Leghe a Memoria di Forma SMA: Caratteristiche Funzionali e Applicazioni Ausonio Tuissi

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1 CORSO PERFEZIONAMENTO per INSEGNANTI 2017 Trasversale chimica - fisica - matematica: Università di Milano - 27 Settembre 2017 Leghe a Memoria di Forma SMA: Caratteristiche Funzionali e Applicazioni Ausonio Tuissi Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Chimica della Materia Condensata e Tecnologie per L Energia (Sede di Lecco)

2 Outline Introduzione alle SMA Shape Memory Effect Pseudolasticità Il sistema NiTi - Nitinol Caratteristiche Funzionali Applicazioni

3 Effetto: Memoria di Forma Effetto: Superelastico

4 Le leghe a memoria di forma esibiscono proprietà uniche: Effetto di Memoria di Forma, Pseudoelasticità (Superelasticità), Elevata capacità di smorzamento, Generazione di forza, Trasformazione del calore in lavoro Solution looking for the problem (Schetky 1979) L origine di tali proprietà funzionali è dovuta a una trasformazione di fase martensitica allo stato solido (Alta simmetria) Austenite çè Bassa simmetria Martensite Fase Genitrice Fase Prodotto Two materials one alloy

5 Trasformazione Martensitica % Martensite 100% ΔT Temperature di Trasformazione Raffreddamento Trasformazione Diretta 0% Mf Ms As Af Md Ms Martensite Start Mf Martensite Finish 8.00E+03 Temperature Heat Flow [ µ W] 6.00E E E E E E+03 Cooling Heating Ms=26 C ΔΗ c=-16j/g Ms=40 C As=43 C Af=55 C Riscaldamento Trasformazione Inversa As Austenite Start Af Austenite Finish -6.00E+03 Δ T= 18 C ΔΗ h=15.3j/g -8.00E Temperature [ C]

6 Approccio alle leghe SMA Le leghe SMA sono descritte attraverso descrittori non convenzionali. Gli effetti associati alle leghe SMA si manifestano quando le due fasi, austenite e martensite, coesistono. Definizione delle condizioni operative e funzionalità del dispositivo per modulare ad hoc le caratteristiche del componente SMA. Focalizzare l attenzione sul percorso termo-meccanico del componente SMA, dallo stato iniziale a quello finale, e dal ciclaggio modo ciclico. i) Comportamento meccanico non lineare; ii) Sensibile dipendenza dalla temperatura; iii) Isteresi termica e meccanica; iv) Caratteristiche funzionali fortemente influenzate dalla storia termo-meccanica - training

7 Effetto Memoria di Forma 0 Austenite (Forma I) 1 Raffreddamento T< Mf 2 Fase di carico (DTWM) Austenite (B2; NiTi) 3 Fase di scarico con deformazione (Forma II) Af 4 Riscaldamento e recupero deformazione (Forma I) /3 4 Mf Deformatione Mf Twinned Martensite (B19 ; NiTi) Detwinned Martensite (B19 ; NiTi)

8 Effetto Memoria di Forma 2 2 Stress (MPa) SME Si parte da fase martensitica - Comporta una variazione di temperatura

9 Effetto Memoria di Forma Memory effect Stress Sforzo (MPa) σ L Mf ε P Deformazione (%) s L = Loading Plateau / s rior Critical Stress reorientation e U = Unloading Strain e U - e p = Recovered Strain e P = Permanent Strain after heating ε U Strain (%) ε max

10 Effetto Pseudoelastico L effetto pseudoelastico avviene a temperatura costante

11 Effetto Pseudoelastico 0 Austenite (Forma I) 1 Carico regime elastico 2 Carico induzione martensite deformazione (Forma II) Af 3 Scarico martensite / austenite 4 Ritorno in austenite (Forma I) 0 Af Deformazione Af

12 Effetto Pseudoelastico Stress [MPa] T=25 C Strain [ % ] Af PE - Si parte dalla fase astenitica - Avviene a temperatura costante. La martensite è indotta dallo sforzo applicato (SIM Stress Induced Martensite).

13 Effetto Pseudoelastico σ L Stress (MPa) Sforzo (MPa) σ U Mechanical Isteresi Hysteresis Meccanica Af Strain (%) Deformazione (%) ε max s L = s p-m critical stress for SIM (Trasf. diretta: p-m) s U = s m-p critical stress (Trasf. Inversa : m-p) e max = Max Strain

14 Sistemi metallici SMA Base NiTi NiTi (Nitinol- Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory - after W.J. Buehler, J.W.Gilfrich and R.C.Wiley J.Appl.Phys., 34 (1963) 1475) NiTiX (X=Cu, Fe, Pd, Pt, Hf, Cr, Co,V, Zr, Nb,W) Base Cu CuZnX (X= Al,Si,Sn,Ga,Mn) CuAlX (X=Ni,Be,Zn;Mn) CuSn CuZr Base Ferro FeMnSi FeMnSiCrNi FeNiCoTi FeNiC Commerciali NiTi NiTiCu NiTiCr CuZnAl Magnetiche SMA Ni-Mn-Ga Ni-Mn-X (X=Al, In, Sn, Sb) Altre leghe AuCd NiAl Ni-Ta Ti-Nb

15 Il Sistema Ni-Ti (Nitinol) MASSALSKI T. B. s.a. Binary alloy phase diagrams. Vol Materials Park, Ohio, ASM International, 1990.

16 NiTi Caratteristiche Melting temperature [ C] 1310 Density [g/cm 3 ] 6,45 Electrical resistivity austenite [µω cm] 100 Electrical resistivity martensite [µω cm] 80 Thermal conductivity austenite at 293 K [W/(m 18 K)] Thermal conductivity martensite at 293 K 8,5 [W/(m K)] Thermal expansion austenite [10-6 /K] 11 Thermal expansion martensite [10-6 /K] 6,6 Corrosion resistance similar to Ti alloys Modulus of Elasticity austenite [GPa] 75 Modulus of Elasticity martensite [GPa] 40 Yield strength austenite [MPa] Yield strength martensite [MPa] Ultimate tensile strength [MPa] (cold deformed) Transformation temperatures [ C] Shape memory strain [%] 8,5 maximum (Cycling)

17 NiTi: composizione e drogaggio Temperature di trasformazione dipendono sensibilmente dal rapporto Ni/Ti e dall aggiunta di un terzo elemento NiTiX (X= Fe, Cu, Nb, Pt, Pd, Hf, Zr, Hf, Co, Cr, W, terre rare) NiTi: Ms Vs Ni at.% NiTiX X = Cu, Hf NiTi(Cu5%) NiTi(Hf10%) Tem peratura [ C]

18 Produzione e lavorazioni meccaniche Fusione e Colata La fusione del Ni-Ti richiede processi fusori non contaminanti. Forgiatura o Estrusione a Caldo Laminazione o Trafilatura a freddo Formatura del dispositivo SMA Educazione del materiale (Training) L intermetallico NiTi presenta buone caratteristiche di deformabilità, sia a caldo, che a freddo. Può essere lavorato attraverso tradizionali processi di deformazione dei metalli fino ad ottenere semilavorati barre, lamine, fili di bassa dimensionalità. Le lavorazioni meccaniche con asportazione di truciolo, anche se difficoltose, sono possibili. Per il taglio sono consigliate tecniche quali: taglio Laser, elettroerosione a filo, water jet.

19 Shape Setting Training I Deformazione a freddo II Costrizione e fissaggio nella forma desiderata. III - Trattamento termico a basse temperature nello stato di costrizione ( C; 1-20 min) IV Themo-mechanical cycling Shape setting Tecniche di shape setting: - Fast shape setting (impulsi elettrici rapidi - circa 10 ms) - Laser shape setting

20 Shape Setting Training

21 Caratteristiche Funzionali Superelasticità (Biomedicale) Recupero Vincolato - Generazione di Forza Attuazione Produzione di lavoro Elevata capacità di smorzamento delle vibrazioni

22 Recupero Libero Gadget Variazione di Temperatura Sistema di Bloccaggio

23 Recupero Libero L. Mc Donald Schetky Scientific American 241 (5) Temperature

24 Recupero Vincolato s r Stress s t Strain e t e p e c T d e c e p e t Strain Recupero vincolato con vincolo fisso. Diagrammi Sforzo/Deformazione Sforzo/Temperatura Deformazione/Temperatura Stress s r s t T d T d A s T c T d ds/dt T c Temperature M d

25 Recupero Vincolato Rock Breaker

26 Recupero Vincolato Accoppiamenti / Giunzioni Unilok applications Robert Bogue, (2009) "Shape-memory materials: a review of technology and applications", Assembly Automation, Vol. 29 Iss: 3, pp

27 Attuazione / Produzione di Lavoro Temperature NiTi Wir e Lo DL Kg Kg

28 Attuatori SMA Vantaggi Sensori-Attuatori (Dispositivi Attivi) Silenziosi Non Lubrificati Elevata affidabilità Non tossici, Non infiammabili Integrabili in circuiti elettrici Elevata efficienza : Potenza/Pesoo Eccellente resistenza all ossidazione Svantaggi Isteresi Termica Caratteristiche non lineari Limitato range operativo Proprietà funzionali da stabilizzare Elevato costo

29 Attuatori SMA

30 Attuatori SMA Sistema di bloccaggio con elementi SMA e richiamo a flessione Deflessione automatica dei flussi d aria per impianti di condizionamento

31 Attuatori SMA Water Mixing Valve / Furukawa NT alloy Automatic oil valve adjusting device for Shinkansen / Furukawa NT alloy

32 Attuatori SMA TiNi Aerospace's family of SMA actuated Pinpullers may be used to secure and release numerous spacecraft deployables. TiNi AEROSPACE'S Frangibolt family of actuators is designed for deployment of a wide variety of stowed appendages including solar panels, antennae, cover doors, and various experimental payloads.

33 Attuatori SMA NanoMuscle MigaOne NanoMuscle Autosplice Robotica

34 Attuatori SMA Miniature camera Multivalve Air/Gas

35 Conversione del calore in movimento NiTi Heat Engines NiTi wire NiTi spring

36 Elevata capacità di smorzamento 3D flexible NiTi-braided elastomer composites for smart structure applications L Heller et al 2012 Smart Mater. Struct

37 Elevata capacità di smorzamento CIVIL Engineering Cable Vibration Suppression by SMA device Torra V et al. JMEP (2009) 18:

38 Elevata capacità di smorzamento Application of SMA Composites in the Collectors of the Railway Pantograph for the Italian High-Speed Train A. Tuissi, P. Bassani, R. Casati, M. Bocciolone, A. Collina, M. Carnevale, A. Lo Conte, and B. Previtali JMEPEG (2009) 18: Simulated and Experimental Damping Properties of a SMA/Fiber Glass Laminated Composite S. Arnaboldi, P. Bassani, C.A. Biffi, A. Tuissi, M. Carnevale, N. Lecis, A. LoConte, and B. Previtali JMEPEG (2011) 20:

39 Ingegneria civile Hinge Restrainer Cables Reginald DesRoches, PhD Darel Hodgson, PhD Jamie Ellen Padgett, PhD Recentering SMA Devices

40 Superelasticità Applicazioni Storiche Applicazioni biomedicali Antenne per cellulari Occhiali Filo da pesca

41 NiTi Caratteristiche

42 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol Stents

43 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol Stent Nitinol Stent Graft

44 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol Stent Nitinol Stent Graft

45 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol Stents Covered Stent graft Nitinol para Medicina

46 SMA: Applicazioni Biomedicali Orthodontic SMA devices Nickel titanium (nitinol or NiTi) endodontic rotary files

47 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol surgical tools & devices NGage Nitinol Stone Extractor Simon Nitinol Vena Cava Filter SCANLAN MEMORY ENDOSMART

48 SMA: Applicazioni Biomedicali Nitinol orhopedics Osteosynthesis Staples SmartMetal Technology Temperature Activated Wings

49 Conclusioni Le leghe SMA ben si prestano all innovazione di prodotto soprattutto per piccole produzioni di elevato valore aggiunto. Possono essere applicate in numerosi settori nei quali operano la maggior parte delle PMI italiane. L italia occupa una posizione di rilievo nel panorama mondiale delle leghe SMA. In Europa, dopo la Germania, l Italia è la nazione più attiva nella ricerca sperimentale SMA e nello sviluppo industriale. La diffusione delle peculiari conoscenze legate all impiego delle SMA è in aumento. Un crescente numero di Università ha introdotto argomenti riguardanti le leghe SMA nella programmazione didattica di numerosi corsi di laurea. La presenza consolidata di alcuni gruppi industriali medio grandi, unitamente ad un discreto numero di PMI nazionali che realizzano prodotti innovativi SMA è sicuramene un fatto elemento positivo che deve essere sostenuto anche attraverso associazioni di categoria e organismi locali. La presenza di un azienda leader mondiale nella produzione di leghe SMA, sta fungendo da driving force anche per lo sviluppo del mercato nazionale.

50 ASTM Standard Specifications F Standard Specification for Wrought Nickel-Titanium Shape Memory Alloys for Medical Devices and Surgical Implants F Standard Specification for Wrought Nickel-Titanium Shape Memory Alloys for Medical Devices and Surgical Implants F Standard Specification for Wrought Seamless Nickel-Titanium Shape Memory Alloy Tube for Medical Devices and Surgical Implants F Standard Test Method for Transformation Temperature of Nickel- Titanium Alloys by Thermal Analys F Standard Terminology for Nickel-Titanium Shape Memory Alloys F Standard Test Method for Tension Testing of Nickel-Titanium Superelastic Materials F Standard Test Method for Determination of Transformation Temperature of Nickel-Titanium Shape Memory Alloys by Bend and Free Recovery

51 Bibliografia Shape Memory Materials by K.Otsuka,C M Wayman Cambridge University Press Shape Memory Aloys: Modelling and Engineering Application by D C Lagoudas Springer Shape Memory Alloys by Hiroyasu Funakubo Gordon and Breach Science Publishers Thin Film Shape Memory Alloys by Shuichi Miyazaki /Fu/Huang Cambridge Shape memory alloys for biomedical applications by T Yoneyama, Nihon University and S Miyazaki, Woodhead Publishing Series in Biomaterials No. 15