Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Aktuadoreak nonahi erabiltzen dira eta mugimendu kontrolatua sortzen dute, kitzikapen-indar edo momentu zuzena aplikatuz, fabrikazioan eta industria-automatizazioan hainbat eragiketa egiteko. Unitate azkarrago, txikiago eta eraginkorragoen beharrak berrikuntza bultzatzen du unitateen diseinuan. Forma-memoriazko aleaziozko (SMA) unitateek abantaila ugari eskaintzen dituzte ohiko unitateekin alderatuta, besteak beste, potentzia-pisu erlazio handia. Tesi honetan, bi lumadun SMA oinarritutako aktuadore bat garatu da, sistema biologikoen lumadun muskuluen abantailak eta SMAen propietate bereziak konbinatzen dituena. Ikerketa honek aurreko SMA aktuadoreak aztertzen eta zabaltzen ditu, SMA hari-antolamendu bimodalean oinarritutako aktuadore berriaren eredu matematiko bat garatuz eta esperimentalki probatuz. SMAn oinarritutako unitate ezagunekin alderatuta, unitate berriaren aktuazio-indarra gutxienez 5 aldiz handiagoa da (150 N arte). Dagokion pisu-galera % 67 ingurukoa da. Eredu matematikoen sentikortasun-analisiaren emaitzak erabilgarriak dira diseinu-parametroak doitzeko eta parametro nagusiak ulertzeko. Ikerketa honek N. etapa anitzeko unitate bat aurkezten du, dinamika are gehiago hobetzeko erabil daitekeena. SMAn oinarritutako dibalerato giharretako aktuadoreek aplikazio sorta zabala dute, eraikinen automatizaziotik hasi eta sendagaiak emateko doitasun sistemetaraino.
Sistema biologikoek, hala nola ugaztunen gihar-egiturek, aktuadore sotil asko aktiba ditzakete1. Ugaztunen gihar-egitura desberdinak dira, eta bakoitzak helburu zehatz bat du. Hala ere, ugaztunen gihar-ehunaren egituraren zati handi bat bi kategoria zabaletan bana daiteke. Paraleloak eta pennatuak. Izterreko giharretan eta beste flexore batzuetan, izenak dioen bezala, gihar paraleloak tendoi zentralari paraleloan dauden gihar-zuntzak ditu. Gihar-zuntzen katea lerrokatuta eta funtzionalki lotuta dago inguruko ehun konektiboarekin. Gihar hauek txango handia dutela esaten den arren (ehuneko laburdura), haien gihar-indar orokorra oso mugatua da. Aldiz, trizepseko txahal-giharrean2 (gastroknemio laterala (GL)3, gastroknemio mediala (GM)4 eta soleoa (SOL)) eta femorreko luzatzailean (kuadrizepsa)5,6 gihar-ehun pennatua aurkitzen da gihar bakoitzean7. Egitura pinatu batean, bipenatuko giharretako gihar-zuntzak tendoi zentralaren bi aldeetan daude, angelu zeiharretan (angelu pinatuak). Pennatu hitza latinezko "penna" hitzetik dator, eta "luma" esan nahi du, eta, 1. irudian ikusten den bezala, luma itxura du. Gihar pennatuen zuntzak laburragoak dira eta giharraren luzetarako ardatzarekiko angeluan daude. Pinnatuen egitura dela eta, gihar hauen mugikortasun orokorra murriztu egiten da, eta horrek laburtze prozesuaren zeharkako eta luzetarako osagaiak sortzen ditu. Bestalde, gihar hauen aktibazioak gihar-indar orokorra handiagoa dakar, zeharkako sekzio fisiologikoaren azalera neurtzeko moduagatik. Beraz, zeharkako sekzio-eremu jakin baterako, gihar pennatuek indartsuagoak izango dira eta indar handiagoak sortuko dituzte zuntz paraleloak dituzten giharrek baino. Zuntz indibidualek sortutako indarrek gihar-indarrak sortzen dituzte maila makroskopikoan gihar-ehun horretan. Horrez gain, propietate bereziak ditu, hala nola, uzkurtze azkarra, tentsio-kalteen aurkako babesa, kuxintzea. Zuntz-sarreraren eta gihar-potentziaren irteeraren arteko erlazioa eraldatzen du, giharren ekintza-lerroekin lotutako zuntz-antolamenduaren ezaugarri bereziak eta konplexutasun geometrikoa aprobetxatuz.
SMA oinarritutako aktuadoreen diseinuen eskema-diagramak erakusten dira, arkitektura muskular bimodal batekin erlazionatuta, adibidez (a), ukimen-indarraren elkarrekintza irudikatzen duena, non SMA kableek eragindako esku-formako gailu bat bi gurpileko robot mugikor autonomo batean muntatzen den9,10., (b) Orbita-protesi robotikoa, antagonikoki kokatutako SMA malguki-protesi orbitalarekin. Begi protetikoaren posizioa begi-muskulu okularraren seinale batek kontrolatzen du11, (c) SMA aktuadoreak aproposak dira urpeko aplikazioetarako, maiztasun-erantzun handikoa eta banda-zabalera txikia dutelako. Konfigurazio honetan, SMA aktuadoreak arrainen mugimendua simulatuz uhin-mugimendua sortzeko erabiltzen dira, (d) SMA aktuadoreak mikro-hodi ikuskatzeko robot bat sortzeko erabiltzen dira, hazbeteko zizare-mugimenduaren printzipioa erabil dezakeena, 10. kanalaren barruan SMA kableen mugimenduak kontrolatuta, (e) gastroknemio ehunean uzkurdura-muskulu-zuntzen norabidea eta uzkurdura-indarra sortzea erakusten du, (f) pennatu-muskulu-egiturako muskulu-zuntzen moduan antolatutako SMA hariak erakusten ditu.
Eragileak sistema mekanikoen zati garrantzitsu bihurtu dira, aplikazio ugari dituztelako. Hori dela eta, funtsezkoa da eragingailu txikiago, azkarrago eta eraginkorragoen beharra. Abantailak izan arren, eragingailu tradizionalak garestiak eta mantentze-lanetarako denbora asko eskatzen dutela frogatu da. Eragile hidrauliko eta pneumatikoak konplexuak eta garestiak dira, eta higadura, lubrifikazio arazo eta osagaien akatsen menpe daude. Eskariari erantzunez, material adimendunetan oinarritutako kostu-eraginkorrak, tamaina optimizatukoak eta aurreratuak diren eragileak garatzean jartzen da arreta. Ikerketa etengabeak forma-memoriazko aleaziozko (SMA) geruzadun eragileak aztertzen ari dira behar hori asetzeko. Eragile hierarkikoak bereziak dira, aktuadore diskretu asko makro-eskalako azpisistema geometrikoki konplexuetan konbinatzen baitituzte funtzionaltasun handiagoa eta zabalduagoa emateko. Zentzu honetan, goian deskribatutako giza gihar-ehunak geruza anitzeko aktuazio horren adibide bikaina eskaintzen du. Oraingo ikerketak SMA unitate maila anitzeko bat deskribatzen du, gihar bimodaletan dauden zuntz-orientazioekin lerrokatutako hainbat eragile-elementu indibidual (SMA hariak) dituena, eta horrek eragingailuaren errendimendu orokorra hobetzen du.
Aktuadore baten helburu nagusia potentzia mekanikoaren irteera sortzea da, hala nola indarra eta desplazamendua, energia elektrikoa bihurtuz. Forma-memoria duten aleazioak "material adimendun" klase bat dira, tenperatura altuetan forma berreskura dezaketenak. Karga handien pean, SMA hariaren tenperaturaren igoerak forma berreskuratzea dakar, eta horrek aktuazio-energia dentsitate handiagoa dakar zuzenean lotutako hainbat material adimendunekin alderatuta. Aldi berean, karga mekanikoen pean, SMAk hauskor bihurtzen dira. Baldintza jakin batzuetan, karga zikliko batek energia mekanikoa xurgatu eta askatu dezake, forma-aldaketa histeretiko itzulgarriak erakutsiz. Propietate berezi hauek SMA aproposa bihurtzen dute sentsoreetarako, bibrazio-amortizatzaileetarako eta batez ere aktuadoreetarako12. Hori kontuan hartuta, ikerketa asko egin dira SMA oinarritutako unitateetan. Kontuan izan behar da SMA oinarritutako aktuadoreak hainbat aplikaziotarako translazio- eta biraketa-mugimendua emateko diseinatuta daudela13,14,15. Aktuadore birakari batzuk garatu diren arren, ikertzaileak bereziki interesatuta daude aktuadore linealetan. Aktuadore lineal hauek hiru aktuadore motatan bana daitezke: dimentsio bakarrekoak, desplazamendu-aktuadoreak eta diferentzialak 16. Hasieran, unitate hibridoak SMArekin eta beste unitate konbentzional batzuekin konbinatuta sortu ziren. SMA oinarritutako aktuadore lineal hibrido baten adibide bat SMA hari bat DC motor batekin erabiltzea da, 100 N inguruko irteera-indarra eta desplazamendu esanguratsua emateko17.
SMAn oinarritutako unitateetan izandako lehen garapenetako bat SMA paraleloko unitateak izan ziren. SMA hari anitz erabiliz, SMAn oinarritutako paraleloko unitateak unitatearen potentzia-gaitasuna handitzeko diseinatuta dago, SMA18 hari guztiak paraleloan jarriz. Aktuadoreen konexio paraleloak ez du potentzia gehiago behar bakarrik, baita hari bakar baten irteera-potentzia mugatzen ere. SMAn oinarritutako aktuadoreen beste desabantaila bat lor dezaketen ibilbide mugatua da. Arazo hau konpontzeko, SMA kable-habe bat sortu zen, desbideratutako habe malgu bat duena, desplazamendua handitzeko eta mugimendu lineala lortzeko, baina ez zuen indar handiagoak sortu19. Forma-memoriazko aleazioetan oinarritutako robotentzako egitura eta ehun deformagarri bigunak garatu dira batez ere inpaktuaren anplifikaziorako20,21,22. Abiadura handiak behar diren aplikazioetarako, ponpa trinkoen berri eman da, film meheko SMAk erabiliz mikroponpa bidezko aplikazioetarako23. Film meheko SMA mintzaren maiztasuna funtsezko faktorea da gidariaren abiadura kontrolatzeko. Hori dela eta, SMA motor linealek erantzun dinamiko hobea dute SMA malguki edo hagaxka motorrekin alderatuta. Robotika biguna eta heltze-teknologia SMA oinarritutako aktuadoreak erabiltzen dituzten beste bi aplikazio dira. Adibidez, 25 N-ko espazio-pintzagailuan erabiltzen den aktuadore estandarra ordezkatzeko, forma-memoria duen aleaziozko aktuadore paralelo bat garatu zen 24. Beste kasu batean, SMA aktuadore bigun bat fabrikatu zen, 30 N-ko gehienezko tira-indarra sortzeko gai den matrizea duen alanbre batean oinarrituta. Beren propietate mekanikoengatik, SMAk fenomeno biologikoak imitatzen dituzten aktuadoreak ekoizteko ere erabiltzen dira. Garapen horietako batek 12 zelulako robot bat barne hartzen du, lur-zizare itxurako organismo baten biomimetikoa dena, SMA duena suaren mugimendu sinusoidal bat sortzeko26,27.
Aurretik aipatu bezala, SMA oinarritutako aktuadoreetatik lor daitekeen indar maximoari muga bat dago. Arazo honi aurre egiteko, ikerketa honek gihar-egitura bimodal biomimetiko bat aurkezten du. Forma-memoriazko aleazio-hariak bultzatuta. Hainbat forma-memoriazko aleazio-hariak barne hartzen dituen sailkapen-sistema bat eskaintzen du. Orain arte, ez da literaturan arkitektura antzekoa duten SMA oinarritutako aktuadorerik jakinarazi. SMAn oinarritutako sistema berezi eta berritzaile hau garatu zen gihar bimodalen lerrokatzean SMAren portaera aztertzeko. SMA oinarritutako aktuadoreekin alderatuta, ikerketa honen helburua bolumen txikian indar nabarmen handiagoak sortzeko dibaleratozko aktuadore biomimetiko bat sortzea izan zen. HVAC eraikinen automatizazio eta kontrol sistemetan erabiltzen diren urrats-motor bidezko unitate konbentzionalekin alderatuta, proposatutako SMA oinarritutako unitate bimodalaren diseinuak unitate-mekanismoaren pisua % 67 murrizten du. Jarraian, "gihar" eta "unitate" terminoak elkarren artean erabiliko dira. Ikerketa honek unitate horren simulazio multifisikoa ikertzen du. Sistema horien portaera mekanikoa metodo esperimental eta analitikoen bidez aztertu da. Indar eta tenperatura banaketak gehiago ikertu ziren 7 V-ko sarrera-tentsioan. Ondoren, analisi parametriko bat egin zen parametro nagusien eta irteera-indarraren arteko erlazioa hobeto ulertzeko. Azkenik, aktuadore hierarkikoak aurreikusi dira eta maila hierarkikoko efektuak proposatu dira etorkizuneko eremu potentzial gisa aktuadore ez-magnetikoetarako aplikazio protesikoetarako. Aipatutako ikerketen emaitzen arabera, etapa bakarreko arkitektura erabiltzeak SMA oinarritutako aktuadoreek baino gutxienez lau edo bost aldiz handiagoak diren indarrak sortzen ditu. Gainera, maila anitzeko maila anitzeko unitate batek sortutako bultzada-indar bera SMA oinarritutako unitate konbentzionalena baino hamar aldiz gehiago dela frogatu da. Ondoren, ikerketak parametro nagusiak erakusten ditu diseinu eta sarrera-aldagai desberdinen arteko sentikortasun-analisia erabiliz. SMA kablearen hasierako luzerak (\(l_0\)), angelu pinnatuak (\(\alpha\)) eta hari bakoitzeko hari bakarreko kopuruak (n) eragin negatibo handia dute bultzada-indarraren magnitudean, sarrera-tentsioak (energiak) positiboki korrelazionatuta zegoela frogatu zen bitartean.
SMA hariak nikel-titanio (Ni-Ti) aleazioen familian ikusten den forma-memoriaren efektua (SME) erakusten du. Normalean, SMAek bi tenperatura-menpeko fase erakusten dituzte: tenperatura baxuko fase bat eta tenperatura altuko fase bat. Bi faseek propietate bereziak dituzte kristal-egitura desberdinak dituztelako. Transformazio-tenperaturatik gora dagoen austenita fasean (tenperatura altuko fasea), materialak erresistentzia handia erakusten du eta ez da oso deformatzen kargapean. Aleazioak altzairu herdoilgaitzaren antzera jokatzen du, beraz, aktuazio-presio handiagoak jasan ditzake. Ni-Ti aleazioen propietate hau aprobetxatuz, SMA hariak inklinatuta daude aktuadore bat osatzeko. Analisi-eredu egokiak garatzen dira SMAren portaera termikoaren oinarrizko mekanika ulertzeko hainbat parametro eta geometria desberdinen eraginpean. Bat etortze ona lortu zen emaitza esperimentalen eta analitikoen artean.
9a irudian erakusten den prototipoan azterketa esperimental bat egin zen SMAn oinarritutako bimodal eragile baten errendimendua ebaluatzeko. Bi propietate horietako, eragileak sortutako indarra (gihar-indarra) eta SMA hariaren tenperatura (SMA tenperatura), esperimentalki neurtu ziren. Tentsio-diferentzia eragilearen hariaren luzera osoan handitzen den heinean, hariaren tenperatura handitzen da Joule berotze-efektuaren ondorioz. Sarrerako tentsioa bi 10 segundoko ziklotan aplikatu zen (2a eta 2b irudietan puntu gorri gisa erakusten dira), ziklo bakoitzaren artean 15 segundoko hozte-aldi batekin. Blokeo-indarra tentsio-neurgailu piezoelektriko bat erabiliz neurtu zen, eta SMA hariaren tenperaturaren banaketa denbora errealean kontrolatu zen bereizmen handiko LWIR kamera zientifiko bat erabiliz (ikus erabilitako ekipamenduaren ezaugarriak 2. taulan). tentsio handiko fasean, hariaren tenperatura monotonikoki handitzen dela erakusten du, baina korronterik ez dagoenean, hariaren tenperatura jaisten jarraitzen duela. Oraingo konfigurazio esperimentalean, SMA hariaren tenperatura jaitsi egin zen hozte fasean, baina oraindik ere giro-tenperatura baino handiagoa zen. 2e irudian LWIR kameratik hartutako SMA hariaren tenperaturaren argazki bat ageri da. Bestalde, 2a irudian bultzada-sistemak sortutako blokeatze-indarra ageri da. Gihar-indarra malgukiaren berreskuratze-indarra gainditzen duenean, beso mugikorra, 9a irudian erakusten den bezala, mugitzen hasten da. Aktuazioa hasten den bezain laster, beso mugikorra sentsorearekin kontaktuan jartzen da, gorputz-indar bat sortuz, 2c eta d irudietan erakusten den bezala. Gehienezko tenperatura \(84\,^{\circ}\hbox {C}\)-tik gertu dagoenean, behatutako gehienezko indarra 105 N da.
Grafikoak SMA kablearen tenperaturaren eta SMA oinarritutako aktuadore bimodalak bi ziklotan zehar sortutako indarraren emaitza esperimentalak erakusten ditu. Sarrerako tentsioa bi 10 segundoko ziklotan aplikatzen da (puntu gorri gisa erakusten dira), ziklo bakoitzaren artean 15 segundoko hozte-aldi batekin. Esperimentuetarako erabilitako SMA kablea Dynalloy, Inc.-en 0,51 mm-ko diametroko Flexinol kablea izan zen. (a) Grafikoak bi ziklotan zehar lortutako indar esperimentala erakusten du, (c, d) PACEline CFT/5kN indar-transduktore piezoelektriko batean beso mugikorreko aktuadoreen ekintzaren bi adibide independente erakusten ditu, (b) grafikoak SMA kable osoaren tenperatura maximoa erakusten du bi ziklotan zehar, (e) FLIR ResearchIR softwarearen LWIR kamera erabiliz SMA kabletik hartutako tenperatura-argazki bat erakusten du. Esperimentuetan kontuan hartu diren parametro geometrikoak 1. taulan ageri dira.
Eredu matematikoaren simulazio emaitzak eta emaitza esperimentalak 7V-ko sarrera-tentsioaren baldintzapean alderatu dira, 5. irudian erakusten den bezala. Analisi parametrikoaren emaitzen arabera eta SMA kablea gehiegi berotzeko aukera saihesteko, 11,2 W-ko potentzia eman zitzaion eragingailuari. Programatzeko moduko korronte zuzeneko elikatze-iturri bat erabili zen 7V sarrera-tentsio gisa emateko, eta 1,6A-ko korrontea neurtu zen kablean zehar. Unitateak sortutako indarra eta SDR-aren tenperatura handitzen dira korrontea aplikatzen denean. 7V-ko sarrera-tentsioarekin, simulazio-emaitzetatik eta lehen zikloko emaitza esperimentaletatik lortutako irteera-indarra gehienez 78 N eta 96 N da, hurrenez hurren. Bigarren zikloan, simulazio-emaitzen eta emaitza esperimentalen irteera-indarra gehienez 150 N eta 105 N izan zen, hurrenez hurren. Oklusio-indarraren neurketen eta datu esperimentalen arteko desadostasuna oklusio-indarra neurtzeko erabilitako metodoaren ondorio izan daiteke. Emaitza esperimentalak... irudian erakusten dira... 5a irudiak blokeatze-indarraren neurketari dagokio, eta hau, aldi berean, ardatz eragilea PACEline CFT/5kN-ko indar piezoelektrikoko transduktorearekin kontaktuan zegoenean neurtu zen, 2s irudian erakusten den bezala. Beraz, ardatz eragilea hozte-eremuaren hasieran indar-sentsorearekin kontaktuan ez dagoenean, indarra berehala zero bihurtzen da, 2d irudian erakusten den bezala. Horrez gain, ondorengo zikloetan indarraren eraketan eragina duten beste parametro batzuk hozte-denboraren balioak eta aurreko zikloko konbekziozko bero-transferentziaren koefizientea dira. 2b iruditik ikus daiteke 15 segundoko hozte-aldi baten ondoren, SMA kableak ez zuela giro-tenperaturara iritsi eta, beraz, hasierako tenperatura handiagoa zuela (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) bigarren gidatze-zikloan lehenengo zikloarekin alderatuta (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Horrela, lehenengo zikloarekin alderatuta, bigarren berotze zikloan SMA alanbrearen tenperaturak hasierako austenita tenperaturara (\(A_s\)) lehenago iristen da eta trantsizio-aldian denbora gehiagoz mantentzen da, eta horrek tentsioa eta indarra sortzen ditu. Bestalde, esperimentu eta simulazioetatik lortutako berotze eta hozte zikloetako tenperatura-banaketek antzekotasun kualitatibo handia dute analisi termografikoko adibideekin. Esperimentu eta simulazioetatik lortutako SMA alanbrearen datu termikoen analisi konparatiboak koherentzia erakutsi zuen berotze eta hozte zikloetan zehar eta datu esperimentaletarako tolerantzia onargarrien barruan. Lehenengo zikloko simulazio eta esperimentuen emaitzetatik lortutako SMA alanbrearen tenperatura maximoa \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) eta \(75\,^{\circ }\hbox {C}\) da, hurrenez hurren, eta bigarren zikloan SMA alanbrearen tenperatura maximoa \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) eta \(83\,^{\circ }\hbox {C}\) da. Funtsean garatutako ereduak forma-memoriaren efektuaren eragina berresten du. Nekearen eta gehiegi berotzearen eginkizuna ez da kontuan hartu berrikuspen honetan. Etorkizunean, eredua hobetuko da SMA hariaren tentsio-historia sartzeko, ingeniaritza-aplikazioetarako egokiagoa izan dadin. Simulink bloketik lortutako irteerako indar-diagramak eta SMA tenperatura-diagramak datu esperimentalen tolerantzia onargarrien barruan daude, 7 V-ko sarrera-tentsioaren pultsu baten baldintzapean. Horrek garatutako eredu matematikoaren zuzentasuna eta fidagarritasuna berresten ditu.
Eredu matematikoa MathWorks Simulink R2020b ingurunean garatu zen, Metodoen atalean deskribatutako oinarrizko ekuazioak erabiliz. 3b irudian Simulink eredu matematikoaren bloke diagrama ageri da. Eredua 7V-ko sarrera-tentsioko pultsu baterako simulatu zen, 2a eta 2b irudietan erakusten den bezala. Simulazioan erabilitako parametroen balioak 1. taulan zerrendatzen dira. Prozesu iragankorren simulazioaren emaitzak 1. eta 1. irudietan aurkezten dira. 3a eta 4. irudiak. 4a eta 4b irudietan SMA kablean induzitutako tentsioa eta aktuadoreak sortutako indarra denboraren arabera erakusten dira. Alderantzizko eraldaketan (berotzean), SMA hariaren tenperatura, \(T < A_s^{\prime}\) denean (tentsioz ​​aldatutako austenita fasearen hasierako tenperatura), martensita bolumen-frakzioaren aldaketa-tasa (\(\dot{\xi }\)) zero izango da. Alderantzizko eraldaketan (berotzean), SMA hariaren tenperatura, \(T < A_s^{\prime}\) denean (tentsioz ​​aldatutako austenita fasearen hasierako tenperatura), martensita bolumen-frakzioaren aldaketa-tasa (\(\dot{\ xi }\)) zero izango da. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура проволоки аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли доли матра\\) (xi(с}\) будет равно нулю. Alderantzizko eraldaketan (berotzean), SMA hariaren tenperatura, \(T < A_s^{\prime}\) denean (tentsioz ​​aldatutako austenitaren hasiera-tenperatura), martensitaren bolumen-frakzioaren aldaketa-tasa (\(\dot{\ xi }\ )) zero izango da.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\}dot)\将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температнатура аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенкой на напряжение) (\(\зменения) равно нулю. SMA hariaren tenperaturan (austenita fasearen nukleazio-tenperatura, tentsioa zuzenduta) alderantzizko eraldaketan (berotzean), martensitaren bolumen-frakzioaren aldaketa-tasa zero izango da.Beraz, tentsio-aldaketaren (\(\dot{\sigma}\)) tasa deformazio-tasaren (\(\dot{\epsilon}\)) eta tenperatura-gradientearen (\(\dot{\T} \)) araberakoa izango da (1) ekuazioa erabiliz soilik. Hala ere, SMA hariak tenperatura igotzen duenean eta (\(A_s^{\prime}\) zeharkatzen duenean, austenita fasea eratzen hasten da, eta (\(\dot{\xi}\)) hartzen da (3) ekuazioaren balio gisa. Beraz, tentsio-aldaketaren (\(\dot{\sigma}\)) tasa \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) eta \(\dot{\xi}\)-k batera kontrolatzen dute (1) formulan emandakoaren berdina izan dadin. Horrek azaltzen ditu berotze-zikloan zehar denboran aldatzen diren tentsio- eta indar-mapetan behatutako gradiente-aldaketak, 4a eta b irudietan erakusten den bezala.
(a) Simulazio-emaitza, SMA oinarritutako dibaleratozko aktuadore batean tenperaturaren banaketa eta tentsioak eragindako juntura-tenperatura erakusten dituena. Hari-tenperaturak austenita-trantsizio-tenperatura zeharkatzen duenean berotze-fasean, aldatutako austenita-trantsizio-tenperatura handitzen hasten da, eta, era berean, haril-barraren tenperaturak martensita-trantsizio-tenperatura zeharkatzen duenean hozte-fasean, martensita-trantsizio-tenperatura jaisten da. SMA aktuazio-prozesuaren modelizazio analitikorako. (Simulink eredu baten azpisistema bakoitzaren ikuspegi zehatza lortzeko, ikusi fitxategi osagarriaren eranskin-atala.)
Parametro-banaketa desberdinen analisiaren emaitzak 7V-ko sarrera-tentsioaren bi ziklotarako erakusten dira (10 segundoko berotze-zikloak eta 15 segundoko hozte-zikloak). (ac) eta (e)-k denboran zeharreko banaketa erakusten duten bitartean, (d) eta (f)-k, berriz, tenperaturarekiko banaketa ilustratzen dute. Sarrera-baldintza bakoitzean, behatutako tentsio maximoa 106 MPa da (345 MPa baino gutxiago, alanbre-erresistentzia), indarra 150 N da, desplazamendu maximoa 270 µm da eta martensitaren bolumen-frakzio minimoa 0,91 da. Bestalde, tentsioaren aldaketa eta martensitaren bolumen-frakzioaren aldaketa tenperaturarekiko histereesi-ezaugarrien antzekoak dira.
Azalpen bera aplikatzen da austenita fasetik martensita faserako eraldaketa zuzenari (hozteari), non SMA alanbrearen tenperatura (T) eta tentsioz ​​aldatutako martensita fasearen amaierako tenperatura (\(M_f^{\prime}\ )) bikainak diren. 4d irudian, f-k SMA alanbrean tentsio induzituaren (\(\sigma\)) eta martensitaren bolumen-frakzioaren (\(\xi\)) aldaketa erakusten du, SMA alanbrearen (T) tenperaturaren aldaketaren arabera, bi gidatze-zikloetarako. 3a irudian, SMA alanbrearen tenperaturaren aldaketa erakusten da denboran zehar, sarrera-tentsioaren pultsuaren arabera. Irudian ikus daitekeen bezala, alanbrearen tenperatura handitzen jarraitzen du zero tentsioko bero-iturri bat emanez eta ondorengo konbekzio-hozteagatik. Berotzean, martensitaren austenita faserako bireraldaketa hasten da SMA alanbrearen tenperaturak (T) tentsio-zuzendutako austenitaren nukleazio-tenperatura (\(A_s^{\prime}\)) zeharkatzen duenean. Fase honetan, SMA alanbrea konprimitu egiten da eta eragingailuak indarra sortzen du. Hoztean ere, SMA alanbrearen tenperaturak (T) tentsio-aldatutako martensita fasearen nukleazio-tenperatura (\(M_s^{\prime}\)) zeharkatzen duenean, austenita fasetik martensita faserako trantsizio positiboa gertatzen da. Bultzada-indarra gutxitzen da.
SMAn oinarritutako eragingailu bimodalaren alderdi kualitatibo nagusiak simulazioaren emaitzetatik lor daitezke. Tentsio-pultsu sarrera baten kasuan, SMA hariaren tenperatura handitzen da Joule berotze efektuagatik. Martensitaren bolumen-frakzioaren hasierako balioa (\(\xi\)) 1ean ezartzen da, materiala hasieran fase martensitiko osoan dagoelako. Haria berotzen jarraitzen duen heinean, SMA hariaren tenperaturak tentsioz ​​zuzendutako austenitaren nukleazio-tenperatura \(A_s^{\prime}\) gainditzen du, eta horrek martensitaren bolumen-frakzioaren jaitsiera dakar, 4c irudian erakusten den bezala. Horrez gain, 4e irudian eragingailuaren denboran zeharreko ibiltarteen banaketa erakusten da, eta 5. irudian, bultzada-indarra denboraren arabera. Erlazionatutako ekuazio-sistema batek tenperatura, martensitaren bolumen-frakzioa eta harian garatzen den tentsioa barne hartzen ditu, eta horrek SMA hariaren uzkurdura eta eragingailuak sortutako indarra eragiten ditu. 5. irudian erakusten den bezala... 4d,f irudietan, tentsioaren aldaketa tenperaturarekiko eta martensitaren bolumen-frakzioaren aldaketa tenperaturarekiko SMAren histereesi ezaugarriei dagozkie 7 V-tan simulatutako kasuan.
Gidatze-parametroen konparaketa esperimentuen eta kalkulu analitikoen bidez lortu zen. Kableak 7 V-ko sarrera-tentsio pultsatuaren menpe jarri ziren 10 segundoz, eta ondoren 15 segundoz hoztu ziren (hozte-fasea) bi ziklotan zehar. Pinuaren angelua \(40^{\circ}\)-ra ezarri da eta SMA kablearen hasierako luzera pin bakoitzaren hanka bakoitzean 83 mm-ra ezarri da. (a) Gidatze-indarra karga-zelula batekin neurtzea (b) Kablearen tenperatura kontrolatzea kamera infragorri termiko batekin.
Parametro fisikoek eragileak sortutako indarrean duten eragina ulertzeko, eredu matematikoak hautatutako parametro fisikoekiko duen sentikortasunaren analisi bat egin zen, eta parametroak haien eraginaren arabera sailkatu ziren. Lehenik eta behin, ereduaren parametroen laginketa banaketa uniforme bat jarraitu zuten diseinu esperimentalaren printzipioak erabiliz egin zen (ikus Sentikortasun Analisiari buruzko Atal Osagarria). Kasu honetan, ereduaren parametroek sarrerako tentsioa (\(V_{in}\)), hasierako SMA kablearen luzera (\(l_0\)), triangeluaren angelua (\(\alpha\)), polarizazio-malgukiaren konstantea (\( K_x\ )), konbekziozko bero-transferentzia koefizientea (\(h_T\)) eta adar unimodalen kopurua (n) dituzte. Hurrengo urratsean, giharren indar maximoa aukeratu zen ikerketaren diseinu-eskakizun gisa, eta aldagai multzo bakoitzak indarrean duen eragin parametrikoak lortu ziren. Sentikortasun-analisirako tornado grafikoak parametro bakoitzerako korrelazio-koefizienteetatik eratorriak ziren, 6a irudian erakusten den bezala.
(a) Eredu-parametroen korrelazio-koefizientearen balioak eta goiko eredu-parametroen 2500 talde bakarren irteera-indarraren gehienezko eragina tornado-diagraman ageri dira. Grafikoak hainbat adierazleren maila-korrelazioa erakusten du. Argi dago \(V_{in}\) dela korrelazio positiboa duen parametro bakarra, eta \(l_0\) dela korrelazio negatibo handiena duena. Hainbat parametroren eragina hainbat konbinaziotan gihar-indarraren gailurrean (b, c) erakusten da. \(K_x\) 400 eta 800 N/m artekoa da eta n 4 eta 24 artekoa. (\(V_{in}\) tentsioa 4V-tik 10V-ra aldatu da, kablearen luzera (\(l_{0 } \)) 40tik 100 mm-ra aldatu da, eta isats-angelua (\ (\alpha \)) \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\)-tik aldatu da.
6a irudian parametro bakoitzerako hainbat korrelazio-koefizienteren tornado-diagrama bat ageri da, gailurraren bultzada-indarraren diseinu-eskakizunekin. 6a iruditik ikus daiteke tentsio-parametroa (\(V_{in}\)) zuzenean lotuta dagoela irteera-indar maximoarekin, eta konbekziozko bero-transferentziaren koefizientea (\(h_T\)), sugarraren angelua (\( \alpha\)) eta desplazamendu-malgukiaren konstantea (\(K_x\)) negatiboki korrelazionatuta daudela SMA kablearen irteera-indarrarekin eta hasierako luzerarekin (\(l_0\)), eta adar unimodalen kopuruak (n) alderantzizko korrelazio sendoa erakusten du. Korrelazio zuzenaren kasuan, tentsio-korrelazio-koefizientearen (\(V_ {in}\)) balio handiagoaren kasuan, parametro honek duela eragin handiena potentzia-irteeran adierazten du. Antzeko beste analisi batek gailurraren indarra neurtzen du bi konputazio-espazioen konbinazio desberdinetan parametro desberdinen eragina ebaluatuz, 6b eta c irudietan erakusten den bezala. \(V_{in}\) eta \(l_0\), \(\alpha\) eta \(l_0\)-k antzeko ereduak dituzte, eta grafikoak erakusten du \(V_{in}\) eta \(\alpha\) eta \(\alpha\)-k antzeko ereduak dituztela. \(l_0\)-ren balio txikiagoek gailur-indar handiagoak eragiten dituzte. Beste bi grafikoak 6a irudiarekin bat datoz, non n eta \(K_x\) negatiboki korrelazionatuta dauden eta \(V_{in}\) positiboki korrelazionatuta dauden. Analisi honek eragin-parametroak definitzen eta doitzen laguntzen du, irteerako indarra, ibilbidea eta eraginkortasuna eskakizunetara eta aplikaziora egokitu ahal izateko.
Gaur egungo ikerketa-lanak N maila dituzten unitate hierarkikoak aurkezten eta ikertzen ditu. Bi mailako hierarkia batean, 7a irudian erakusten den bezala, non lehen mailako aktuadorearen SMA kable bakoitzaren ordez, antolamendu bimodal bat lortzen den, 9e irudian erakusten den bezala. 7c irudian ikusten da nola SMA kablea beso mugikor baten (beso laguntzailea) inguruan bilduta dagoen, eta besoa luzetarako norabidean bakarrik mugitzen da. Hala ere, beso mugikor nagusia lehen faseko aktuadore anitzeko beso mugikorraren modu berean mugitzen jarraitzen du. Normalean, N etapako unitate bat sortzen da \(N-1\) etapako SMA kablea lehen faseko unitate batekin ordezkatuz. Ondorioz, adar bakoitzak lehen faseko unitatearen imitazioa egiten du, kablea bera eusten duen adarra izan ezik. Horrela, unitate nagusien indarrak baino hainbat aldiz handiagoak diren indarrak sortzen dituzten egitura txertatuak sor daitezke. Ikerketa honetan, maila bakoitzerako, 1 m-ko SMA kablearen luzera eraginkor osoa hartu da kontuan, 7d irudian taula formatuan erakusten den bezala. Diseinu unimodal bakoitzean hari bakoitzetik igarotzen den korrontea eta SMA hari segmentu bakoitzean sortzen den aurretentsioa eta tentsioa berdinak dira maila bakoitzean. Gure eredu analitikoaren arabera, irteerako indarra mailarekin positiboki korrelazionatuta dago, desplazamendua, berriz, negatiboki. Aldi berean, desplazamenduaren eta gihar-indarraren arteko oreka bat zegoen. 7b irudian ikusten den bezala, indar maximoa geruza kopuru handienean lortzen den bitartean, desplazamendu handiena geruza baxuenean ikusten da. Hierarkia maila \(N=5\)-ra ezarri zenean, 2,58 kN-ko gihar-indar maximoa aurkitu zen 2 ibilaldi \(\upmu\)m-tan. Bestalde, lehen faseko eragingailuak 150 N-ko indarra sortzen du 277 \(\upmu\)m-ko ibilaldi batean. Maila anitzeko eragingailuek benetako gihar biologikoak imitatzeko gai dira, eta forma-memoriazko aleazioetan oinarritutako gihar artifizialek, berriz, indar nabarmen handiagoak sortzeko gai dira mugimendu zehatz eta finekin. Diseinu miniaturizatu honen mugak hauek dira: hierarkia handitzen den heinean, mugimendua asko murrizten da eta eragingailuaren fabrikazio-prozesuaren konplexutasuna handitzen da.
(a) Bi faseko (\(N=2\)) geruzadun forma-memoriazko aleaziozko aktuadore lineal sistema bat konfigurazio bimodalean erakusten da. Proposatutako eredua lehen faseko geruzadun aktuadorearen SMA kablea beste geruzadun aktuadore batekin ordezkatuz lortzen da. (c) Bigarren faseko geruza anitzeko aktuadorearen konfigurazio deformatua. (b) Indar eta desplazamenduen banaketa maila kopuruaren arabera deskribatzen da. Ikusi da aktuadorearen gailur indarra positiboki korrelazionatuta dagoela grafikoan eskala-mailarekin, eta ibilbidea, berriz, negatiboki korrelazionatuta dagoela eskala-mailarekin. Hari bakoitzeko korrontea eta aurre-tentsioa konstante mantentzen dira maila guztietan. (d) Taulak SMA kablearen (zuntzaren) luzera eta konektore kopurua erakusten ditu maila bakoitzean. Hari bakoitzaren ezaugarriak 1 indizearekin adierazten dira, eta bigarren mailako adar kopurua (hanka nagusira konektatutakoa) azpiindizeko zenbakirik handienarekin. Adibidez, 5. mailan, \(n_1\)-k egitura bimodal bakoitzean dauden SMA kable kopuruari egiten dio erreferentzia, eta \(n_5\)-k hanka laguntzaileen kopuruari (bat hanka nagusira konektatuta).
Hainbat ikertzailek hainbat metodo proposatu dituzte forma-memoria duten SMAen portaera modelatzeko, fase-trantsizioarekin lotutako kristal-egituraren aldaketa makroskopikoekin batera datozen propietate termomekanikoen araberakoak direnak. Metodo konstitutiboen formulazioa berez konplexua da. Tanakak28 proposatutako eredu fenomenologikorik ohikoena da eta ingeniaritza-aplikazioetan asko erabiltzen da. Tanakak [28] proposatutako eredu fenomenologikoak martensitaren bolumen-frakzioa tenperaturaren eta tentsioaren funtzio esponentziala dela suposatzen du. Geroago, Liang eta Rogers29 eta Brinson30-ek eredu bat proposatu zuten, non fase-trantsizio-dinamika tentsioaren eta tenperaturaren funtzio kosinu bat zela suposatzen zen, ereduan aldaketa txiki batzuekin. Becker eta Brinson-ek fase-diagraman oinarritutako eredu zinetiko bat proposatu zuten SMA materialen portaera karga-baldintza arbitrarioetan eta trantsizio partzialetan modelatzeko. Banerjee32-k Bekker eta Brinson31 fase-diagramaren dinamikaren metodoa erabiltzen du Elahiniak eta Ahmadian33-ek garatutako askatasun-gradu bakarreko manipulatzaile bat simulatzeko. Tentsioaren aldaketa ez-monotonikoa tenperaturarekin kontuan hartzen duten fase-diagrametan oinarritutako metodo zinetikoak zailak dira ingeniaritza-aplikazioetan ezartzeko. Elakhinia eta Ahmadianek dauden eredu fenomenologikoen gabezia horiei erreparatzen diete eta eredu fenomenologiko zabaldu bat proposatzen dute, edozein karga-baldintza konplexutan forma-memoriaren portaera aztertzeko eta definitzeko.
SMA alanbrearen egitura-ereduak SMA alanbrearen tentsioa (\(\sigma\)), deformazioa (\(\epsilon\)), tenperatura (T) eta martensita bolumen-frakzioa (\(\xi\)) ematen ditu. Eredu fenomenologiko konstitutiboa lehen aldiz Tanaka28-k proposatu zuen eta geroago Liang29 eta Brinson30-ek hartu zuten. Ekuazioaren deribatuak forma hau du:
non E fasearen araberako SMA Young-en modulua den, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) erabiliz lortua, eta \(E_A\) eta \(E_M\) Young-en modulua adierazten duten fase austenitikoak eta martensitikoak dira, hurrenez hurren, eta hedapen termikoaren koefizientea \(\theta _T\) bidez adierazten da. Fase-trantsizioaren ekarpen-faktorea \(\Omega = -E \epsilon _L\) da eta \(\epsilon _L\) SMA alanbrean berreskura daitekeen deformazio maximoa da.
Fase-dinamikaren ekuazioa Liang29-ek garatutako kosinu funtzioarekin bat dator, eta geroago Brinson30-ek hartu zuen Tanaka28-k proposatutako funtzio esponentzialaren ordez. Fase-trantsizio eredua Elakhiniak eta Ahmadian34-ek proposatutako ereduaren luzapena da, eta Liang29-ek eta Brinson30-ek emandako fase-trantsizio baldintzetan oinarrituta aldatua. Fase-trantsizio eredu honetarako erabilitako baldintzak karga termomekaniko konplexuen pean baliozkoak dira. Denbora-une bakoitzean, martensitaren bolumen-frakzioaren balioa kalkulatzen da ekuazio konstitutiboa modelatzean.
Berotze-baldintzetan martensitaren austenitarako eraldaketaren bidez adierazten den birtransformazio-ekuazio nagusia honako hau da:
non \(\xi\) martensitaren bolumen-frakzioa den, \(\xi _M\) berotu aurretik lortutako martensitaren bolumen-frakzioa den, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) eta \(C_A\) – kurbaren hurbilketa-parametroak, T – SMA hariaren tenperatura, \(A_s\) eta \(A_f\) – austenita fasearen hasiera eta amaiera, hurrenez hurren, tenperatura.
Austenitatik martensitarako fase-eraldaketak irudikatzen duen zuzeneko eraldaketa-kontrol ekuazioa hozte-baldintzetan hau da:
non \(\xi _A\) hoztu aurretik lortutako martensitaren bolumen-frakzioa den, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) eta \( C_M \) – kurba doitzeko parametroak, T – SMA hariaren tenperatura, \(M_s\) eta \(M_f\) – hasierako eta azken martensitaren tenperaturak, hurrenez hurren.
(3) eta (4) ekuazioak deribatu ondoren, alderantzizko eta zuzeneko transformazio-ekuazioak honako forma honetara sinplifikatzen dira:
Aurrera eta atzerako eraldaketan zehar, \(\eta _{\sigma}\) eta \(\eta _{T}\) balio desberdinak hartzen dituzte. \(\eta _{\sigma}\) eta \(\eta _{T}\)-rekin lotutako oinarrizko ekuazioak atal gehigarri batean eratorri eta zehatz-mehatz aztertu dira.
SMA kablearen tenperatura igotzeko behar den energia termikoa Joule berotze efektutik dator. SMA kableek xurgatzen edo askatzen duten energia termikoa transformazio bero latenteak adierazten du. SMA kablean galtzen den beroa konbekzio behartuaren ondorioz gertatzen da, eta erradiazioaren efektu hutsala kontuan hartuta, bero-energiaren balantze ekuazioa honako hau da:
Non \(m_{wire}\) SMA hariaren masa osoa den, \(c_{p}\) SMAren bero-ahalmen espezifikoa den, \(V_{in}\) hariari aplikatzen zaion tentsioa den, \(R_{ohm} \ ) – fasearen araberako SMA erresistentzia, honela definituta: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) non \(r_M\ ) eta \(r_A\) SMAren fase-erresistentzia martensitan eta austenitan, hurrenez hurren, \(A_{c}\) SMA hariaren azalera den, \(\Delta H \) forma-memoria duen aleazio bat den. Hariaren trantsizio-bero latentea, T eta \(T_{\infty}\) SMA hariaren eta ingurunearen tenperaturak diren, hurrenez hurren.
Forma-memoria duen aleaziozko alanbre bat aktibatzen denean, alanbrea konprimitu egiten da, diseinu bimodalaren adar bakoitzean zuntz-indarra izeneko indar bat sortuz. SMA alanbrearen hari bakoitzeko zuntzen indarrek elkarrekin aktibatzeko gihar-indarra sortzen dute, 9e irudian erakusten den bezala. Malguki tentsio-malguki baten presentzia dela eta, N. geruza anitzeko aktibagailuaren gihar-indar osoa hau da:
(7) ekuazioan \(N = 1\) ordezkatuz, lehen faseko bimodal bultzada prototipoaren gihar-indarra honela lor daiteke:
non n hanka unimodalen kopurua den, \(F_m\) eragileak sortutako gihar-indarra, \​​(F_f\) SMA hariaren zuntz-indarra, \(K_x\) polarizazio-zurruntasun-malgukia, \(\alpha\) triangeluaren angelua, \(x_0\) SMA kablea aurre-tentsioan eusteko polarizazio-malgukiaren hasierako desplazamendua, eta \(\Delta x\) aktuadorearen ibilbidea.
N. etapako SMA kablearen tentsioaren (\(\sigma\)) eta deformazioaren (\(\epsilon\)) araberako eragilearen desplazamendu edo mugimendu osoa (\(\Delta x\)), eragilea honela konfiguratuta dago (ikus irteeraren zati gehigarriaren irudia):
Ekuazio zinematikoek bultzadaren deformazioaren (\(\epsilon\)) eta desplazamenduaren edo desplazamenduaren (\(\Delta x\)) arteko erlazioa ematen dute. Arb hariaren deformazioa, hasierako Arb hariaren luzeraren (\(l_0\)) eta hariaren luzeraren (l) arabera, edozein t unean adar unimodal batean honako hau da:
non \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) \(\Delta\)ABB '-n kosinuaren formula aplikatuz lortzen den, 8. irudian erakusten den bezala. Lehen faseko eragingailurako (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) da, eta \(\alpha _1\) \(\alpha \) da, 8. irudian erakusten den bezala, denbora (11) ekuaziotik bereiziz eta l-ren balioa ordezkatuz, deformazio-abiadura honela idatz daiteke:
non \(l_0\) SMA kablearen hasierako luzera den, l kablearen luzera adar unimodal batean t uneoro, \(\epsilon\) SMA kablean garatutako deformazioa den, eta \(\alpha \) triangeluaren angelua den, \(\Delta x\) bultzadaren desplazamendua den (8. irudian erakusten den bezala).
Irudi honetako n gailur bakarreko egitura guztiak (\(n=6\)) seriean konektatuta daude, \(V_{in}\) sarrera-tentsio gisa hartuta. I. etapa: SMA kablearen eskema-diagrama konfigurazio bimodal batean zero tentsio-baldintzetan II. etapa: Kontrolatutako egitura bat erakusten da, non SMA kablea alderantzizko bihurketaren ondorioz konprimituta dagoen, lerro gorriak erakusten duen bezala.
Kontzeptuaren froga gisa, SMA oinarritutako bimodal eragingailu bat garatu zen azpiko ekuazioen deribazio simulatua emaitza esperimentalekin probatzeko. Aktuadore lineal bimodalaren CAD eredua 9a irudian ageri da. Bestalde, 9c irudian diseinu berri bat aurkezten da, SMA oinarritutako bi planoko aktuadore bat erabiliz, egitura bimodal batekin. Aktuadorearen osagaiak gehigarrizko fabrikazioa erabiliz fabrikatu ziren Ultimaker 3 Extended 3D inprimagailu batean. Osagaien 3D inprimaketarako erabilitako materiala polikarbonatoa da, beroarekiko erresistenteak diren materialetarako egokia, sendoa, iraunkorra eta beira-trantsizio tenperatura altua duelako (110-113 \(^{\circ }\) C). Horrez gain, Dynalloy, Inc.-en Flexinol forma-memoria aleaziozko alanbrea erabili zen esperimentuetan, eta Flexinol alanbreari dagozkion materialaren propietateak erabili ziren simulazioetan. SMA hari anitz zuntz gisa antolatzen dira, giharren antolamendu bimodal batean daudenak, geruza anitzeko aktuadoreek sortutako indar handiak lortzeko, 9b eta d irudietan ageri den bezala.
9a irudian erakusten den bezala, beso mugikorraren SMA kablearen angelu zorrotzari angelua (\(\alpha\)) deitzen zaio. Ezkerreko eta eskuineko besarkadei lotutako terminal-klabak dituenez, SMA kablea nahi den angelu bimodalean mantentzen da. Malguki-konektorean eusten den polarizazio-malgukiaren gailua polarizazio-malgukiaren luzapen-talde desberdinak SMA zuntzen kopuruaren (n) arabera doitzeko diseinatuta dago. Gainera, mugikorren piezen kokapena SMA kablea kanpoko ingurunearen eraginpean egon dadin diseinatuta dago, konbekzio behartuaren bidezko hozte-prozesua lortzeko. Muntaketa desmuntagarriaren goiko eta beheko plakek SMA kablea hozten laguntzen dute, pisua murrizteko diseinatutako ebaki estrusoekin. Gainera, CMA kablearen bi muturrak ezkerreko eta eskuineko terminaletan finkatuta daude, hurrenez hurren, tolestura baten bidez. Pistoi bat muntaketa mugikorraren mutur bati lotuta dago goiko eta beheko plaken arteko tartea mantentzeko. Pistoia sentsoreari blokeatze-indarra aplikatzeko ere erabiltzen da kontaktu baten bidez, SMA kablea aktibatzen denean blokeatze-indarra neurtzeko.
SMA gihar-egitura bimodala elektrikoki seriean konektatuta dago eta sarrerako pultsu-tentsio batek elikatzen du. Tentsio-pultsu zikloan zehar, tentsioa aplikatzen denean eta SMA haria austenitaren hasierako tenperaturaren gainetik berotzen denean, hari bakoitzeko hariaren luzera laburtu egiten da. Atzerapen honek beso mugikorraren azpimultzoa aktibatzen du. Ziklo berean tentsioa zero jarri zenean, berotutako SMA haria martensitaren gainazalaren tenperaturaren azpitik hoztu zen, eta horrela bere jatorrizko posiziora itzuli zen. Zero tentsio-baldintzetan, SMA haria lehenik pasiboki luzatzen da tentsio-malguki baten bidez, detwined martensitic statera iristeko. SMA haria igarotzen den torlojua mugitzen da SMA hariari tentsio-pultsu bat aplikatzean sortutako konpresioaren ondorioz (SPA austenita fasera iristen da), eta horrek palanka mugikorraren funtzionamendua eragiten du. SMA haria atzeratzen denean, tentsio-malgukiak kontrako indar bat sortzen du malgukia gehiago luzatuz. Bulkada-tentsioaren tentsioa zero bihurtzen denean, SMA haria luzatu eta bere forma aldatzen du konbekzio behartuaren bidezko hoztearen ondorioz, fase martensitiko bikoitz batera iritsiz.
Proposatutako SMA oinarritutako aktuadore lineal sistemak konfigurazio bimodala du, non SMA kableak angeluan dauden. (a)-k prototipoaren CAD eredu bat erakusten du, osagai batzuk eta prototipoarentzat duten esanahia aipatzen dituena, (b, d)-k garatutako prototipo esperimentala adierazten du35. (b)-k prototipoaren goiko ikuspegia erakusten duen bitartean, konexio elektrikoak eta erabilitako polarizazio-malgukiak eta tentsio-neurgailuak dituena, (d)-k konfigurazioaren perspektiba-ikuspegia erakusten du. (e) Aktuadore lineal sistema baten diagrama, edozein t unean bimodalki jarritako SMA kableak dituena, zuntzaren norabidea eta ibilbidea eta gihar-indarra erakusten dituena. (c) 2-DOFko biraketa-konexio prismatiko bat proposatu da bi planoko SMA oinarritutako aktuadore bat zabaltzeko. Erakusten den bezala, loturak mugimendu lineala transmititzen du beheko unitatetik goiko besoraino, biraketa-konexio bat sortuz. Bestalde, prisma bikotearen mugimendua lehen faseko unitate anitzeko geruzako mugimenduaren berdina da.
9b irudian erakusten den prototipoan azterketa esperimental bat egin zen SMAn oinarritutako bimodal eragile baten errendimendua ebaluatzeko. 10a irudian erakusten den bezala, konfigurazio esperimentala SMA kableei sarrerako tentsioa emateko DC elikatze-iturri programagarri batez osatuta zegoen. 10b irudian erakusten den bezala, tentsio-neurgailu piezoelektriko bat (PACEline CFT/5kN) erabili zen blokeatze-indarra neurtzeko Graphtec GL-2000 datu-erregistro bat erabiliz. Datuak ostalariak grabatzen ditu azterketa gehiago egiteko. Tentsio-neurgailuek eta karga-anplifikadoreek elikatze-iturri konstantea behar dute tentsio-seinale bat sortzeko. Dagokien seinaleak potentzia-irteera bihurtzen dira indar piezoelektrikoaren sentsorearen eta beste parametro batzuen arabera, 2. taulan deskribatzen den bezala. Tentsio-pultsu bat aplikatzen denean, SMA kablearen tenperatura handitzen da, eta horrek SMA kablea konprimitzea eragiten du, eta horrek eragingailuak indarra sortzea eragiten du. 7 V-ko sarrerako tentsio-pultsu baten bidezko gihar-indarraren irteeraren emaitza esperimentalak 2a irudian erakusten dira.
(a) SMA oinarritutako aktuadore lineal bat konfiguratu zen esperimentuan aktuadoreak sortutako indarra neurtzeko. Karga-zelulak blokeatze-indarra neurtzen du eta 24 V-ko korronte zuzeneko elikadura-iturri batek ematen dio energia. 7 V-ko tentsio-jausketa aplikatu zen kable osoan zehar GW Instek programagarri den korronte zuzeneko elikadura-iturri bat erabiliz. SMA kablea uzkurtu egiten da beroaren ondorioz, eta beso mugikorrak karga-zelularekin kontaktuan jartzen da eta blokeatze-indarra eragiten du. Karga-zelula GL-2000 datu-erregistrora konektatuta dago eta datuak host-ean gordetzen dira gehiago prozesatzeko. (b) Gihar-indarra neurtzeko konfigurazio esperimentalaren osagaien katea erakusten duen diagrama.
Forma-memoria duten aleazioak energia termikoak kitzikatzen ditu, beraz, tenperatura parametro garrantzitsu bihurtzen da forma-memoria fenomenoa aztertzeko. Esperimentalki, 11a irudian erakusten den bezala, irudi termikoak eta tenperatura-neurketak egin ziren SMA oinarritutako dibalerato aktuadore prototipo batean. Programatzeko moduko korronte zuzeneko iturri batek sarrera-tentsioa aplikatu zien SMA kableei konfigurazio esperimentalean, 11b irudian erakusten den bezala. SMA kablearen tenperatura-aldaketa denbora errealean neurtu zen bereizmen handiko LWIR kamera bat erabiliz (FLIR A655sc). Ostalariak ResearchIR softwarea erabiltzen du datuak grabatzeko, ondorengo prozesamendurako. Tentsio-pultsu bat aplikatzen denean, SMA kablearen tenperatura igotzen da, eta horrek SMA kablea uzkurtzea eragiten du. 2b irudian, 7V-ko sarrera-tentsioko pultsu baten SMA kablearen tenperaturaren eta denboraren arteko emaitza esperimentalak ageri dira.