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Gli attuatori sono utilizzati ovunque e creano un movimento controllato applicando la corretta forza o coppia di eccitazione per eseguire varie operazioni nella produzione e nell'automazione industriale. La necessità di azionamenti più veloci, più piccoli e più efficienti sta guidando l'innovazione nella progettazione degli azionamenti. Gli azionamenti in lega a memoria di forma (SMA) offrono numerosi vantaggi rispetto agli azionamenti convenzionali, tra cui un elevato rapporto potenza-peso. In questa tesi, è stato sviluppato un attuatore a due piume basato su SMA che combina i vantaggi dei muscoli piumati dei sistemi biologici e le proprietà uniche delle SMA. Questo studio esplora ed estende i precedenti attuatori in SMA sviluppando un modello matematico del nuovo attuatore basato sulla disposizione bimodale dei fili in SMA e testandolo sperimentalmente. Rispetto agli azionamenti noti basati su SMA, la forza di attuazione del nuovo azionamento è almeno 5 volte superiore (fino a 150 N). La corrispondente riduzione di peso è di circa il 67%. I risultati dell'analisi di sensibilità dei modelli matematici sono utili per la messa a punto dei parametri di progettazione e la comprensione dei parametri chiave. Questo studio presenta inoltre un azionamento multilivello a N stadi che può essere utilizzato per migliorare ulteriormente la dinamica. Gli attuatori muscolari a base di SMA e dipvalerato hanno una vasta gamma di applicazioni, dall'automazione degli edifici ai sistemi di somministrazione di farmaci di precisione.
I sistemi biologici, come le strutture muscolari dei mammiferi, possono attivare numerosi attuatori sottili1. I mammiferi possiedono diverse strutture muscolari, ognuna con una funzione specifica. Tuttavia, gran parte della struttura del tessuto muscolare dei mammiferi può essere suddivisa in due grandi categorie: parallela e pennata. Nei muscoli ischiocrurali e in altri flessori, come suggerisce il nome, la muscolatura parallela presenta fibre muscolari parallele al tendine centrale. La catena di fibre muscolari è allineata e funzionalmente connessa dal tessuto connettivo circostante. Sebbene si dica che questi muscoli abbiano una grande escursione (percentuale di accorciamento), la loro forza muscolare complessiva è molto limitata. Al contrario, nel muscolo tricipite del polpaccio2 (gastrocnemio laterale (GL)3, gastrocnemio mediale (GM)4 e soleo (SOL)) e nell'estensore femorale (quadricipite)5,6 si trova tessuto muscolare pennato in ciascun muscolo7. In una struttura pennata, le fibre muscolari della muscolatura bipennata sono presenti su entrambi i lati del tendine centrale ad angoli obliqui (angoli pennati). Il termine pennato deriva dal latino "penna", che significa "penna", e, come mostrato in figura 1, ha un aspetto simile a una piuma. Le fibre dei muscoli pennati sono più corte e angolate rispetto all'asse longitudinale del muscolo. A causa della struttura pennata, la mobilità complessiva di questi muscoli è ridotta, il che determina le componenti trasversali e longitudinali del processo di accorciamento. D'altra parte, l'attivazione di questi muscoli porta a una maggiore forza muscolare complessiva grazie al modo in cui viene misurata l'area della sezione trasversale fisiologica. Pertanto, a parità di area della sezione trasversale, i muscoli pennati saranno più forti e genereranno forze maggiori rispetto ai muscoli con fibre parallele. Le forze generate dalle singole fibre generano forze muscolari a livello macroscopico in quel tessuto muscolare. Inoltre, possiede proprietà uniche come la rapida contrazione, la protezione contro i danni da trazione e l'ammortizzazione. Trasforma la relazione tra l'input delle fibre muscolari e la potenza erogata dal muscolo, sfruttando le caratteristiche uniche e la complessità geometrica della disposizione delle fibre associate alle linee d'azione muscolari.
Sono mostrati schemi di progetti di attuatori basati su SMA esistenti in relazione a un'architettura muscolare bimodale, ad esempio (a), che rappresenta l'interazione della forza tattile in cui un dispositivo a forma di mano azionato da fili in SMA è montato su un robot mobile autonomo a due ruote9,10. , (b) Protesi orbitale robotica con protesi orbitale a molla in SMA posizionata antagonistamente. La posizione dell'occhio protesico è controllata da un segnale proveniente dal muscolo oculare dell'occhio11, (c) Gli attuatori in SMA sono ideali per applicazioni subacquee grazie alla loro elevata risposta in frequenza e bassa larghezza di banda. In questa configurazione, gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un movimento ondulatorio simulando il movimento dei pesci, (d) gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un robot di ispezione di micro-tubi che può utilizzare il principio del movimento del bruco, controllato dal movimento dei fili SMA all'interno del canale 10, (e) mostra la direzione di contrazione delle fibre muscolari e la generazione della forza contrattile nel tessuto del gastrocnemio, (f) mostra i fili SMA disposti a forma di fibre muscolari nella struttura del muscolo pennato.
Gli attuatori sono diventati una parte importante dei sistemi meccanici grazie alla loro vasta gamma di applicazioni. Pertanto, la necessità di azionamenti più piccoli, veloci ed efficienti diventa cruciale. Nonostante i loro vantaggi, gli azionamenti tradizionali si sono dimostrati costosi e dispendiosi in termini di manutenzione. Gli attuatori idraulici e pneumatici sono complessi e costosi e sono soggetti a usura, problemi di lubrificazione e guasti dei componenti. In risposta a questa esigenza, l'attenzione si concentra sullo sviluppo di attuatori economici, di dimensioni ottimizzate e avanzati, basati su materiali intelligenti. La ricerca in corso si sta concentrando sugli attuatori stratificati in lega a memoria di forma (SMA) per soddisfare questa esigenza. Gli attuatori gerarchici sono unici in quanto combinano molti attuatori discreti in sottosistemi macroscopici geometricamente complessi per fornire funzionalità maggiori e più ampie. A questo proposito, il tessuto muscolare umano descritto in precedenza fornisce un eccellente esempio multistrato di tale attuazione multistrato. Il presente studio descrive un azionamento SMA multilivello con diversi elementi di azionamento individuali (fili SMA) allineati agli orientamenti delle fibre presenti nei muscoli bimodali, che migliora le prestazioni complessive dell'azionamento.
Lo scopo principale di un attuatore è generare potenza meccanica, come forza e spostamento, convertendo l'energia elettrica. Le leghe a memoria di forma (SMA) sono una classe di materiali "intelligenti" in grado di ripristinare la propria forma ad alte temperature. Sotto carichi elevati, un aumento della temperatura del filo in SMA porta al recupero della forma, con conseguente maggiore densità di energia di attuazione rispetto a vari materiali intelligenti a legame diretto. Allo stesso tempo, sotto carichi meccanici, le SMA diventano fragili. In determinate condizioni, un carico ciclico può assorbire e rilasciare energia meccanica, esibendo cambiamenti di forma isteretici reversibili. Queste proprietà uniche rendono le SMA ideali per sensori, smorzamento delle vibrazioni e soprattutto attuatori12. Tenendo conto di ciò, sono state condotte numerose ricerche sugli azionamenti basati su SMA. È importante notare che gli attuatori basati su SMA sono progettati per fornire movimento traslazionale e rotatorio per una varietà di applicazioni13,14,15. Sebbene siano stati sviluppati alcuni attuatori rotativi, i ricercatori sono particolarmente interessati agli attuatori lineari. Questi attuatori lineari possono essere suddivisi in tre tipi di attuatori: attuatori unidimensionali, a spostamento e differenziali 16. Inizialmente, gli azionamenti ibridi sono stati creati combinando SMA e altri azionamenti convenzionali. Un esempio di attuatore lineare ibrido basato su SMA è l'utilizzo di un filo SMA con un motore CC per fornire una forza di uscita di circa 100 N e uno spostamento significativo17.
Uno dei primi sviluppi nei sistemi di azionamento basati interamente su SMA è stato l'azionamento parallelo SMA. Utilizzando più fili SMA, l'azionamento parallelo basato su SMA è progettato per aumentare la potenza del sistema di azionamento mettendo tutti i fili SMA18 in parallelo. Il collegamento in parallelo degli attuatori non solo richiede più potenza, ma limita anche la potenza di uscita di un singolo filo. Un altro svantaggio degli attuatori basati su SMA è la corsa limitata che possono raggiungere. Per risolvere questo problema, è stata creata una trave a cavo SMA contenente una trave flessibile deflessa per aumentare lo spostamento e ottenere un movimento lineare, ma non ha generato forze maggiori19. Strutture e tessuti morbidi deformabili per robot basati su leghe a memoria di forma sono stati sviluppati principalmente per l'amplificazione dell'impatto20,21,22. Per applicazioni in cui sono richieste alte velocità, sono state segnalate pompe compatte azionate che utilizzano SMA a film sottile per applicazioni di azionamento di micropompe23. La frequenza di azionamento della membrana SMA a film sottile è un fattore chiave nel controllo della velocità del sistema di azionamento. Pertanto, i motori lineari SMA hanno una migliore risposta dinamica rispetto ai motori a molla o a stelo SMA. La robotica morbida e la tecnologia di presa sono altre due applicazioni che utilizzano attuatori basati su leghe a memoria di forma (SMA). Ad esempio, per sostituire l'attuatore standard utilizzato nel morsetto spaziale da 25 N, è stato sviluppato un attuatore parallelo in lega a memoria di forma 24. In un altro caso, è stato realizzato un attuatore morbido in SMA basato su un filo con una matrice incorporata in grado di produrre una forza di trazione massima di 30 N. Grazie alle loro proprietà meccaniche, le SMA vengono utilizzate anche per produrre attuatori che imitano fenomeni biologici. Uno di questi sviluppi include un robot a 12 cellule che è una biomimetica di un organismo simile a un lombrico con SMA per generare un movimento sinusoidale per sparare26,27.
Come accennato in precedenza, esiste un limite alla forza massima ottenibile dagli attuatori basati su leghe a memoria di forma (SMA) attualmente disponibili. Per ovviare a questo problema, il presente studio propone una struttura muscolare bimodale biomimetica, azionata da un filo in lega a memoria di forma. Viene inoltre fornito un sistema di classificazione che include diversi fili in lega a memoria di forma. Ad oggi, non sono stati riportati in letteratura attuatori basati su SMA con un'architettura simile. Questo sistema unico e innovativo, basato su SMA, è stato sviluppato per studiare il comportamento delle SMA durante l'allineamento muscolare bimodale. Rispetto agli attuatori basati su SMA esistenti, l'obiettivo di questo studio era quello di creare un attuatore bimodale biomimetico in grado di generare forze significativamente maggiori in un volume ridotto. Rispetto ai tradizionali azionamenti con motore passo-passo utilizzati nei sistemi di automazione e controllo degli edifici HVAC, il design dell'azionamento bimodale basato su SMA proposto riduce il peso del meccanismo di azionamento del 67%. Di seguito, i termini "muscolo" e "azionamento" sono usati in modo intercambiabile. Questo studio analizza la simulazione multifisica di tale azionamento. Il comportamento meccanico di tali sistemi è stato studiato mediante metodi sperimentali e analitici. Le distribuzioni di forza e temperatura sono state ulteriormente studiate a una tensione di ingresso di 7 V. Successivamente, è stata condotta un'analisi parametrica per comprendere meglio la relazione tra i parametri chiave e la forza di uscita. Infine, sono stati ipotizzati attuatori gerarchici e sono stati proposti effetti di livello gerarchico come potenziale area futura per attuatori non magnetici per applicazioni protesiche. Secondo i risultati degli studi sopracitati, l'utilizzo di un'architettura a singolo stadio produce forze almeno da quattro a cinque volte superiori rispetto agli attuatori basati su SMA riportati in letteratura. Inoltre, è stato dimostrato che la stessa forza motrice generata da un azionamento multilivello è più di dieci volte superiore a quella degli azionamenti convenzionali basati su SMA. Lo studio riporta quindi i parametri chiave utilizzando un'analisi di sensibilità tra diversi progetti e variabili di ingresso. La lunghezza iniziale del filo SMA (\(l_0\)), l'angolo di pinnazione (\(\alpha\)) e il numero di singoli fili (n) in ciascun singolo filo hanno un forte effetto negativo sull'entità della forza motrice. forza, mentre la tensione di ingresso (energia) è risultata positivamente correlata.
Il filo in lega a memoria di forma (SMA) presenta l'effetto memoria di forma (SME) tipico delle leghe nichel-titanio (Ni-Ti). In genere, le SMA presentano due fasi dipendenti dalla temperatura: una fase a bassa temperatura e una fase ad alta temperatura. Entrambe le fasi possiedono proprietà uniche dovute alla presenza di diverse strutture cristalline. Nella fase austenitica (fase ad alta temperatura), che esiste al di sopra della temperatura di trasformazione, il materiale presenta un'elevata resistenza e si deforma scarsamente sotto carico. La lega si comporta come l'acciaio inossidabile, quindi è in grado di sopportare pressioni di attuazione più elevate. Sfruttando questa proprietà delle leghe Ni-Ti, i fili in SMA vengono inclinati per formare un attuatore. Sono stati sviluppati modelli analitici appropriati per comprendere la meccanica fondamentale del comportamento termico delle SMA sotto l'influenza di vari parametri e diverse geometrie. È stata ottenuta una buona concordanza tra i risultati sperimentali e analitici.
Uno studio sperimentale è stato condotto sul prototipo mostrato in Fig. 9a per valutare le prestazioni di un azionamento bimodale basato su SMA. Due di queste proprietà, la forza generata dall'azionamento (forza muscolare) e la temperatura del filo in SMA (temperatura SMA), sono state misurate sperimentalmente. Man mano che la differenza di potenziale aumenta lungo l'intera lunghezza del filo nell'azionamento, la temperatura del filo aumenta a causa dell'effetto Joule. La tensione di ingresso è stata applicata in due cicli di 10 s (mostrati come punti rossi in Fig. 2a, b) con un periodo di raffreddamento di 15 s tra ciascun ciclo. La forza di bloccaggio è stata misurata utilizzando un estensimetro piezoelettrico e la distribuzione della temperatura del filo in SMA è stata monitorata in tempo reale utilizzando una telecamera LWIR ad alta risoluzione di livello scientifico (vedere le caratteristiche dell'apparecchiatura utilizzata nella Tabella 2). I risultati mostrano che durante la fase ad alta tensione, la temperatura del filo aumenta monotonicamente, ma quando non scorre corrente, la temperatura del filo continua a diminuire. Nell'attuale configurazione sperimentale, la temperatura del filo in lega a memoria di forma (SMA) è diminuita durante la fase di raffreddamento, ma è rimasta comunque superiore alla temperatura ambiente. La figura 2e mostra un'istantanea della temperatura sul filo in SMA ripresa dalla telecamera LWIR. La figura 2a, invece, mostra la forza di bloccaggio generata dal sistema di azionamento. Quando la forza muscolare supera la forza di richiamo della molla, il braccio mobile, come mostrato in Figura 9a, inizia a muoversi. Non appena inizia l'azionamento, il braccio mobile entra in contatto con il sensore, generando una forza corporea, come mostrato nelle figure 2c e 2d. Quando la temperatura massima si avvicina a 84 °C, la forza massima osservata è di 105 N.
Il grafico mostra i risultati sperimentali della temperatura del filo SMA e della forza generata dall'attuatore bimodale basato su SMA durante due cicli. La tensione di ingresso viene applicata in due cicli di 10 secondi (indicati con punti rossi) con un periodo di raffreddamento di 15 secondi tra ciascun ciclo. Il filo SMA utilizzato per gli esperimenti era un filo Flexinol di 0,51 mm di diametro della Dynalloy, Inc. (a) Il grafico mostra la forza sperimentale ottenuta su due cicli, (c, d) mostrano due esempi indipendenti dell'azione di attuatori a braccio mobile su un trasduttore di forza piezoelettrico PACEline CFT/5kN, (b) il grafico mostra la temperatura massima dell'intero filo SMA durante due cicli, (e) mostra un'istantanea della temperatura del filo SMA utilizzando la telecamera LWIR del software FLIR ResearchIR. I parametri geometrici presi in considerazione negli esperimenti sono riportati nella Tabella 1.
I risultati della simulazione del modello matematico e i risultati sperimentali vengono confrontati nelle condizioni di una tensione di ingresso di 7 V, come mostrato in Fig. 5. Secondo i risultati dell'analisi parametrica e al fine di evitare la possibilità di surriscaldamento del filo SMA, all'attuatore è stata fornita una potenza di 11,2 W. Un alimentatore CC programmabile è stato utilizzato per fornire 7 V come tensione di ingresso e una corrente di 1,6 A è stata misurata attraverso il filo. La forza generata dall'azionamento e la temperatura dell'SDR aumentano quando viene applicata la corrente. Con una tensione di ingresso di 7 V, la forza di uscita massima ottenuta dai risultati della simulazione e dai risultati sperimentali del primo ciclo è rispettivamente di 78 N e 96 N. Nel secondo ciclo, la forza di uscita massima dei risultati della simulazione e sperimentali è stata rispettivamente di 150 N e 105 N. La discrepanza tra le misurazioni della forza di occlusione e i dati sperimentali può essere dovuta al metodo utilizzato per misurare la forza di occlusione. I risultati sperimentali mostrati in fig. 5a corrisponde alla misurazione della forza di bloccaggio, che a sua volta è stata misurata quando l'albero motore era a contatto con il trasduttore di forza piezoelettrico PACEline CFT/5kN, come mostrato in fig. 2s. Pertanto, quando l'albero motore non è a contatto con il sensore di forza all'inizio della zona di raffreddamento, la forza diventa immediatamente zero, come mostrato in Fig. 2d. Inoltre, altri parametri che influenzano la formazione della forza nei cicli successivi sono i valori del tempo di raffreddamento e del coefficiente di scambio termico convettivo nel ciclo precedente. Dalla fig. 2b si può notare che dopo un periodo di raffreddamento di 15 secondi, il filo SMA non ha raggiunto la temperatura ambiente e quindi aveva una temperatura iniziale più elevata (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) nel secondo ciclo di guida rispetto al primo ciclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)). Pertanto, rispetto al primo ciclo, la temperatura del filo in lega a memoria di forma (SMA) durante il secondo ciclo di riscaldamento raggiunge prima la temperatura iniziale dell'austenite (\(A_s\)) e rimane più a lungo nel periodo di transizione, con conseguente generazione di stress e forza. D'altra parte, le distribuzioni di temperatura durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento ottenute da esperimenti e simulazioni presentano un'elevata somiglianza qualitativa con esempi di analisi termografica. L'analisi comparativa dei dati termici del filo in lega a memoria di forma ottenuti da esperimenti e simulazioni ha mostrato coerenza durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento e rientrava in tolleranze accettabili per i dati sperimentali. La temperatura massima del filo SMA, ottenuta dai risultati della simulazione e degli esperimenti del primo ciclo, è rispettivamente di 89°C e 75°C, mentre nel secondo ciclo la temperatura massima del filo SMA è di 94°C e 83°C. Il modello sviluppato conferma l'effetto memoria di forma. Il ruolo della fatica e del surriscaldamento non è stato considerato in questa analisi. In futuro, il modello verrà migliorato per includere la storia delle sollecitazioni del filo SMA, rendendolo più adatto alle applicazioni ingegneristiche. I grafici della forza di uscita dell'azionamento e della temperatura del filo SMA ottenuti dal blocco Simulink rientrano nelle tolleranze ammissibili dei dati sperimentali in condizioni di impulso di tensione in ingresso di 7 V. Ciò conferma la correttezza e l'affidabilità del modello matematico sviluppato.
Il modello matematico è stato sviluppato nell'ambiente MathWorks Simulink R2020b utilizzando le equazioni di base descritte nella sezione Metodi. La figura 3b mostra un diagramma a blocchi del modello matematico Simulink. Il modello è stato simulato per un impulso di tensione di ingresso di 7 V, come mostrato nelle figure 2a e 2b. I valori dei parametri utilizzati nella simulazione sono elencati nella Tabella 1. I risultati della simulazione dei processi transitori sono presentati nelle Figure 1 e 2a. Le figure 3a e 4b mostrano la tensione indotta nel filo SMA e la forza generata dall'attuatore in funzione del tempo. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura di inizio della fase austenitica modificata dallo stress), la velocità di variazione della frazione volumetrica di martensite (\(\dot{\xi }\)) sarà zero. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura di inizio della fase austenitica modificata dallo stress), il tasso di variazione della frazione volumetrica di martensite (\(\dot{\ xi }\)) sarà zero. Durante il periodo di regolazione (flusso), quando la temperatura varia in SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura impostata fasi, modifiche пряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura di inizio austenite modificata da stress), la velocità di variazione della frazione volumetrica di martensite (\(\dot{\ xi }\ )) sarà zero.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（\(\dot{\ xi }\)) 将为零.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Risultato della simulazione che mostra la distribuzione della temperatura e la temperatura di giunzione indotta da stress in un attuatore divalerato basato su SMA. Quando la temperatura del filo supera la temperatura di transizione austenitica nella fase di riscaldamento, la temperatura di transizione austenitica modificata inizia ad aumentare e, analogamente, quando la temperatura della barra del filo supera la temperatura di transizione martensitica nella fase di raffreddamento, la temperatura di transizione martensitica diminuisce. SMA per la modellazione analitica del processo di attuazione. (Per una visione dettagliata di ciascun sottosistema di un modello Simulink, vedere la sezione appendice del file supplementare.)
I risultati dell'analisi per diverse distribuzioni dei parametri sono mostrati per due cicli della tensione di ingresso di 7 V (cicli di riscaldamento di 10 secondi e cicli di raffreddamento di 15 secondi). Mentre (ac) ed (e) rappresentano la distribuzione nel tempo, (d) ed (f) illustrano la distribuzione in funzione della temperatura. Per le rispettive condizioni di ingresso, la sollecitazione massima osservata è di 106 MPa (inferiore a 345 MPa, limite di snervamento del filo), la forza è di 150 N, lo spostamento massimo è di 270 µm e la frazione volumetrica minima di martensite è di 0,91. D'altra parte, la variazione della sollecitazione e la variazione della frazione volumetrica di martensite con la temperatura sono simili alle caratteristiche di isteresi.
La stessa spiegazione si applica alla trasformazione diretta (raffreddamento) dalla fase austenitica alla fase martensitica, dove la temperatura del filo SMA (T) e la temperatura finale della fase martensitica modificata dallo stress (\(M_f^{\prime}\ )) sono eccellenti. La figura 4d,f mostra la variazione dello stress indotto (\(\sigma\)) e della frazione volumetrica di martensite (\(\xi\)) nel filo SMA in funzione della variazione di temperatura del filo SMA (T), per entrambi i cicli di pilotaggio. La figura 3a mostra la variazione di temperatura del filo SMA nel tempo in funzione dell'impulso di tensione in ingresso. Come si può vedere dalla figura, la temperatura del filo continua ad aumentare fornendo una fonte di calore a tensione zero e successivo raffreddamento convettivo. Durante il riscaldamento, la ritrasformazione della martensite in fase austenitica inizia quando la temperatura del filo in lega a memoria di forma (T) supera la temperatura di nucleazione dell'austenite corretta per lo stress (\(A_s^{\prime}\)). Durante questa fase, il filo in lega a memoria di forma viene compresso e l'attuatore genera forza. Anche durante il raffreddamento, quando la temperatura del filo in lega a memoria di forma (T) supera la temperatura di nucleazione della fase martenitica modificata per lo stress (\(M_s^{\prime}\)) si verifica una transizione positiva dalla fase austenitica alla fase martenitica. La forza motrice diminuisce.
I principali aspetti qualitativi dell'azionamento bimodale basato su SMA possono essere ottenuti dai risultati della simulazione. Nel caso di un ingresso a impulsi di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta a causa dell'effetto Joule. Il valore iniziale della frazione volumetrica di martensite (\(\xi\)) è impostato a 1, poiché il materiale si trova inizialmente in una fase completamente martensitica. Man mano che il filo continua a riscaldarsi, la temperatura del filo SMA supera la temperatura di nucleazione dell'austenite corretta per lo stress \(A_s^{\prime}\), con conseguente diminuzione della frazione volumetrica di martensite, come mostrato in Figura 4c. Inoltre, la figura 4e mostra la distribuzione delle corse dell'attuatore nel tempo e la figura 5 la forza motrice in funzione del tempo. Un sistema di equazioni correlato include la temperatura, la frazione volumetrica di martensite e lo stress che si sviluppa nel filo, con conseguente contrazione del filo SMA e forza generata dall'attuatore. Come mostrato in figura. 4d,f, variazione di tensione con la temperatura e variazione della frazione volumetrica di martensite con la temperatura corrispondono alle caratteristiche di isteresi della lega a memoria di forma nel caso simulato a 7 V.
Il confronto dei parametri di azionamento è stato ottenuto tramite esperimenti e calcoli analitici. I fili sono stati sottoposti a una tensione di ingresso pulsata di 7 V per 10 secondi, quindi raffreddati per 15 secondi (fase di raffreddamento) su due cicli. L'angolo di pinnatura è impostato a \(40^{\circ}\) e la lunghezza iniziale del filo SMA in ciascuna gamba del singolo pin è impostata a 83 mm. (a) Misurazione della forza motrice con una cella di carico (b) Monitoraggio della temperatura del filo con una termocamera a infrarossi.
Al fine di comprendere l'influenza dei parametri fisici sulla forza prodotta dall'azionamento, è stata condotta un'analisi di sensibilità del modello matematico ai parametri fisici selezionati, e i parametri sono stati classificati in base alla loro influenza. In primo luogo, il campionamento dei parametri del modello è stato effettuato utilizzando principi di progettazione sperimentale che seguivano una distribuzione uniforme (vedere la Sezione supplementare sull'analisi di sensibilità). In questo caso, i parametri del modello includono la tensione di ingresso (\(V_{in}\)), la lunghezza iniziale del filo SMA (\(l_0\)), l'angolo del triangolo (\(\alpha\)), la costante della molla di precarico (\( K_x\ )), il coefficiente di scambio termico convettivo (\(h_T\)) e il numero di rami unimodali (n). Nella fase successiva, la forza muscolare di picco è stata scelta come requisito di progettazione dello studio e sono stati ottenuti gli effetti parametrici di ciascun set di variabili sulla forza. I grafici a tornado per l'analisi di sensibilità sono stati derivati dai coefficienti di correlazione per ciascun parametro, come mostrato in Fig. 6a.
(a) I valori del coefficiente di correlazione dei parametri del modello e il loro effetto sulla forza di uscita massima di 2500 gruppi unici dei parametri del modello sopra indicati sono mostrati nel grafico a tornado. Il grafico mostra la correlazione di rango di diversi indicatori. È chiaro che \(V_{in}\) è l'unico parametro con una correlazione positiva e \(l_0\) è il parametro con la correlazione negativa più alta. L'effetto di vari parametri in varie combinazioni sulla forza muscolare di picco è mostrato in (b, c). \(K_x\) varia da 400 a 800 N/m e n varia da 4 a 24. La tensione (\(V_{in}\)) è cambiata da 4V a 10V, la lunghezza del filo (\(l_{0 } \)) è cambiata da 40 a 100 mm e l'angolo della coda (\ (\alpha \)) è variato da \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
La figura 6a mostra un diagramma a tornado di vari coefficienti di correlazione per ciascun parametro con i requisiti di progettazione della forza motrice di picco. Dalla figura 6a si può vedere che il parametro di tensione (\(V_{in}\)) è direttamente correlato alla forza di uscita massima, e il coefficiente di trasferimento di calore convettivo (\(h_T\)), l'angolo di fiamma (\( \alpha\)) , la costante della molla di spostamento ( \(K_x\)) sono correlati negativamente con la forza di uscita e la lunghezza iniziale (\(l_0\)) del filo SMA, e il numero di rami unimodali (n) mostra una forte correlazione inversa Nel caso di correlazione diretta Nel caso di un valore più alto del coefficiente di correlazione di tensione (\(V_ {in}\)) indica che questo parametro ha il maggiore effetto sulla potenza di uscita. Un'altra analisi simile misura la forza di picco valutando l'effetto di diversi parametri in diverse combinazioni dei due spazi computazionali, come mostrato nelle figure 6b e 6c. \(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) hanno andamenti simili, e il grafico mostra che \(V_{in}\) e \(\alpha\ ) e \(\alpha\) hanno andamenti simili. Valori più piccoli di \(l_0\) si traducono in forze di picco più elevate. Gli altri due grafici sono coerenti con la Figura 6a, dove n e \(K_x\) sono correlati negativamente e \(V_{in}\) sono correlati positivamente. Questa analisi aiuta a definire e regolare i parametri influenti con cui la forza di uscita, la corsa e l'efficienza del sistema di azionamento possono essere adattate ai requisiti e all'applicazione.
La ricerca attuale introduce e studia azionamenti gerarchici a N livelli. In una gerarchia a due livelli, come mostrato in Fig. 7a, al posto di ciascun filo in lega a memoria di forma (SMA) dell'attuatore di primo livello, si ottiene una disposizione bimodale, come illustrato in Fig. 9e. La Fig. 7c mostra come il filo in SMA sia avvolto attorno a un braccio mobile (braccio ausiliario) che si muove solo in direzione longitudinale. Tuttavia, il braccio mobile principale continua a muoversi nello stesso modo del braccio mobile dell'attuatore multistadio di primo stadio. Tipicamente, un azionamento a N stadi viene creato sostituendo il filo in SMA di \(N-1\) stadio con un azionamento di primo stadio. Di conseguenza, ogni ramo imita l'azionamento di primo stadio, ad eccezione del ramo che sostiene il filo stesso. In questo modo, è possibile formare strutture annidate che generano forze diverse volte superiori alle forze degli azionamenti primari. In questo studio, per ogni livello, è stata considerata una lunghezza totale effettiva del filo SMA di 1 m, come mostrato in formato tabellare nella Fig. 7d. La corrente che attraversa ciascun filo in ogni configurazione unimodale e la conseguente precompressione e tensione in ciascun segmento di filo SMA sono le stesse a ogni livello. Secondo il nostro modello analitico, la forza di uscita è correlata positivamente con il livello, mentre lo spostamento è correlato negativamente. Allo stesso tempo, si è verificato un compromesso tra spostamento e forza muscolare. Come si può osservare nella Fig. 7b, mentre la forza massima viene raggiunta nel maggior numero di strati, lo spostamento maggiore si osserva nello strato più basso. Quando il livello gerarchico è stato impostato su \(N=5\), è stata riscontrata una forza muscolare di picco di 2,58 kN con 2 corse osservate \(\upmu\)m. D'altra parte, l'azionamento del primo stadio genera una forza di 150 N a una corsa di 277 \(\upmu\)m. Gli attuatori multilivello sono in grado di imitare i veri muscoli biologici, dove i muscoli artificiali basati su leghe a memoria di forma possono generare forze significativamente maggiori con movimenti precisi e fini. I limiti di questo design miniaturizzato sono che, all'aumentare della gerarchia, il movimento si riduce notevolmente e la complessità del processo di produzione dell'azionamento aumenta.
(a) Viene mostrato un sistema di attuatore lineare a due stadi (\(N=2\)) in lega a memoria di forma stratificata in una configurazione bimodale. Il modello proposto si ottiene sostituendo il filo in SMA nell'attuatore stratificato del primo stadio con un altro attuatore stratificato a stadio singolo. (c) Configurazione deformata dell'attuatore multistrato del secondo stadio. (b) Viene descritta la distribuzione delle forze e degli spostamenti in funzione del numero di livelli. Si è riscontrato che la forza di picco dell'attuatore è correlata positivamente con il livello della scala sul grafico, mentre la corsa è correlata negativamente con il livello della scala. La corrente e la pretensione in ciascun filo rimangono costanti a tutti i livelli. (d) La tabella mostra il numero di prese e la lunghezza del filo (fibra) in SMA a ciascun livello. Le caratteristiche dei fili sono indicate dall'indice 1 e il numero di ramificazioni secondarie (una collegata alla gamba primaria) è indicato dal numero più grande nel pedice. Ad esempio, al livello 5, \(n_1\) si riferisce al numero di fili SMA presenti in ciascuna struttura bimodale e \(n_5\) si riferisce al numero di gambe ausiliarie (una collegata alla gamba principale).
Diversi metodi sono stati proposti da molti ricercatori per modellare il comportamento delle leghe a memoria di forma (SMA) con proprietà termomeccaniche che accompagnano i cambiamenti macroscopici nella struttura cristallina associati alla transizione di fase. La formulazione dei metodi costitutivi è intrinsecamente complessa. Il modello fenomenologico più comunemente utilizzato è quello proposto da Tanaka28 ed è ampiamente impiegato nelle applicazioni ingegneristiche. Il modello fenomenologico proposto da Tanaka [28] presuppone che la frazione volumetrica di martensite sia una funzione esponenziale della temperatura e dello stress. Successivamente, Liang e Rogers29 e Brinson30 hanno proposto un modello in cui la dinamica della transizione di fase è stata considerata una funzione coseno della tensione e della temperatura, con lievi modifiche al modello. Becker e Brinson hanno proposto un modello cinetico basato sul diagramma di fase per modellare il comportamento dei materiali SMA in condizioni di carico arbitrarie, nonché transizioni parziali. Banerjee32 utilizza il metodo della dinamica del diagramma di fase di Bekker e Brinson31 per simulare un manipolatore a singolo grado di libertà sviluppato da Elahinia e Ahmadian33. I metodi cinetici basati sui diagrammi di fase, che tengono conto della variazione non monotona della tensione con la temperatura, sono difficili da implementare nelle applicazioni ingegneristiche. Elakhinia e Ahmadian richiamano l'attenzione su queste carenze dei modelli fenomenologici esistenti e propongono un modello fenomenologico esteso per analizzare e definire il comportamento a memoria di forma in qualsiasi condizione di carico complessa.
Il modello strutturale del filo SMA fornisce la tensione (\(\sigma\)), la deformazione (\(\epsilon\)), la temperatura (T) e la frazione di volume di martensite (\(\xi\)) del filo SMA. Il modello costitutivo fenomenologico è stato proposto per la prima volta da Tanaka28 e successivamente adottato da Liang29 e Brinson30. La derivata dell'equazione ha la forma:
dove E è il modulo di Young SMA dipendente dalla fase ottenuto utilizzando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) e \(E_A\) e \(E_M\) che rappresentano il modulo di Young sono rispettivamente le fasi austenitica e martensitica, e il coefficiente di dilatazione termica è rappresentato da \(\theta _T\). Il fattore di contributo della transizione di fase è \(\Omega = -E \epsilon _L\) e \(\epsilon _L\) è la massima deformazione recuperabile nel filo SMA.
L'equazione della dinamica di fase coincide con la funzione coseno sviluppata da Liang29 e successivamente adottata da Brinson30 al posto della funzione esponenziale proposta da Tanaka28. Il modello di transizione di fase è un'estensione del modello proposto da Elakhinia e Ahmadian34 e modificato in base alle condizioni di transizione di fase fornite da Liang29 e Brinson30. Le condizioni utilizzate per questo modello di transizione di fase sono valide in presenza di carichi termomeccanici complessi. Ad ogni istante di tempo, il valore della frazione volumetrica di martensite viene calcolato durante la modellazione dell'equazione costitutiva.
L'equazione di ritrasformazione che governa la trasformazione, espressa dalla trasformazione della martensite in austenite in condizioni di riscaldamento, è la seguente:
dove \(\xi\) è la frazione volumetrica di martensite, \(\xi _M\) è la frazione volumetrica di martensite ottenuta prima del riscaldamento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) sono parametri di approssimazione della curva, T è la temperatura del filo SMA, \(A_s\) e \(A_f\) sono rispettivamente la temperatura di inizio e fine della fase austenitica.
L'equazione di controllo della trasformazione diretta, rappresentata dalla trasformazione di fase dell'austenite in martensite in condizioni di raffreddamento, è:
dove \(\xi _A\) è la frazione di volume di martensite ottenuta prima del raffreddamento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) e \ ( C_M \) sono parametri di adattamento della curva, T è la temperatura del filo SMA, \(M_s\) e \(M_f\) sono rispettivamente le temperature iniziale e finale della martensite.
Dopo aver derivato le equazioni (3) e (4), le equazioni di trasformazione inversa e diretta si semplificano nella seguente forma:
Durante le trasformazioni in avanti e all'indietro, \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) assumono valori diversi. Le equazioni fondamentali associate a \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) sono state derivate e discusse in dettaglio in una sezione aggiuntiva.
L'energia termica necessaria per aumentare la temperatura del filo in lega a memoria di forma (SMA) proviene dall'effetto Joule. L'energia termica assorbita o rilasciata dal filo in SMA è rappresentata dal calore latente di trasformazione. La perdita di calore nel filo in SMA è dovuta alla convezione forzata e, dato l'effetto trascurabile dell'irraggiamento, l'equazione del bilancio energetico termico è la seguente:
Dove \(m_{wire}\) è la massa totale del filo SMA, \(c_{p}\) è il calore specifico della lega SMA, \(V_{in}\) è la tensione applicata al filo, \(R_{ohm} \ ) è la resistenza dipendente dalla fase della lega SMA, definita come; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) dove \(r_M\ ) e \(r_A\) sono rispettivamente la resistività di fase della lega SMA in martensite e austenite, \(A_{c}\) è l'area superficiale del filo SMA, \(\Delta H \) è il calore latente di transizione del filo, T e \(T_{\infty}\) sono rispettivamente le temperature del filo SMA e dell'ambiente.
Quando un filo in lega a memoria di forma viene azionato, il filo si comprime, creando una forza in ciascun ramo del design bimodale chiamata forza delle fibre. Le forze delle fibre in ciascun filo della lega a memoria di forma creano insieme la forza muscolare necessaria per l'azionamento, come mostrato in Fig. 9e. Grazie alla presenza di una molla di precarico, la forza muscolare totale dell'N-esimo attuatore multistrato è:
Sostituendo \(N = 1\) nell'equazione (7), la forza muscolare del prototipo di azionamento bimodale di primo stadio può essere ottenuta come segue:
dove n è il numero di gambe unimodali, \(F_m\) è la forza muscolare generata dall'azionamento, \(F_f\) è la resistenza delle fibre nel filo SMA, \(K_x\) è la rigidità della molla di precarico, \(\alpha\) è l'angolo del triangolo, \(x_0\) è l'offset iniziale della molla di precarico per mantenere il cavo SMA nella posizione di pretensione e \(\Delta x\) è la corsa dell'attuatore.
Lo spostamento totale o movimento dell'azionamento (\(\Delta x\)) a seconda della tensione (\(\sigma\)) e della deformazione (\(\epsilon\)) sul filo SMA dell'N-esimo stadio, l'azionamento è impostato su (vedere la figura della parte aggiuntiva dell'uscita):
Le equazioni cinematiche forniscono la relazione tra la deformazione di azionamento (\(\epsilon\)) e lo spostamento o spostamento (\(\Delta x\)). La deformazione del filo Arb in funzione della lunghezza iniziale del filo Arb (\(l_0\)) e della lunghezza del filo (l) in un qualsiasi istante t in un ramo unimodale è la seguente:
dove \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) si ottiene applicando la formula del coseno in \(\Delta\)ABB ', come mostrato in Figura 8. Per il primo stadio di azionamento (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) è \(\Delta x\), e \(\alpha _1\) è \(\alpha \) come mostrato in Come mostrato in Figura 8, differenziando il tempo dall'Equazione (11) e sostituendo il valore di l, la velocità di deformazione può essere scritta come:
dove \(l_0\) è la lunghezza iniziale del filo SMA, l è la lunghezza del filo in un dato istante t in un ramo unimodale, \(\epsilon\) è la deformazione sviluppata nel filo SMA e \(\alpha\) è l'angolo del triangolo, \(\Delta x\) è l'offset di azionamento (come mostrato in Figura 8).
Tutte le n strutture a picco singolo (\(n=6\) in questa figura) sono collegate in serie con \(V_{in}\) come tensione di ingresso. Fase I: Schema del filo SMA in una configurazione bimodale in condizioni di tensione zero. Fase II: Viene mostrata una struttura controllata in cui il filo SMA è compresso a causa della conversione inversa, come mostrato dalla linea rossa.
Come prova di concetto, è stato sviluppato un azionamento bimodale basato su SMA per testare la derivazione simulata delle equazioni sottostanti con i risultati sperimentali. Il modello CAD dell'attuatore lineare bimodale è mostrato in figura 9a. D'altra parte, la figura 9c mostra un nuovo design proposto per una connessione prismatica rotazionale utilizzando un attuatore basato su SMA a due piani con una struttura bimodale. I componenti dell'azionamento sono stati fabbricati mediante produzione additiva su una stampante 3D Ultimaker 3 Extended. Il materiale utilizzato per la stampa 3D dei componenti è il policarbonato, adatto per materiali resistenti al calore in quanto robusto, durevole e con un'elevata temperatura di transizione vetrosa (110-113 °C). Inoltre, negli esperimenti è stato utilizzato il filo in lega a memoria di forma Flexinol di Dynalloy, Inc., e le proprietà del materiale corrispondenti al filo Flexinol sono state utilizzate nelle simulazioni. Diversi fili in lega a memoria di forma (SMA) sono disposti come fibre presenti in una configurazione bimodale di muscoli per ottenere le elevate forze prodotte dagli attuatori multistrato, come mostrato in Fig. 9b, d.
Come mostrato in Figura 9a, l'angolo acuto formato dal filo SMA del braccio mobile è chiamato angolo (\(\alpha\)). Con i morsetti terminali fissati ai morsetti sinistro e destro, il filo SMA viene mantenuto all'angolo bimodale desiderato. Il dispositivo a molla di precarico, fissato al connettore a molla, è progettato per regolare i diversi gruppi di estensione della molla di precarico in base al numero (n) di fibre SMA. Inoltre, la posizione delle parti mobili è progettata in modo che il filo SMA sia esposto all'ambiente esterno per il raffreddamento a convezione forzata. Le piastre superiore e inferiore del gruppo smontabile contribuiscono a mantenere fresco il filo SMA grazie a intagli estrusi progettati per ridurre il peso. Inoltre, entrambe le estremità del filo CMA sono fissate rispettivamente ai terminali sinistro e destro mediante una crimpatura. Un pistone è fissato a un'estremità del gruppo mobile per mantenere il gioco tra le piastre superiore e inferiore. Il pistone viene utilizzato anche per applicare una forza di bloccaggio al sensore tramite un contatto per misurare la forza di bloccaggio quando il filo SMA viene azionato.
La struttura muscolare bimodale in lega a memoria di forma (SMA) è collegata elettricamente in serie e alimentata da un impulso di tensione in ingresso. Durante il ciclo di impulsi di tensione, quando viene applicata la tensione e il filo in SMA si riscalda al di sopra della temperatura iniziale dell'austenite, la lunghezza del filo in ciascun trefolo si accorcia. Questa retrazione attiva il sottoinsieme del braccio mobile. Quando la tensione viene azzerata nello stesso ciclo, il filo in SMA riscaldato si raffredda al di sotto della temperatura della superficie martensitica, tornando così alla sua posizione originale. In condizioni di tensione nulla, il filo in SMA viene inizialmente allungato passivamente da una molla di precarico fino a raggiungere lo stato martensitico detwinato. La vite, attraverso la quale passa il filo in SMA, si muove a causa della compressione creata dall'applicazione di un impulso di tensione al filo in SMA (SPA raggiunge la fase austenitica), il che porta all'azionamento della leva mobile. Quando il filo in SMA viene ritratto, la molla di precarico crea una forza contraria allungandosi ulteriormente. Quando la tensione impulsiva si annulla, il filo in lega a memoria di forma si allunga e cambia forma a causa del raffreddamento per convezione forzata, raggiungendo una doppia fase martensitica.
Il sistema di attuazione lineare basato su SMA proposto ha una configurazione bimodale in cui i fili SMA sono angolati. (a) raffigura un modello CAD del prototipo, che menziona alcuni dei componenti e il loro significato per il prototipo, (b, d) rappresentano il prototipo sperimentale sviluppato35. Mentre (b) mostra una vista dall'alto del prototipo con connessioni elettriche, molle di precarico ed estensimetri utilizzati, (d) mostra una vista prospettica della configurazione. (e) Diagramma di un sistema di attuazione lineare con fili SMA posizionati bimodalmente in un qualsiasi istante t, che mostra la direzione e il percorso della fibra e la forza muscolare. (c) È stata proposta una connessione prismatica rotazionale a 2 DOF per implementare un attuatore basato su SMA a due piani. Come mostrato, il collegamento trasmette il movimento lineare dall'azionamento inferiore al braccio superiore, creando una connessione rotazionale. D'altra parte, il movimento della coppia di prismi è lo stesso del movimento dell'azionamento multistrato del primo stadio.
È stato condotto uno studio sperimentale sul prototipo mostrato in Fig. 9b per valutare le prestazioni di un azionamento bimodale basato su SMA. Come mostrato in Figura 10a, la configurazione sperimentale consisteva in un alimentatore CC programmabile per fornire la tensione di ingresso ai fili in SMA. Come mostrato in Fig. 10b, è stato utilizzato un estensimetro piezoelettrico (PACEline CFT/5kN) per misurare la forza di bloccaggio tramite un data logger Graphtec GL-2000. I dati vengono registrati dal sistema host per ulteriori analisi. Gli estensimetri e gli amplificatori di carica richiedono un'alimentazione costante per produrre un segnale di tensione. I segnali corrispondenti vengono convertiti in uscite di potenza in base alla sensibilità del sensore di forza piezoelettrico e ad altri parametri, come descritto nella Tabella 2. Quando viene applicato un impulso di tensione, la temperatura del filo in SMA aumenta, causando la compressione del filo stesso, che a sua volta genera forza nell'attuatore. I risultati sperimentali della forza muscolare in uscita con un impulso di tensione di ingresso di 7 V sono mostrati in Fig. 2a.
(a) Nell'esperimento è stato allestito un sistema di attuatore lineare basato su SMA per misurare la forza generata dall'attuatore. La cella di carico misura la forza di bloccaggio ed è alimentata da un alimentatore CC da 24 V. Una caduta di tensione di 7 V è stata applicata lungo l'intera lunghezza del cavo utilizzando un alimentatore CC programmabile GW Instek. Il filo SMA si contrae a causa del calore e il braccio mobile entra in contatto con la cella di carico esercitando una forza di bloccaggio. La cella di carico è collegata al data logger GL-2000 e i dati vengono memorizzati sul computer host per l'ulteriore elaborazione. (b) Diagramma che mostra la catena di componenti della configurazione sperimentale per la misurazione della forza muscolare.
Le leghe a memoria di forma vengono eccitate dall'energia termica, quindi la temperatura diventa un parametro importante per lo studio del fenomeno della memoria di forma. Sperimentalmente, come mostrato in Fig. 11a, sono state eseguite misurazioni di temperatura e immagini termiche su un prototipo di attuatore divalerato basato su SMA. Un alimentatore CC programmabile ha applicato una tensione di ingresso ai fili SMA nella configurazione sperimentale, come mostrato in Figura 11b. La variazione di temperatura del filo SMA è stata misurata in tempo reale utilizzando una telecamera LWIR ad alta risoluzione (FLIR A655sc). Il sistema host utilizza il software ResearchIR per registrare i dati per la successiva elaborazione. Quando viene applicato un impulso di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta, causando la contrazione del filo stesso. La Figura 2b mostra i risultati sperimentali della temperatura del filo SMA in funzione del tempo per un impulso di tensione di ingresso di 7 V.
Data di pubblicazione: 28 settembre 2022
