica superata la quale la lega a due vie perde l effetto di memoria di forma.

8 Ni-Ti-HT Trained Wire (smartflex) Specifiche tecniche Materiale Caratteristiche Lega Nichel Titanio (Ni = 54%) diametro = 0.5 [mm] Af = 110 ± 5 [ C] Performance con un carico di 200 [Mpa] Mf > 65 [ C] As > 85 [ C] deformazione 4% deformazione residua (dopo cicli con una deformazione del 3.5%) 0.6% Numero di cicli (con un carico di 150 [MPa] e una deformazione del 3.5%) > Dati SAES GETTERS S.p.A.

9 Ciclo di attuazione Un singolo ciclo di attuazione (per effetto Joule) al variare delle condizioni di alimentazione ci fornisce informazioni sui tempi di attuazione / de-attuazione. Dati SAES GETTERS S.p.A.

10 Prove di laboratorio Analisi DSC (Calorimetria Differenziale a Scansione) su campioni di Nitinol per rilevare le temperature di trasformazione in assenza di carico applicato.

11 Prove di laboratorio Analisi DMA (Analisi Dinamico Meccanica ) su campioni di Nitinol per rilevare la deformazione percentuale in funzione della temperatura e l isteresi termica a carico costante.

12 Influenza del carico applicato Dati SAES GETTERS S.p.A. Al variare del carico applicato le temperature di transizione, le velocità di deformazione e la deformazione max.

13 Idea di progetto Spring force SMA wires force Il filo SMA è a due vie, viene riscaldato per effetto Joule e subisce una deformazione lineare max 5%. La forza sviluppata dalla molla permette al filo di lavorare nell intervallo di temperature di transizione desiderato.

14 Conclusioni e prospettive Caratterizzazione del materiale mediante analisi DSC e DMA Progettazione dispositivo attuatore Realizzazione di un prototipo dimostratore del dispositivo di attuazione con PMI