Leghe a memoria di forma (SMA)

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1 Leghe a memoria di forma (SMA) La trasformazione martensitica Effetto superelastico Effetto memoria di forma Applicazioni SMA Smorzatori di vibrazione Produzione SMA & design

2 La trasformazione martensitica Trasformazione displasiva, che involve solo delle rotazioni e traslazioni atomiche e nessuna rottura di legame Interfaccia martensite/ austenite Interfaccia martensite/ austenite

3 Costrizioni dalla matrice La trasformazione da austenite a martensite è ostacolata dalla matrice intorno che costringe il grano a mantenere la propria forma. Di conseguenza possiamo avere slip di accomodamento o geminazione (twinning): Accomodamento per deformazione (slip) Accomodamento per geminazione (twinning)

4 Trasformazione martensitica e proprietà Monitorando alcune proprietà si nota un isteresi nella trasformazione:

5 Caratteristiche della geminazione La geminazione si ottiene per sforzi di taglio Il bordo di geminato divide due zone simmetriche rispetto al piano del geminato (mirror plane) Avvengono solo rotazioni di legame

6 Degeminazione Il meccanismo di degeminazione permette una notevola deformazione senza slittamento di piani (mantiene la caratteristica di deformazione plastica).

7 Curva sforzo-deformazione per la martensite sforzo deformazione elastica martensite degeminata inizio degeminazione inizio deformazione plastica (slip) martensite completamente degeminata deformazione

8 Degeminazione e curva sforzo-deformazione Martensite

9 Sforzo-deformazione per l austenite

10 Cosa cambia con la temperatura? Il plateau di trasformazione/degeminazione (sia da austenite che da martensite) avviene a sforzo più elevato

11 La memoria di forma Partiamo da austenite, raffreddiamo, deformiamo la martensite (x degeminazione), riscaldiamo e si ritorna a austenite. La rotazione delle celle (legami) forza i grani a tornare alla forma originale.

12 Memoria di forma in sintesi

13 Memoria di forma e superasticità

14 Memoria di forma, superelasticità e temperatura

15 Memoria a due vie Memoria di forma a una via: si deforma la fase martensitica e riscaldando sopra Af il pezzo recupera la sua forma Memoria di forma a due vie: un pezzo sottoposto a training opportuno assume stabilmente le due forme diverse

16 Training La lega viene sottoposta a cicli termo-meccanici dove due forme differenti sono imposte ada alta e bassa temperatura Il ciclaggio termo-meccanico viene portato avanti fino a che il pezzo assume le due forme stabilmente La memoria a due vie viene utilizzata per attuatori che eseguono un determinato lavoro a seguito di aumento o diminuzione della temperatura. Il numero totale di cicli che il pezzo può effettuare è limitato da: massima deformazione, tessitura, microstruttura (loop di dislocazioni, dimensioni grani), tipo di lega

17 Temperatura-sforzo vs. stabilità delle fasi

18 Tipi di leghe a memoria di forma

19 Proprietà leghe Ni-Ti

20 Altre SMA

21 Confronto NiTi-Acciai

22 Diagramma di fase NiTi

23 Applicazioni SMA: memoria a una via L attuatore più semplice: a bassa temperatura il peso allunga la molla in fase martensitica (Emart < Eaust). Ad alta temperatura ritorna austenite recuerando la forma originale.

24 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

25 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

26 Giunzioni e connettori Giunzioni in SMA Connettori elettrici

27 Flange per tubi e connettori Si allargano per pressione Inserimento Si restringono per riscaldamento ZIF (Zero Insertion Force)

28 Giunzioni ed anelli di tenuta Giunzioni Anelli di tenuta

29 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

30 Valvola termostatica

31 Sistemi a molla SMA e contromolla

32 Treni ad alta velocità

33 Sistema Frangibolt

34 Specifiche Frangibolt

35 Per migliorare l affidabilità In serie In parallelo

36 Sistemi di montaggio

37 Attuatori nel settore consumer Airbag Valvole sicurezza acqua calda

38 Attuatori nel campo aerospaziale Motore rotante ad energia solare (missione Marte) SOC (Solar Occultation Channel), Strumento Persi Alice per Plutone Pinpuller, 10 gr, Carico 2.3 Kg, usato nella missione su Marte

39 Attuatori in SMA: pregi Semplicità, pochi pezzi: il sitema non richiede elementi aggiuntivi, spesso sostituisce sia il sensore che l attuatore (motore) No usura, niente scintille, pulito e silenzioso assenza di vibrazioni e quindi rumore adatti all impiego con sostanze infiammabili ideali per piccoli attuatori non sono richiesti ingranaggi non si genera polvere Elevato rapporto potenza/peso (potenza/volume)

40 Attuatori in SMA: difetti Bassa efficienza energetica dipende fortemente dalla configurazione e tipo di deformazione; il caso più favorevole sono fili in tensione uniforme una distribuzione dei carichi non uniforme causa un utilizzo non ottimale del materiale e quindi una scarsa efficienza Limitata banda bassante (frequenze basse) questo è dovuto alla lentezza della SMA che richiede smaltimento del calore generato durante l isteresi Numero limitato di cicli e deterioramento a fatica per usare le SMA ad un numero elevato di cicli, la deformazione massima deve essere ridotta.

41 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

42 Applicazioni come smart materials Compositi attivi con fili in SMA: la matrice viene caricata con fili/fibre in SMA; se a seguito di vibrazioni il materiale entra in risonanza, il filo si riscalda e si trasforma in austenite mettendo in compressione la matrice e cambiandone la frequenza di risonanza Materiali autoriparanti o più resistenti all impatto e rottura: in caso di cricca o rottura della matrice il filo si deforma, ma aumentando la temperatura, può ritornare alla forma originale riparando la matrice Ali attive:

43 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

44 Memoria a due vie: sonda chirurgica

45 Altre applicazioni biomedicali Sonda microchirurgica Stents (sostenimento vene-arterie)

46 Fili per ortodonzia

47 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

48 Arti robotizzati

49 Applicazioni con SMA Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori Attuatori Materiali intelligenti Dispositivi biomedicali MEMS Sistemi di smorzamento

50 Sistemi di smorzamento

51 Superelasticità

52 Effetto della massima deformazione Massima deformazione Smorzamento Energia dissipata per ciclo

53 2670 M. Dolce, M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) Cardone / International of Cardone Mechanical Sciences 43Journal (2001) 2670 M.Journal M.Journal Dolce, D. / International of Mechanical Sciences 43 (2001) Dolce, D. Mechanical Cardone / International of Mechanical Sciences 43 (2001) one / International of Sciences 43Journal (2001) Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) Effetto della configurazione Effetto della configurazione Effetto della configurazione Effetto della configurazione Sipossono possono avere differenti Si Si possono avere differenti avere differenti Èconfigurazioni possibile scegliere la configurazioni ed effetti configurazioni ededeffetti sul effetti sulsul damping totale damping totale configurazione migliore per damping totale ottenere lo smorzamento voluto

54 Effetto della temperatura sullo smorzamento

55 Effetto temperaturafrequenza Frequenze maggiori Minore recupero lega Minore energia dissipata

56 Effetto temperatura-frequenza Effetto temperatura frequenza/numero cicli

57 Sistemi di smorzamento Sistema di smorzamento di Baratta & Corbi. L SMA mostra minori spostamenti rispetto ad un sistema perfettamente elastico.

58 Sistemi di smorzamento di De Roches Sistema di smorzamento vibrazioni su ponti e rinforzo sismico

59 Rinforzo sismico di De Roches

60 Smorzatore di Dolce e altri

61 Rinforzo travi con SMA (De Roches) Connessione trave-pilone con tondini in SMA (prima della deformazione) Connessione dopo l applicazione di carichi ciclici elevati (simulazione terremoto)

62 Sistema di rinforzo in SMA per la basilica di S. Francesco in Assisi

63 S. Giorgio in Trignano

64 Altre applicazioni superelasticità

65 Altre applicazioni memoria di forma

66 Altre applicazioni memoria di forma

67 Produzione SMA Si utilizzano i sistemi di produzione classici per leghe titanio, dalla fusione alla colata in stampi o continuo La composizione viene controllata accuratamente Molte lavorazioni preliminari vengono eseguite in temperatura: trafilature, laminazioni a caldo etc. Il problema sorge con le lavorazioni a freddo e i tagli per la formatura finale: Non si possono utilizzare i sistemi classici di taglio lamiere (punzoni etc.) Per le lavorazioni finali vengono utilizzati tagli laser, ultrasuoni etc. Si evitano i sistemi di taglio per deformazione, rottura e usura

68 SMA le con are gett Progettare con le SMA Pro Progettare con le SMA Il problema sorge Il problema sorge e aver iamo vogl do quan Il problema sorge quando quando vogliamo ro a di lavo lunghezz una vogliamo avere unaavere lunghezza ditene lavoro una lunghezza diampia lavoro un ndo man ia amp mantenendo un carico di ampia o di lavoro un caricmantenendo lavoro sufficiente sufficien carico di te lavoro sufficiente

69 Utilizzare i momenti Utilizzare i momenti Per estendere la lunghezza di lavoro del Per sistema conestendere SMA un la metodolunghezza è quellodidilavoro del sistema con SMA un utilizzare i momenti metodo è quello di utilizzare i momenti Si fa in modo che la forza per braccio Si fail in modo che la rimangaforza circaper costante il braccio sull arcorimanga di utilizzo circa costante sull arco di utilizzo

70 Lamine bimetalliche ed SMA Le SMA permettono Lamine bimetalliche ed SMA range di lavoro molto maggiori Le SMA permettono rispetto alle lamine range di lavoro Le SMA permettono molto maggiori range di lavoro molto bimetalliche rispettorispetto alle lamine maggiori alle bimetalliche lamine bimetalliche

71 Dimensionare molle in SMA Dimensionare molle ininsma Dimensionare molle SMA Dimensionare molle in SMA Le seguenti relazioni relazioni seguenti Le seguenti relazioni Le Leseguenti sono utilirelazioni per il calcolo: sono utili per il calcolo: sono sonoutili utiliper peril ilcalcolo: calcolo:

72 16PR di correzioned dello sforzo Fattore Fattore di correzione dello sforzo C = " = # Fattore di correzione dello sforzo 3 dello di correzione dello sforzo Fattore correzione dello sforzo refattore di correzione sforzo di correzione dello sforzo d $d 16PR 16PR 16PR " = # 3D " = # D 16PR 16PR" = # 16PR 3 $ 33d C = $ d C = # "3 = # 3 $ d d $d d! $!d!!! Wahl s! formula:! Rover s formula: Wood s formula: Gohner s formula:!!!!! D D CDD = C = CC== d d dd

73 Procedura della costante rigidezza apparente della molla Il modulo di taglio della molla in NiTi varia con la temperatura Varia anche in funzione della massima deformazione a causa dell interazione tra martensite, quantità di martensite che si trasforma e relazioni di parentela con la matrice Sopra A f e sotto Ms G è costante

74 Esercizio Carico di 20 N Lunghezza di lavoro della molla: 10 mm Assumiamo: G austenitico 25 GPa G martensitico 5 GPa ϒmax = 1.0% per assicurare una vita sufficiente alla molla C iniziale = 6 Determinare le dimensioni della molla (n, D, d)

75 Homework? Dimensionare l anello di tenuta in NiTi in modo che lo sforzo (radiale) di compressione sul tubo interno sia pari a 200 MPa Dati: Tubo in acciaio E = 205 GPa, poisson = 0.27 diametro esterno 5 cm spessore 1 cm NiTi da tabelle lunghezza anello SMA 10 cm