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Gli attuatori sono utilizzati ovunque e creano un movimento controllato applicando la corretta forza o coppia di eccitazione per eseguire diverse 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 peso/potenza. In questa tesi di dottorato, è stato sviluppato un attuatore basato su SMA a due fili che combina i vantaggi dei muscoli piumati dei sistemi biologici con le proprietà uniche degli SMA. Questo studio esplora ed estende i precedenti attuatori SMA sviluppando un modello matematico del nuovo attuatore basato sulla disposizione bimodale dei fili 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 perdita 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 stadio N che può essere utilizzato per migliorare ulteriormente la dinamica. Gli attuatori muscolari di dipvalerato basati su SMA trovano un'ampia 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 molti attuatori sottili1. I mammiferi hanno diverse strutture muscolari, ciascuna delle quali svolge uno scopo specifico. Tuttavia, gran parte della struttura del tessuto muscolare dei mammiferi può essere suddivisa in due grandi categorie: parallele e pennate. Nei muscoli posteriori della coscia 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 che le circonda. Sebbene si dica che questi muscoli abbiano un'ampia escursione (accorciamento percentuale), 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). Pennato deriva dal latino "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 porta alle 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 fisiologica della sezione trasversale. Pertanto, per una data 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 un rapido restringimento, protezione contro i danni da trazione e ammortizzazione. Trasforma la relazione tra l'input delle fibre e la potenza muscolare prodotta sfruttando le caratteristiche uniche e la complessità geometrica della disposizione delle fibre associata alle linee d'azione muscolari.
Sono mostrati diagrammi schematici 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 SMA è montato su un robot mobile autonomo a due ruote9,10. , (b) Protesi orbitale robotica con protesi orbitale SMA caricata a molla posizionata in modo antagonistico. La posizione dell'occhio protesico è controllata da un segnale proveniente dal muscolo oculare dell'occhio11, (c) Gli attuatori SMA sono ideali per applicazioni subacquee grazie alla loro elevata risposta in frequenza e alla bassa larghezza di banda. In questa configurazione, gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un moto ondoso simulando il movimento dei pesci, (d) gli attuatori SMA vengono utilizzati per creare un robot di ispezione di microtubi in grado di utilizzare il principio del movimento della vite senza fine, controllato dal movimento dei fili SMA all'interno del canale 10, (e) mostra la direzione della contrazione delle fibre muscolari e la generazione della forza contrattile nel tessuto del gastrocnemio, (f) mostra i fili SMA disposti sotto forma di fibre muscolari nella struttura del muscolo pennato.
Gli attuatori sono diventati una parte importante dei sistemi meccanici grazie alla loro ampia gamma di applicazioni. Pertanto, la necessità di azionamenti più piccoli, veloci ed efficienti diventa critica. Nonostante i loro vantaggi, gli azionamenti tradizionali si sono rivelati costosi e richiedono una manutenzione dispendiosa in termini di tempo. Gli attuatori idraulici e pneumatici sono complessi e costosi e sono soggetti a usura, problemi di lubrificazione e guasti dei componenti. In risposta alla domanda, l'attenzione si concentra sullo sviluppo di attuatori economici, dalle dimensioni ottimizzate e avanzati, basati su materiali intelligenti. La ricerca in corso sta prendendo in considerazione attuatori a strati in leghe 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 aumentate ed estese. A questo proposito, il tessuto muscolare umano sopra descritto 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, il 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 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 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, gli SMA diventano fragili. In determinate condizioni, un carico ciclico può assorbire e rilasciare energia meccanica, mostrando cambiamenti di forma isteretici reversibili. Queste proprietà uniche rendono gli SMA ideali per sensori, smorzatori di vibrazioni e soprattutto attuatori12. In quest'ottica, 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 rotanti, i ricercatori sono particolarmente interessati agli attuatori lineari. Questi attuatori lineari possono essere suddivisi in tre tipologie: attuatori monodimensionali, a spostamento e differenziali 16 . Inizialmente, gli azionamenti ibridi sono stati creati in combinazione con SMA e altri azionamenti convenzionali. Un esempio di attuatore lineare ibrido basato su SMA è l'utilizzo di un filo SMA con un motore a corrente continua per fornire una forza di uscita di circa 100 N e uno spostamento significativo 17 .
Uno dei primi sviluppi negli azionamenti 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 capacità di potenza dell'azionamento posizionando 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 di cavi SMA contenente una trave flessibile deflessibile 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 che richiedono alte velocità, è stato segnalato che pompe compatte utilizzano SMA a film sottile per applicazioni azionate da micropompe23. La frequenza di azionamento della membrana SMA a film sottile è un fattore chiave nel controllo della velocità dell'azionamento. Pertanto, i motori lineari SMA hanno una risposta dinamica migliore 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 SMA. Ad esempio, per sostituire l'attuatore standard utilizzato nella pinza spaziale da 25 N, è stato sviluppato un attuatore parallelo 24 in lega a memoria di forma. In un altro caso, è stato fabbricato un attuatore morbido 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, gli SMA vengono utilizzati anche per produrre attuatori che imitano fenomeni biologici. Uno di questi sviluppi include un robot a 12 celle che è un biomimetico 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 SMA esistenti. Per risolvere questo problema, questo studio presenta una struttura muscolare bimodale biomimetica, azionata da un filo in lega a memoria di forma. Fornisce 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 dell'SMA durante l'allineamento muscolare bimodale. Rispetto agli attuatori basati su SMA esistenti, l'obiettivo di questo studio era quello di creare un attuatore biomimetico a dipvalerato per generare forze significativamente più elevate in un volume ridotto. Rispetto ai tradizionali azionamenti azionati da motore passo-passo utilizzati nei sistemi di controllo e automazione 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 esamina la simulazione multifisica di tale azionamento. Il comportamento meccanico di tali sistemi è stato studiato con 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 immaginati 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 sopra menzionati, l'uso di un'architettura a singolo stadio produce forze almeno da quattro a cinque volte superiori rispetto agli attuatori basati su SMA riportati. Inoltre, è stato dimostrato che la stessa forza motrice generata da un azionamento multilivello multilivello è oltre 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 design e variabili di input. La lunghezza iniziale del filo SMA (l_0), l'angolo pennato (α) e il numero di singoli fili (n) in ogni singolo filo hanno un forte effetto negativo sull'entità della forza motrice. forza, mentre la tensione di ingresso (energia) si è rivelata positivamente correlata.
Il filo SMA presenta l'effetto memoria di forma (SME) tipico delle leghe nichel-titanio (Ni-Ti). Tipicamente, le SMA presentano due fasi dipendenti dalla temperatura: una fase a bassa temperatura e una fase ad alta temperatura. Entrambe le fasi presentano proprietà peculiari grazie alla presenza di diverse strutture cristalline. Nella fase austenitica (fase ad alta temperatura), presente 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 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 corrispondenza tra i risultati sperimentali e analitici.
È stato condotto uno studio sperimentale 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 SMA (temperatura SMA), sono state misurate sperimentalmente. All'aumentare della differenza di tensione 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 nelle Fig. 2a, b) con un periodo di raffreddamento di 15 s tra ciascun ciclo. La forza di blocco è stata misurata utilizzando un estensimetro piezoelettrico e la distribuzione della temperatura del filo 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). mostra che durante la fase di alta tensione, la temperatura del filo aumenta in modo monotono, ma in assenza di corrente, la temperatura del filo continua a diminuire. Nell'attuale configurazione sperimentale, la temperatura del filo SMA è diminuita durante la fase di raffreddamento, pur rimanendo al di sopra della temperatura ambiente. La figura 2e mostra un'istantanea della temperatura sul filo SMA acquisita dalla telecamera LWIR. D'altra parte, la figura 2a mostra la forza di blocco 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 di gravità, come mostrato nelle figure 2c e d. Quando la temperatura massima è prossima 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 da 10 secondi (indicati come punti rossi) con un periodo di raffreddamento di 15 secondi tra ciascun ciclo. Il filo SMA utilizzato per gli esperimenti era un filo Flexinol da 0,51 mm di diametro di Dynalloy, Inc. (a) Il grafico mostra la forza sperimentale ottenuta in 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 acquisita dal filo SMA utilizzando la fotocamera 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 in condizioni di tensione di ingresso di 7 V, come mostrato in Fig. 5. In base ai risultati dell'analisi parametrica e per evitare il possibile surriscaldamento del filo SMA, è stata fornita all'attuatore una potenza di 11,2 W. È stato utilizzato un alimentatore CC programmabile 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 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 dei risultati sperimentali è stata rispettivamente di 150 N e 105 N. La discrepanza tra le misurazioni della forza di occlusione e i dati sperimentali potrebbe essere dovuta al metodo utilizzato per misurare la forza di occlusione. I risultati sperimentali mostrati in Fig. La figura 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 figura 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 nulla, come mostrato in figura 2d. Inoltre, altri parametri che influenzano la formazione di forza nei cicli successivi sono i valori del tempo di raffreddamento e il coefficiente di scambio termico convettivo nel ciclo precedente. Dalla figura 2b, si può osservare che dopo un periodo di raffreddamento di 15 secondi, il filo SMA non ha raggiunto la temperatura ambiente e quindi presentava una temperatura iniziale più elevata (40 °C) nel secondo ciclo di guida rispetto al primo ciclo (25 °C). Pertanto, rispetto al primo ciclo, la temperatura del filo SMA durante il secondo ciclo di riscaldamento raggiunge prima la temperatura iniziale dell'austenite (As) e rimane nel periodo di transizione più a lungo, con conseguente formazione 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 similarità qualitativa con gli esempi di analisi termografica. L'analisi comparativa dei dati termici del filo SMA, ottenuti da esperimenti e simulazioni, ha mostrato coerenza durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento e entro 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 fondamentalmente conferma l'effetto memoria di forma. Il ruolo della fatica e del surriscaldamento non è stato considerato in questa revisione. In futuro, il modello verrà migliorato per includere la storia delle sollecitazioni del filo SMA, rendendolo più adatto ad applicazioni ingegneristiche. I grafici della forza di uscita del motore e della temperatura SMA ottenuti dal blocco Simulink rientrano nelle tolleranze ammissibili dei dati sperimentali in condizioni di un 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 2b. Le Figure 3a e 4 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 austenite modificata dallo stress), la velocità di variazione della frazione di volume 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 austenite modificata dallo stress), la velocità di variazione della frazione di volume 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, modifica successiva), il punteggio di modifica è stato ridotto a zero. Durante la trasformazione inversa (riscaldamento), quando la temperatura del filo SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura di inizio dell'austenite modificata dallo stress), la velocità di variazione della frazione di volume della 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 dallo stress in un attuatore bivalerato basato su SMA. Quando la temperatura del filo supera la temperatura di transizione dell'austenite nella fase di riscaldamento, la temperatura di transizione dell'austenite modificata inizia ad aumentare e, analogamente, quando la temperatura della vergella 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 visualizzazione dettagliata di ciascun sottosistema di un modello Simulink, vedere la sezione in 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) e (e) illustrano la distribuzione nel tempo, (d) e (f) illustrano invece la distribuzione in funzione della temperatura. Per le rispettive condizioni di ingresso, la sollecitazione massima osservata è di 106 MPa (meno di 345 MPa, limite di snervamento del filo), la forza è di 150 N, lo spostamento massimo è di 270 µm e la frazione di volume martensitica minima è di 0,91. D'altra parte, la variazione della sollecitazione e la variazione della frazione di volume di martensite in funzione della temperatura sono simili alle caratteristiche di isteresi.
La stessa spiegazione si applica alla trasformazione diretta (raffreddamento) dalla fase austenitica a quella martensite, dove la temperatura del filo SMA (T) e la temperatura finale della fase martensite modificata dallo stress (\(M_f^{\prime}\ )) sono eccellenti. In 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. In figura 3a mostra la variazione della 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 austenite inizia quando la temperatura del filo SMA (T) supera la temperatura di nucleazione dell'austenite corretta per lo stress (\(A_s^{\prime}\)). Durante questa fase, il filo SMA viene compresso e l'attuatore genera forza. Anche durante il raffreddamento, quando la temperatura del filo SMA (T) supera la temperatura di nucleazione della fase martensite modificata per lo stress (\(M_s^{\prime}\)), si verifica una transizione positiva dalla fase austenite a quella martensite. La forza motrice diminuisce.
I principali aspetti qualitativi dell'azionamento bimodale basato su SMA possono essere ricavati 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 di volume 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 di volume 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 di azionamento in funzione del tempo. Un sistema di equazioni correlato include la temperatura, la frazione di volume di martensite e lo stress che si sviluppa nel filo, con conseguente restringimento del filo SMA e della forza generata dall'attuatore. Come mostrato in Figura 4c. 4d,f, la variazione della tensione con la temperatura e la variazione della frazione di volume della martensite con la temperatura corrispondono alle caratteristiche di isteresi dell'SMA nel caso simulato a 7 V.
Il confronto dei parametri di pilotaggio 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) in due cicli. L'angolo di pinnatura è impostato a 40°C e la lunghezza iniziale del filo SMA in ogni singola gamba del pin è impostata a 83 mm. (a) Misurazione della forza di pilotaggio con una cella di carico (b) Monitoraggio della temperatura del filo con una termocamera a infrarossi.
Per comprendere l'influenza dei parametri fisici sulla forza prodotta dal motore, è stata condotta un'analisi della sensibilità del modello matematico ai parametri fisici selezionati, classificando i parametri in base alla loro influenza. Innanzitutto, 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 (Vin), la lunghezza iniziale del filo SMA (l0), l'angolo del triangolo (α), la costante elastica di polarizzazione (Kx), il coefficiente di scambio termico convettivo (hT) e il numero di rami unimodali (n). Nella fase successiva, è stata scelta la forza muscolare di picco come requisito di progettazione dello studio e sono stati ottenuti gli effetti parametrici di ciascun insieme di variabili sulla forza. I grafici 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 massima di uscita di 2500 gruppi univoci 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 elevata. L'effetto di vari parametri in varie combinazioni sulla forza muscolare massima 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 4 V a 10 V, la lunghezza del filo (\(l_{0}\)) è cambiata da 40 a 100 mm e l'angolo di coda (\(\(\alpha\)) variava da \(20 – 60 \, ^ {\circ}\).
La figura 6a mostra un grafico 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 osservare che il parametro di tensione (\(V_{in}\)) è direttamente correlato alla forza di uscita massima, e il coefficiente di scambio termico convettivo (\(h_T\)), l'angolo di fiamma (\(\alpha\)), la costante elastica di spostamento (\(K_x\)) sono negativamente correlati 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 elevato del coefficiente di correlazione della tensione (\(V_ {in}\)) indica che questo parametro ha il maggiore effetto sulla potenza in 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, c. \(V_{in}\) e \(l_0\), \(\alpha\) e \(l_0\) presentano andamenti simili, e il grafico mostra che \(V_{in}\) e \(\alpha\) e \(\alpha\) presentano andamenti simili. Valori inferiori di \(l_0\) determinano 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 tramite i quali la forza di uscita, la corsa e l'efficienza del sistema di azionamento possono essere adattate ai requisiti e all'applicazione.
Le attuali ricerche introducono e studiano sistemi di azionamento gerarchici a N livelli. In una gerarchia a due livelli, come mostrato in Fig. 7a, al posto di ciascun filo SMA dell'attuatore di primo livello, si ottiene una disposizione bimodale, come mostrato in Fig. 9e. La Fig. 7c mostra come il filo SMA sia avvolto attorno a un braccio mobile (braccio ausiliario) che si muove solo in direzione longitudinale. Tuttavia, il braccio mobile primario continua a muoversi allo stesso modo del braccio mobile dell'attuatore multistadio di primo stadio. Tipicamente, un sistema di azionamento a N stadi viene creato sostituendo il filo SMA di \(N-1\) stadio con un sistema di azionamento di primo stadio. Di conseguenza, ogni ramo imita il sistema di 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 a quelle dei sistemi di azionamento primari. In questo studio, per ciascun livello, è stata considerata una lunghezza totale effettiva del filo SMA di 1 m, come mostrato in formato tabellare in Fig. 7d. La corrente che attraversa ciascun filo in ciascun progetto unimodale e il precompressione e la tensione risultanti in ciascun segmento di filo SMA sono gli stessi a ciascun livello. Secondo il nostro modello analitico, la forza di uscita è correlata positivamente al livello, mentre lo spostamento è correlato negativamente. Allo stesso tempo, si è verificato un compromesso tra spostamento e forza muscolare. Come si vede in Fig. 7b, mentre la forza massima viene raggiunta nel maggior numero di strati, lo spostamento maggiore si osserva nello strato più basso. Impostando il livello gerarchico a \(N=5\), è stata rilevata una forza muscolare di picco di 2,58 kN con 2 corse osservate \(\upµm). D'altra parte, l'azionamento del primo stadio genera una forza di 150 N con una corsa di 277 \(\upµm). Gli attuatori multilivello sono in grado di imitare i muscoli biologici reali, mentre i muscoli artificiali basati su leghe a memoria di forma sono in grado di generare forze significativamente più elevate con movimenti più precisi e precisi. I limiti di questo design miniaturizzato sono che, all'aumentare della gerarchia, il movimento si riduce notevolmente e aumenta la complessità del processo di produzione dell'azionamento.
(a) Un sistema attuatore lineare in lega a memoria di forma a strati a due stadi (\(N=2\)) è mostrato in una configurazione bimodale. Il modello proposto è ottenuto sostituendo il filo SMA nell'attuatore a strati del primo stadio con un altro attuatore a strati a stadio singolo. (c) Configurazione deformata dell'attuatore multistrato del secondo stadio. (b) Viene descritta la distribuzione di forze e spostamenti in funzione del numero di livelli. Si è riscontrato che la forza di picco dell'attuatore è correlata positivamente con il livello di scala sul grafico, mentre la corsa è correlata negativamente con il livello di scala. La corrente e la pretensione in ciascun filo rimangono costanti a tutti i livelli. (d) La tabella mostra il numero di derivazioni e la lunghezza del filo SMA (fibra) a ciascun livello. Le caratteristiche dei fili sono indicate dall'indice 1 e il numero di rami secondari (uno collegato al ramo primario) è indicato dal numero più grande in 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).
Molti ricercatori hanno proposto vari metodi per modellare il comportamento degli SMA a memoria di forma, che dipendono dalle 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 proposto da Tanaka28 ed è ampiamente utilizzato nelle applicazioni ingegneristiche. Il modello fenomenologico proposto da Tanaka [28] presuppone che la frazione di volume della 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 assunta come una funzione coseno di tensione e 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 e transizioni parziali. Banerjee32 utilizza il metodo dinamico 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 in funzione della temperatura, sono difficili da implementare in applicazioni ingegneristiche. Elahinia e Ahmadian sottolineano queste carenze dei modelli fenomenologici esistenti e propongono un modello fenomenologico esteso per analizzare e definire il comportamento della memoria di forma in qualsiasi condizione di carico complessa.
Il modello strutturale del filo SMA fornisce lo sforzo (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 dipendente dalla fase dell'SMA, 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 fasi austenitica e martensitica, e il coefficiente di dilatazione termica è rappresentato da \(\theta _T\). Il fattore di contributo alla 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 sotto carichi termomeccanici complessi. In ogni istante, 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 di volume di martensite, \(\xi _M\) è la frazione di volume di martensite ottenuta prima del riscaldamento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) e \(C_A\) – parametri di approssimazione della curva, T – temperatura del filo SMA, \(A_s\) e \(A_f\) – rispettivamente 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 \) – parametri di adattamento della curva, T – temperatura del filo SMA, \(M_s\) e \(M_f\) – temperature iniziale e finale della martensite, rispettivamente.
Dopo aver differenziato le equazioni (3) e (4), le equazioni di trasformazione inversa e diretta vengono semplificate nella seguente forma:
Durante la trasformazione in avanti e all'indietro, \(\eta _{\sigma}\) e \(\eta _{T}\) assumono valori diversi. Le equazioni di base 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 SMA deriva dall'effetto termico Joule. L'energia termica assorbita o rilasciata dal filo SMA è rappresentata dal calore latente di trasformazione. La perdita di calore nel filo SMA è dovuta alla convezione forzata e, dato l'effetto trascurabile dell'irraggiamento, l'equazione del bilancio dell'energia termica è la seguente:
Dove \(m_{wire}\) è la massa totale del filo SMA, \(c_{p}\) è il calore specifico del filo SMA, \(V_{in}\) è la tensione applicata al filo, \(R_{ohm}\ ) – resistenza SMA dipendente dalla fase, definita come; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) dove \(r_M\ ) e \(r_A\) sono la resistività di fase SMA in martensite e austenite, rispettivamente, \(A_{c}\) è l'area superficiale del filo SMA, \(\Delta H\) è una lega a memoria di forma. 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 di fibra. Le forze delle fibre in ciascun filo del filo SMA insieme creano la forza muscolare necessaria all'azionamento, come mostrato in Fig. 9e. Grazie alla presenza di una molla di polarizzazione, la forza muscolare totale dell'N-esimo attuatore multistrato è:
Sostituendo \(N = 1\) nell'equazione (7), la forza muscolare del prototipo di guida bimodale del 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 di polarizzazione della molla, \(\alpha\) è l'angolo del triangolo, \(x_0\) è l'offset iniziale della molla di polarizzazione per mantenere il cavo SMA nella posizione pretensionata e \(\Delta x\) è la corsa dell'attuatore.
Lo spostamento o movimento totale dell'azionamento (\(\Delta x\)) dipende dalla tensione (\(\sigma\)) e dalla deformazione (\(\epsilon\)) sul filo SMA dell'N-esimo stadio, l'azionamento è impostato su (vedere la Fig. parte aggiuntiva dell'output):
Le equazioni cinematiche forniscono la relazione tra la deformazione del motore (epsilon) e lo spostamento (Delta x). La deformazione del filo Arb in funzione della lunghezza iniziale del filo Arb (l_0) e della lunghezza del filo (l) a 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 la prima fase 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 qualsiasi momento 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 nella Figura 8).
Tutte le n strutture a picco singolo (n=6 in questa figura) sono collegate in serie con Vin come tensione di ingresso. Fase I: Diagramma schematico del filo SMA in una configurazione bimodale in condizioni di tensione zero. Fase II: È mostrata una struttura controllata in cui il filo SMA viene compresso a causa della conversione inversa, come mostrato dalla linea rossa.
Come proof of concept, è stato sviluppato un azionamento bimodale basato su SMA per testare la derivazione simulata delle equazioni sottostanti con 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 utilizzando la 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. I fili SMA multipli sono disposti come fibre presenti in una disposizione bimodale dei 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 (α). Con i morsetti terminali collegati ai morsetti sinistro e destro, il filo SMA viene mantenuto all'angolo bimodale desiderato. Il dispositivo a molla di polarizzazione fissato al connettore a molla è progettato per regolare i diversi gruppi di estensione della molla di polarizzazione 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 staccabile contribuiscono a mantenere fresco il filo SMA con ritagli estrusi progettati per ridurne il peso. Inoltre, entrambe le estremità del filo CMA sono fissate rispettivamente ai terminali sinistro e destro mediante una crimpatura. Un pistoncino è fissato a un'estremità del gruppo mobile per mantenere la distanza tra le piastre superiore e inferiore. Lo stantuffo viene utilizzato anche per applicare una forza di blocco al sensore tramite un contatto per misurare la forza di blocco quando viene azionato il filo SMA.
La struttura muscolare bimodale SMA è collegata elettricamente in serie e alimentata da una tensione di ingresso a impulsi. Durante il ciclo di impulsi di tensione, quando viene applicata una tensione e il filo SMA viene riscaldato al di sopra della temperatura iniziale dell'austenite, la lunghezza del filo in ciascun trefolo si accorcia. Questa retrazione attiva il sottogruppo del braccio mobile. Quando la tensione viene azzerata nello stesso ciclo, il filo SMA riscaldato viene raffreddato al di sotto della temperatura superficiale della martensite, tornando così alla sua posizione originale. In condizioni di stress nullo, il filo SMA viene prima allungato passivamente da una molla di polarizzazione per raggiungere lo stato martensitico detwinned. La vite attraverso la quale passa il filo SMA si muove a causa della compressione creata applicando un impulso di tensione al filo SMA (SPA raggiunge la fase austenitica), che porta all'azionamento della leva mobile. Quando il filo SMA viene retratto, la molla di polarizzazione crea una forza opposta allungando ulteriormente la molla. Quando lo stress nella tensione impulsiva diventa zero, il filo SMA si allunga e cambia forma a causa del raffreddamento per convezione forzata, raggiungendo una doppia fase martensitica.
Il sistema di attuatore lineare basato su SMA proposto presenta una configurazione bimodale in cui i fili SMA sono disposti ad angolo. (a) illustra un modello CAD del prototipo, che menziona alcuni 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 polarizzazione ed estensimetri utilizzati, (d) mostra una vista prospettica della configurazione. (e) Diagramma di un sistema di attuazione lineare con fili SMA posizionati bimodalmente a 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 gradi di libertà (DOF) per l'installazione di un attuatore basato su SMA a due piani. Come mostrato, il collegamento trasmette il moto 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 SMA. Come mostrato in Fig. 10b, un estensimetro piezoelettrico (PACEline CFT/5kN) è stato utilizzato per misurare la forza di bloccaggio utilizzando un data logger Graphtec GL-2000. I dati vengono registrati dall'host per ulteriori studi. Estensimetri e 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 SMA aumenta, causandone la compressione, che a sua volta induce l'attuatore a generare forza. I risultati sperimentali dell'output di forza muscolare mediante un impulso di tensione di ingresso di 7 V sono mostrati in Fig. 2a.
(a) Nell'esperimento è stato installato un sistema di attuatori lineari 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 a 24 V CC. 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 restringe 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 sull'host per ulteriori elaborazioni. (b) Diagramma che mostra la catena di componenti dell'apparato sperimentale per la misurazione della forza muscolare.
Le leghe a memoria di forma sono eccitate dall'energia termica, quindi la temperatura diventa un parametro importante per lo studio del fenomeno della memoria di forma. Sperimentalmente, come mostrato in Figura 11a, sono state eseguite misurazioni di immagini termiche e temperatura su un prototipo di attuatore bivalerato basato su SMA. Un generatore di corrente continua 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 termocamera LWIR ad alta risoluzione (FLIR A655sc). Il sistema host utilizza il software ResearchIR per registrare i dati per un'ulteriore post-elaborazione. Quando viene applicato un impulso di tensione, la temperatura del filo SMA aumenta, causandone il restringimento. 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
