Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, zullen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergeven.
Actuatoren worden overal gebruikt en creëren gecontroleerde beweging door de juiste excitatiekracht of het juiste koppel toe te passen om diverse bewerkingen uit te voeren in de productie en industriële automatisering. De behoefte aan snellere, kleinere en efficiëntere aandrijvingen stimuleert innovatie in het ontwerp van aandrijvingen. Aandrijvingen op basis van vormgeheugenlegeringen (SMA) bieden een aantal voordelen ten opzichte van conventionele aandrijvingen, waaronder een hoge vermogen-gewichtsverhouding. In dit proefschrift is een actuator met twee veren op basis van SMA ontwikkeld die de voordelen van de verenachtige spieren van biologische systemen combineert met de unieke eigenschappen van SMA's. Deze studie onderzoekt en breidt eerdere SMA-actuatoren uit door een wiskundig model van de nieuwe actuator te ontwikkelen op basis van de bimodale SMA-draadconfiguratie en deze experimenteel te testen. Vergeleken met bekende aandrijvingen op basis van SMA is de aandrijfkracht van de nieuwe aandrijving minstens 5 keer hoger (tot 150 N). Het bijbehorende gewichtsverlies bedraagt ongeveer 67%. De resultaten van de gevoeligheidsanalyse van de wiskundige modellen zijn nuttig voor het afstemmen van ontwerpparameters en het begrijpen van belangrijke parameters. Deze studie presenteert tevens een aandrijving met meerdere niveaus (N-traps) die kan worden gebruikt om de dynamiek verder te verbeteren. Op SMA gebaseerde dipvaleraat-spieractuatoren hebben een breed scala aan toepassingen, van gebouwautomatisering tot precisiesystemen voor medicijnafgifte.
Biologische systemen, zoals de spierstructuren van zoogdieren, kunnen veel subtiele actuatoren activeren1. Zoogdieren hebben verschillende spierstructuren, elk met een specifiek doel. De structuur van het spierweefsel van zoogdieren kan echter grotendeels worden onderverdeeld in twee brede categorieën: parallel en geveerd. In de hamstrings en andere buigspieren, zoals de naam al suggereert, lopen de spiervezels van de parallelle spierstructuur parallel aan de centrale pees. De keten van spiervezels is op een rij geplaatst en functioneel verbonden door het bindweefsel eromheen. Hoewel deze spieren een grote excursie (percentage verkorting) zouden hebben, is hun algehele spierkracht zeer beperkt. Daarentegen is in de tricepsspier2 (laterale gastrocnemius (GL)3, mediale gastrocnemius (GM)4 en soleus (SOL)) en de extensor femoris (quadriceps)5,6 geveerd spierweefsel te vinden in elke spier7. Bij een geveerde structuur bevinden de spiervezels van de bipennate spierstructuur zich aan beide zijden van de centrale pees onder een schuine hoek (geveerde hoeken). De term pennate komt van het Latijnse woord "penna", wat "pen" betekent, en heeft, zoals weergegeven in figuur 1, een veerachtig uiterlijk. De vezels van pennate spieren zijn korter en staan onder een hoek ten opzichte van de lengteas van de spier. Door de geveerde structuur is de algehele beweeglijkheid van deze spieren beperkt, wat leidt tot een verkortingsproces in zowel de dwars- als de lengterichting. Aan de andere kant leidt activering van deze spieren tot een hogere algehele spierkracht, vanwege de manier waarop de fysiologische dwarsdoorsnede wordt gemeten. Daarom zullen pennate spieren, bij een gegeven dwarsdoorsnede, sterker zijn en hogere krachten genereren dan spieren met parallelle vezels. De krachten die door individuele vezels worden gegenereerd, creëren spierkrachten op macroscopisch niveau in dat spierweefsel. Bovendien heeft het unieke eigenschappen zoals snelle krimp, bescherming tegen beschadiging door trekkrachten en demping. Het transformeert de relatie tussen vezelinput en spierkrachtoutput door de unieke kenmerken en geometrische complexiteit van de vezelstructuur te benutten die samenhangt met de werkingslijnen van de spier.
Getoond zijn schematische diagrammen van bestaande SMA-gebaseerde actuatorontwerpen in relatie tot een bimodale spierarchitectuur, bijvoorbeeld (a), die de interactie van tactiele kracht weergeeft waarbij een handvormig apparaat, aangedreven door SMA-draden, is gemonteerd op een autonome mobiele robot met twee wielen9,10. , (b) Robotische orbitale prothese met antagonistisch geplaatste, veerbelaste SMA-orbitale prothese. De positie van het prothetische oog wordt bestuurd door een signaal van de oogspier11, (c) SMA-actuatoren zijn ideaal voor onderwatertoepassingen vanwege hun hoge frequentierespons en lage bandbreedte. In deze configuratie worden SMA-actuatoren gebruikt om golfbewegingen te creëren door de beweging van vissen te simuleren. (d) SMA-actuatoren worden gebruikt om een micro-pijpinspectierobot te creëren die gebruik kan maken van het principe van de rupsbeweging, bestuurd door de beweging van SMA-draden in kanaal 10. (e) toont de richting van de samentrekking van spiervezels en het genereren van contractiekracht in het gastrocnemiusweefsel. (f) toont SMA-draden die zijn gerangschikt in de vorm van spiervezels in de pennate spierstructuur.
Actuatoren zijn door hun brede scala aan toepassingen een belangrijk onderdeel van mechanische systemen geworden. De behoefte aan kleinere, snellere en efficiëntere aandrijvingen is daarom cruciaal. Ondanks hun voordelen zijn traditionele aandrijvingen echter duur en tijdrovend in onderhoud gebleken. Hydraulische en pneumatische actuatoren zijn complex en kostbaar en gevoelig voor slijtage, smeerproblemen en defecten aan componenten. Om aan deze vraag te voldoen, ligt de focus op de ontwikkeling van kosteneffectieve, qua afmetingen geoptimaliseerde en geavanceerde actuatoren op basis van slimme materialen. Lopende onderzoeken richten zich op gelaagde actuatoren van vormgeheugenlegeringen (SMA) om aan deze behoefte te voldoen. Hiërarchische actuatoren zijn uniek omdat ze veel afzonderlijke actuatoren combineren tot geometrisch complexe subsystemen op macroschaal, wat resulteert in een verhoogde en uitgebreidere functionaliteit. In dit opzicht biedt het hierboven beschreven menselijke spierweefsel een uitstekend meerlaags voorbeeld van een dergelijke meerlaagse aandrijving. De huidige studie beschrijft een meerlaagse SMA-aandrijving met verschillende individuele aandrijfelementen (SMA-draden) die zijn afgestemd op de vezeloriëntaties in bimodale spieren, wat de algehele aandrijfprestaties verbetert.
Het hoofddoel van een actuator is het genereren van mechanisch vermogen, zoals kracht en verplaatsing, door elektrische energie om te zetten. Vormgeheugenlegeringen (SMA's) zijn een klasse van "slimme" materialen die hun vorm bij hoge temperaturen kunnen herstellen. Onder hoge belastingen leidt een temperatuurstijging van de SMA-draad tot vormherstel, wat resulteert in een hogere actuatie-energiedichtheid in vergelijking met diverse direct gebonden slimme materialen. Tegelijkertijd worden SMA's onder mechanische belasting broos. Onder bepaalde omstandigheden kan een cyclische belasting mechanische energie absorberen en vrijgeven, wat omkeerbare hysteretische vormveranderingen teweegbrengt. Deze unieke eigenschappen maken SMA's ideaal voor sensoren, trillingsdemping en met name actuatoren12. Met dit in gedachten is er veel onderzoek gedaan naar op SMA gebaseerde aandrijvingen. Het is belangrijk op te merken dat op SMA gebaseerde actuatoren zijn ontworpen om translatie- en rotatiebewegingen te leveren voor diverse toepassingen13,14,15. Hoewel er al enkele roterende actuatoren zijn ontwikkeld, zijn onderzoekers vooral geïnteresseerd in lineaire actuatoren. Deze lineaire actuatoren kunnen worden onderverdeeld in drie typen: eendimensionale, verplaatsings- en differentiële actuatoren16. In eerste instantie werden hybride aandrijvingen gecreëerd in combinatie met SMA en andere conventionele aandrijvingen. Een voorbeeld van een op SMA gebaseerde hybride lineaire actuator is het gebruik van een SMA-draad met een DC-motor om een uitgangskracht van ongeveer 100 N en een aanzienlijke verplaatsing te leveren17.
Een van de eerste ontwikkelingen in aandrijvingen die volledig op SMA gebaseerd zijn, was de SMA-parallelle aandrijving. Door gebruik te maken van meerdere SMA-draden is de op SMA gebaseerde parallelle aandrijving ontworpen om het vermogen van de aandrijving te vergroten door alle SMA18-draden parallel te schakelen. Parallelle aansluiting van actuatoren vereist niet alleen meer vermogen, maar beperkt ook het uitgangsvermogen van een enkele draad. Een ander nadeel van op SMA gebaseerde actuatoren is de beperkte bewegingsvrijheid die ze kunnen bereiken. Om dit probleem op te lossen, werd een SMA-kabelbalk gecreëerd met een afgebogen flexibele balk om de verplaatsing te vergroten en lineaire beweging te bereiken, maar dit genereerde geen hogere krachten19. Zachte, vervormbare structuren en stoffen voor robots op basis van vormgeheugenlegeringen zijn voornamelijk ontwikkeld voor impactversterking20,21,22. Voor toepassingen waar hoge snelheden vereist zijn, zijn compacte aangedreven pompen gerapporteerd die gebruikmaken van dunne SMA-films voor micropomptoepassingen23. De aandrijffrequentie van het dunne SMA-membraan is een belangrijke factor bij het regelen van de snelheid van de aandrijving. Daarom hebben lineaire SMA-motoren een betere dynamische respons dan SMA-veer- of staafmotoren. Zachte robotica en grijptechnologie zijn twee andere toepassingen van actuatoren op basis van vormgeheugenlegeringen (SMA). Zo werd bijvoorbeeld een parallelle actuator van vormgeheugenlegering ontwikkeld ter vervanging van de standaardactuator die gebruikt wordt in de 25 N ruimteklem. In een ander geval werd een zachte actuator van SMA vervaardigd op basis van een draad met een ingebedde matrix die een maximale trekkracht van 30 N kan produceren. Vanwege hun mechanische eigenschappen worden SMA's ook gebruikt om actuatoren te produceren die biologische verschijnselen nabootsen. Een voorbeeld hiervan is een robot met 12 cellen die een biomimetisch model is van een regenwormachtig organisme, waarbij SMA wordt gebruikt om een sinusvormige beweging te genereren voor het afvuren van cellen.26,27
Zoals eerder vermeld, is er een limiet aan de maximale kracht die kan worden verkregen met bestaande actuatoren op basis van vormgeheugenlegeringen (SMA). Om dit probleem aan te pakken, presenteert deze studie een biomimetische bimodale spierstructuur, aangedreven door een draad van vormgeheugenlegering. Er wordt een classificatiesysteem gepresenteerd dat verschillende draden van vormgeheugenlegeringen omvat. Tot op heden zijn er in de literatuur geen actuatoren op basis van SMA met een vergelijkbare architectuur beschreven. Dit unieke en nieuwe systeem op basis van SMA is ontwikkeld om het gedrag van SMA tijdens bimodale spieruitlijning te bestuderen. In vergelijking met bestaande actuatoren op basis van SMA was het doel van deze studie om een biomimetische dipvaleraat-actuator te creëren die aanzienlijk hogere krachten genereert in een klein volume. Vergeleken met conventionele stappenmotoraandrijvingen die worden gebruikt in HVAC-gebouwautomatisering en -besturingssystemen, reduceert het voorgestelde bimodale aandrijfontwerp op basis van SMA het gewicht van het aandrijfmechanisme met 67%. In het vervolg worden de termen "spier" en "aandrijving" door elkaar gebruikt. Deze studie onderzoekt de multiphysics-simulatie van een dergelijke aandrijving. Het mechanische gedrag van dergelijke systemen is bestudeerd met behulp van experimentele en analytische methoden. De kracht- en temperatuurverdelingen werden verder onderzocht bij een ingangsspanning van 7 V. Vervolgens werd een parametrische analyse uitgevoerd om de relatie tussen belangrijke parameters en de uitgangskracht beter te begrijpen. Ten slotte werden hiërarchische actuatoren bedacht en werden hiërarchische niveau-effecten voorgesteld als een potentieel toekomstig gebied voor niet-magnetische actuatoren voor prothetische toepassingen. Volgens de resultaten van de bovengenoemde studies produceert het gebruik van een eentrapsarchitectuur krachten die minstens vier tot vijf keer hoger zijn dan die van gerapporteerde SMA-gebaseerde actuatoren. Bovendien is aangetoond dat dezelfde aandrijfkracht gegenereerd door een meertraps aandrijving meer dan tien keer zo groot is als die van conventionele SMA-gebaseerde aandrijvingen. De studie rapporteert vervolgens belangrijke parameters met behulp van een gevoeligheidsanalyse tussen verschillende ontwerpen en ingangsvariabelen. De initiële lengte van de SMA-draad (\(l_0\)), de pinnatiehoek (\(\alpha\)) en het aantal afzonderlijke strengen (n) in elke individuele streng hebben een sterk negatief effect op de grootte van de aandrijfkracht, terwijl de ingangsspanning (energie) positief gecorreleerd bleek te zijn.
Vormgeheugenlegeringen (SMA-draden) vertonen het vormgeheugeneffect (SME) dat ook voorkomt in nikkel-titaniumlegeringen (Ni-Ti). SMA's vertonen doorgaans twee temperatuurafhankelijke fasen: een lage-temperatuurfase en een hoge-temperatuurfase. Beide fasen hebben unieke eigenschappen dankzij de aanwezigheid van verschillende kristalstructuren. In de austenietfase (hoge-temperatuurfase), die boven de transformatietemperatuur bestaat, vertoont het materiaal een hoge sterkte en vervormt het nauwelijks onder belasting. De legering gedraagt zich als roestvast staal en is daardoor bestand tegen hogere actuatiedrukken. Door gebruik te maken van deze eigenschap van Ni-Ti-legeringen worden de SMA-draden schuin geplaatst om een actuator te vormen. Er zijn geschikte analytische modellen ontwikkeld om de fundamentele mechanica van het thermische gedrag van SMA onder invloed van verschillende parameters en geometrieën te begrijpen. Er werd een goede overeenkomst verkregen tussen de experimentele en analytische resultaten.
Er werd een experimentele studie uitgevoerd met het prototype dat in figuur 9a wordt getoond om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren. Twee van deze eigenschappen, de door de aandrijving gegenereerde kracht (spierkracht) en de temperatuur van de SMA-draad (SMA-temperatuur), werden experimenteel gemeten. Naarmate het spanningsverschil over de gehele lengte van de draad in de aandrijving toeneemt, stijgt de temperatuur van de draad als gevolg van het Joule-effect. De ingangsspanning werd toegepast in twee cycli van 10 seconden (aangegeven met rode stippen in figuur 2a en 2b) met een afkoelperiode van 15 seconden tussen elke cyclus. De blokkeerkracht werd gemeten met behulp van een piëzo-elektrische rekstrookmeter en de temperatuurverdeling van de SMA-draad werd in realtime gemonitord met behulp van een wetenschappelijke LWIR-camera met hoge resolutie (zie de specificaties van de gebruikte apparatuur in tabel 2). Uit de resultaten blijkt dat tijdens de hoogspanningsfase de temperatuur van de draad monotoon stijgt, maar wanneer er geen stroom vloeit, blijft de temperatuur van de draad dalen. In de huidige experimentele opstelling daalde de temperatuur van de SMA-draad tijdens de afkoelingsfase, maar bleef deze boven de omgevingstemperatuur. Figuur 2e toont een momentopname van de temperatuur op de SMA-draad, genomen met de LWIR-camera. Figuur 2a toont daarentegen de blokkeerkracht die door het aandrijfsysteem wordt gegenereerd. Wanneer de spierkracht de herstelkracht van de veer overschrijdt, begint de beweegbare arm, zoals weergegeven in figuur 9a, te bewegen. Zodra de beweging begint, komt de beweegbare arm in contact met de sensor, waardoor een lichaamskracht ontstaat, zoals weergegeven in figuur 2c en 2d. Wanneer de maximale temperatuur rond de 84 °C ligt, is de maximaal waargenomen kracht 105 N.
De grafiek toont de experimentele resultaten van de temperatuur van de SMA-draad en de kracht die wordt gegenereerd door de op SMA gebaseerde bimodale actuator gedurende twee cycli. De ingangsspanning wordt toegepast in twee cycli van 10 seconden (aangegeven met rode stippen) met een afkoelperiode van 15 seconden tussen elke cyclus. De voor de experimenten gebruikte SMA-draad was een Flexinol-draad met een diameter van 0,51 mm van Dynalloy, Inc. (a) De grafiek toont de experimenteel verkregen kracht over twee cycli, (c, d) toont twee onafhankelijke voorbeelden van de werking van bewegende armactuatoren op een PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachtsensor, (b) de grafiek toont de maximale temperatuur van de gehele SMA-draad gedurende twee cycli, (e) toont een temperatuurmomentopname van de SMA-draad met behulp van de FLIR ResearchIR software LWIR-camera. De geometrische parameters die in de experimenten in aanmerking zijn genomen, staan in tabel 1.
De simulatieresultaten van het wiskundige model en de experimentele resultaten worden vergeleken onder de voorwaarde van een ingangsspanning van 7V, zoals weergegeven in Fig. 5. Volgens de resultaten van de parametrische analyse en om oververhitting van de SMA-draad te voorkomen, werd een vermogen van 11,2 W aan de actuator geleverd. Een programmeerbare DC-voeding werd gebruikt om 7V als ingangsspanning te leveren, en er werd een stroom van 1,6A door de draad gemeten. De door de aandrijving gegenereerde kracht en de temperatuur van de SDR nemen toe wanneer er stroom wordt aangelegd. Bij een ingangsspanning van 7V bedraagt de maximale uitgangskracht die uit de simulatieresultaten en de experimentele resultaten van de eerste cyclus wordt verkregen respectievelijk 78 N en 96 N. In de tweede cyclus bedraagt de maximale uitgangskracht van de simulatieresultaten respectievelijk 150 N en 105 N. De discrepantie tussen de metingen van de occlusiekracht en de experimentele gegevens kan te wijten zijn aan de gebruikte methode voor het meten van de occlusiekracht. De experimentele resultaten worden weergegeven in fig. Figuur 5a komt overeen met de meting van de vergrendelingskracht, die op zijn beurt werd gemeten toen de aandrijfas in contact was met de PACEline CFT/5kN piëzo-elektrische krachtsensor, zoals weergegeven in figuur 2s. Wanneer de aandrijfas aan het begin van de koelzone geen contact maakt met de krachtsensor, wordt de kracht onmiddellijk nul, zoals weergegeven in figuur 2d. Daarnaast zijn andere parameters die de krachtvorming in volgende cycli beïnvloeden de waarden van de koeltijd en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt in de vorige cyclus. Uit figuur 2b blijkt dat de SMA-draad na een koelperiode van 15 seconden de kamertemperatuur niet bereikte en daarom een hogere begintemperatuur had (40 °C) in de tweede aandrijfcyclus vergeleken met de eerste cyclus (25 °C). Vergeleken met de eerste cyclus bereikt de temperatuur van de SMA-draad tijdens de tweede verwarmingscyclus de initiële austeniettemperatuur (\(A_s\)) eerder en blijft deze langer in de overgangsperiode, wat resulteert in spanning en kracht. Aan de andere kant vertonen de temperatuurverdelingen tijdens de verwarmings- en afkoelingscycli, verkregen uit experimenten en simulaties, een hoge kwalitatieve gelijkenis met voorbeelden uit thermografische analyse. Vergelijkende analyse van de thermische gegevens van de SMA-draad uit experimenten en simulaties toonde consistentie tijdens de verwarmings- en afkoelingscycli en binnen aanvaardbare toleranties voor experimentele gegevens. De maximale temperatuur van de SMA-draad, verkregen uit de resultaten van de simulatie en experimenten van de eerste cyclus, is respectievelijk \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) en \(75\,^{\circ }\hbox { C }\), en in de tweede cyclus is de maximale temperatuur van de SMA-draad \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) en \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Het fundamenteel ontwikkelde model bevestigt het effect van het vormgeheugeneffect. De rol van vermoeidheid en oververhitting is in dit onderzoek niet meegenomen. In de toekomst zal het model worden verbeterd om de spanningsgeschiedenis van de SMA-draad te omvatten, waardoor het beter geschikt wordt voor technische toepassingen. De grafieken van de aandrijfkracht en de SMA-temperatuur die zijn verkregen met het Simulink-blok vallen binnen de toelaatbare toleranties van de experimentele gegevens bij een ingangsspanningspuls van 7 V. Dit bevestigt de correctheid en betrouwbaarheid van het ontwikkelde wiskundige model.
Het wiskundige model is ontwikkeld in de MathWorks Simulink R2020b-omgeving met behulp van de basisvergelijkingen die in de sectie Methoden worden beschreven. Figuur 3b toont een blokschema van het Simulink-wiskundige model. Het model is gesimuleerd voor een ingangsspanningspuls van 7V, zoals weergegeven in figuur 2a en 2b. De waarden van de parameters die in de simulatie zijn gebruikt, staan vermeld in tabel 1. De resultaten van de simulatie van transiënte processen worden gepresenteerd in figuren 1 en 1, figuren 3a en 4. Figuur 4a en 4b tonen de geïnduceerde spanning in de SMA-draad en de door de actuator gegenereerde kracht als functie van de tijd. Tijdens de omgekeerde transformatie (verwarming), wanneer de temperatuur van de SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (starttemperatuur van de spanningsgemodificeerde austenietfase), nul is, zal de veranderingssnelheid van het martensietvolumeaandeel (\(\dot{\xi }\)) nul zijn. Tijdens de omgekeerde transformatie (verwarming), wanneer de temperatuur van de SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (starttemperatuur van de spanningsgemodificeerde austenietfase), nul is, zal de veranderingssnelheid van het martensietvolumeaandeel (\(\dot{\ xi }\)) nul zijn. Als u de SMA-functie gebruikt, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, (\(\dot{\ xi }\)) Dit is het geval. Tijdens de omgekeerde transformatie (verwarming), wanneer de temperatuur van de SMA-draad, \(T < A_s^{\prime}\) (spanningsgemodificeerde austeniet-aanvangstemperatuur), nul zal zijn, zal de veranderingssnelheid van de martensietvolumefractie (\(\dot{\ xi }\ )) nul zijn.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) Simulatieresultaat dat de temperatuurverdeling en de door spanning geïnduceerde junctietemperatuur in een op SMA gebaseerde divaleraatactuator weergeeft. Wanneer de draadtemperatuur de austenietovergangstemperatuur overschrijdt tijdens de verwarmingsfase, begint de gemodificeerde austenietovergangstemperatuur te stijgen. Op dezelfde manier daalt de martensitische overgangstemperatuur wanneer de draadtemperatuur de martensitische overgangstemperatuur overschrijdt tijdens de afkoelingsfase. SMA voor analytische modellering van het actuatieproces. (Voor een gedetailleerd overzicht van elk subsysteem van een Simulink-model, zie de bijlage in het aanvullende bestand.)
De resultaten van de analyse voor verschillende parameterverdelingen worden weergegeven voor twee cycli van de 7V-ingangsspanning (opwarmcycli van 10 seconden en afkoelcycli van 15 seconden). Terwijl (ac) en (e) de verdeling in de tijd weergeven, illustreren (d) en (f) de verdeling met de temperatuur. Voor de respectievelijke ingangscondities is de maximaal waargenomen spanning 106 MPa (minder dan 345 MPa, vloeigrens van de draad), de kracht 150 N, de maximale verplaatsing 270 µm en de minimale martensitische volumefractie 0,91. De verandering in spanning en de verandering in de volumefractie van martensiet met de temperatuur vertonen daarentegen hysterese-eigenschappen.
Dezelfde verklaring geldt voor de directe transformatie (afkoeling) van de austenietfase naar de martensietfase, waarbij de temperatuur van de SMA-draad (T) en de eindtemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_f^{\prime}\ )) uitstekend zijn. Figuur 4d en 4f tonen de verandering in de geïnduceerde spanning (\(\sigma\)) en het volumeaandeel martensiet (\(\xi\)) in de SMA-draad als functie van de temperatuurverandering van de SMA-draad (T), voor beide aandrijfcycli. Figuur 3a toont de verandering in de temperatuur van de SMA-draad in de tijd, afhankelijk van de ingangsspanningspuls. Zoals in de figuur te zien is, blijft de temperatuur van de draad stijgen door een warmtebron met nulspanning en daaropvolgende convectieve afkoeling. Tijdens het opwarmen begint de omzetting van martensiet naar de austenietfase wanneer de temperatuur van de SMA-draad (T) de spanningsgecorrigeerde kiemvormingstemperatuur van austeniet (\(A_s^{\prime}\)) overschrijdt. Gedurende deze fase wordt de SMA-draad samengedrukt en genereert de actuator kracht. Ook tijdens het afkoelen, wanneer de temperatuur van de SMA-draad (T) de kiemvormingstemperatuur van de spanningsgemodificeerde martensietfase (\(M_s^{\prime}\)) overschrijdt, vindt er een positieve overgang plaats van de austenietfase naar de martensietfase. De aandrijfkracht neemt dan af.
De belangrijkste kwalitatieve aspecten van de bimodale aandrijving op basis van SMA kunnen worden afgeleid uit de simulatieresultaten. Bij een ingangsspanningspuls stijgt de temperatuur van de SMA-draad als gevolg van het Joule-effect. De initiële waarde van de martensietvolumefractie (\(\xi\)) is ingesteld op 1, aangezien het materiaal zich aanvankelijk in een volledig martensitische fase bevindt. Naarmate de draad verder opwarmt, overschrijdt de temperatuur van de SMA-draad de voor spanning gecorrigeerde austenietkiemvormingstemperatuur \(A_s^{\prime}\), wat resulteert in een afname van de martensietvolumefractie, zoals weergegeven in figuur 4c. Figuur 4e toont de verdeling van de slagen van de actuator in de tijd, en figuur 5 de aandrijfkracht als functie van de tijd. Een gerelateerd stelsel van vergelijkingen omvat temperatuur, martensietvolumefractie en de spanning die zich in de draad ontwikkelt, wat resulteert in krimp van de SMA-draad en de door de actuator gegenereerde kracht. Zoals weergegeven in figuur 4c, 4d,f, de spanningsvariatie met de temperatuur en de variatie van het martensietvolumepercentage met de temperatuur komen overeen met de hysterese-eigenschappen van de SMA in het gesimuleerde geval bij 7 V.
Vergelijking van de aandrijfparameters werd verkregen door middel van experimenten en analytische berekeningen. De draden werden gedurende 10 seconden blootgesteld aan een gepulseerde ingangsspanning van 7 V, waarna ze gedurende 15 seconden werden afgekoeld (koelfase), in twee cycli. De pinnatiehoek werd ingesteld op 40° en de initiële lengte van de SMA-draad in elk afzonderlijk pinnetje werd ingesteld op 83 mm. (a) Meting van de aandrijfkracht met een krachtsensor. (b) Monitoring van de draadtemperatuur met een thermische infraroodcamera.
Om de invloed van fysieke parameters op de door de aandrijving geproduceerde kracht te begrijpen, werd een gevoeligheidsanalyse van het wiskundige model voor de geselecteerde fysieke parameters uitgevoerd, waarbij de parameters werden gerangschikt op basis van hun invloed. Eerst werden de modelparameters geselecteerd volgens de principes van experimenteel ontwerp, waarbij een uniforme verdeling werd gevolgd (zie Aanvullende sectie over gevoeligheidsanalyse). In dit geval omvatten de modelparameters de ingangsspanning (\(V_{in}\)), de initiële lengte van de SMA-draad (\(l_0\)), de driehoekshoek (\(\alpha\)), de voorspanningsveerconstante (\( K_x\ )), de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (\(h_T\)) en het aantal unimodale takken (n). Vervolgens werd de piekspierkracht gekozen als een vereiste voor het onderzoeksontwerp en werden de parametrische effecten van elke set variabelen op de kracht bepaald. De tornado-plots voor de gevoeligheidsanalyse werden afgeleid van de correlatiecoëfficiënten voor elke parameter, zoals weergegeven in Fig. 6a.
(a) De correlatiecoëfficiëntwaarden van de modelparameters en hun effect op de maximale uitgangskracht van 2500 unieke groepen van de bovengenoemde modelparameters worden weergegeven in de tornadografiek. De grafiek toont de rangcorrelatie van verschillende indicatoren. Het is duidelijk dat \(V_{in}\) de enige parameter is met een positieve correlatie, en \(l_0\) de parameter met de hoogste negatieve correlatie. Het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties op de piekspierkracht wordt weergegeven in (b, c). \(K_x\) varieert van 400 tot 800 N/m en n varieert van 4 tot 24. De spanning (\(V_{in}\)) werd gevarieerd van 4V tot 10V, de draadlengte (\(l_{0}\)) varieerde van 40 tot 100 mm, en de staarthoek (\(\alpha\)) varieerde van \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Figuur 6a toont een tornadodiagram van verschillende correlatiecoëfficiënten voor elke parameter met de ontwerpeisen voor de piek aandrijfkracht. Uit figuur 6a blijkt dat de spanningsparameter (\(V_{in}\)) rechtstreeks verband houdt met de maximale uitgangskracht, en dat de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (\(h_T\)), de vlamhoek (\ ( \alpha\)) en de verplaatsingsveerconstante ( \(K_x\)) negatief gecorreleerd zijn met de uitgangskracht. De initiële lengte (\(l_0\)) van de SMA-draad en het aantal unimodale takken (n) vertonen een sterke inverse correlatie. In het geval van een directe correlatie geeft een hogere waarde van de spanningscorrelatiecoëfficiënt (\(V_{in}\)) aan dat deze parameter de grootste invloed heeft op het vermogen. Een andere soortgelijke analyse meet de piekkracht door het effect van verschillende parameters in verschillende combinaties van de twee rekenruimtes te evalueren, zoals weergegeven in figuur 6b en 6c. \(V_{in}\) en \(l_0\), \(\alpha\) en \(l_0\) vertonen vergelijkbare patronen, en de grafiek laat zien dat \(V_{in}\) en \(\alpha\) en \(\alpha\) vergelijkbare patronen hebben. Kleinere waarden van \(l_0\) resulteren in hogere piekbelastingen. De andere twee grafieken komen overeen met figuur 6a, waar n en \(K_x\) negatief gecorreleerd zijn en \(V_{in}\) positief gecorreleerd is. Deze analyse helpt bij het definiëren en aanpassen van de beïnvloedende parameters waarmee de uitgangskracht, slag en efficiëntie van het aandrijfsysteem kunnen worden afgestemd op de eisen en toepassing.
Huidig onderzoek introduceert en onderzoekt hiërarchische aandrijvingen met N niveaus. In een hiërarchie met twee niveaus, zoals weergegeven in figuur 7a, wordt in plaats van elke SMA-draad van de actuator van het eerste niveau een bimodale opstelling gerealiseerd, zoals weergegeven in figuur 9e. Figuur 7c toont hoe de SMA-draad om een beweegbare arm (hulparm) is gewikkeld die alleen in de lengterichting beweegt. De primaire beweegbare arm blijft echter op dezelfde manier bewegen als de beweegbare arm van de eerste trap van de meertraps actuator. Een N-traps aandrijving wordt doorgaans gecreëerd door de SMA-draad van de (N-1) trap te vervangen door een aandrijving van de eerste trap. Hierdoor imiteert elke tak de aandrijving van de eerste trap, met uitzondering van de tak die de draad zelf vasthoudt. Op deze manier kunnen geneste structuren worden gevormd die krachten genereren die vele malen groter zijn dan de krachten van de primaire aandrijvingen. In deze studie werd voor elk niveau rekening gehouden met een totale effectieve SMA-draadlengte van 1 m, zoals weergegeven in tabelvorm in figuur 7d. De stroom door elke draad in elk unimodaal ontwerp en de resulterende voorspanning en spanning in elk SMA-draadsegment zijn op elk niveau gelijk. Volgens ons analytische model is de uitgangskracht positief gecorreleerd met het niveau, terwijl de verplaatsing negatief gecorreleerd is. Tegelijkertijd was er een afweging tussen verplaatsing en spierkracht. Zoals te zien in figuur 7b, wordt de maximale kracht bereikt in het grootste aantal lagen, terwijl de grootste verplaatsing wordt waargenomen in de onderste laag. Toen het hiërarchieniveau werd ingesteld op \(N=5\), werd een piekspierkracht van 2,58 kN gevonden bij 2 waargenomen slagen van \(\upmu\)m. Aan de andere kant genereert de aandrijving in de eerste fase een kracht van 150 N bij een slag van 277 \(\upmu\)m. Actuatoren met meerdere niveaus kunnen echte biologische spieren nabootsen, terwijl kunstmatige spieren op basis van vormgeheugenlegeringen aanzienlijk hogere krachten kunnen genereren met preciezere en fijnere bewegingen. De beperkingen van dit geminiaturiseerde ontwerp zijn dat naarmate de hiërarchie toeneemt, de beweging sterk afneemt en de complexiteit van het productieproces van de aandrijving toeneemt.
(a) Een tweetraps (\(N=2\)) gelaagd lineair actuatorsysteem van vormgeheugenlegering wordt getoond in een bimodale configuratie. Het voorgestelde model wordt verkregen door de SMA-draad in de eerste gelaagde actuator te vervangen door een andere gelaagde actuator met één trap. (c) Vervormde configuratie van de meerlaagse actuator van de tweede trap. (b) De verdeling van krachten en verplaatsingen afhankelijk van het aantal niveaus wordt beschreven. Er is vastgesteld dat de piekkracht van de actuator positief gecorreleerd is met het schaalniveau in de grafiek, terwijl de slag negatief gecorreleerd is met het schaalniveau. De stroom en voorspanning in elke draad blijven constant op alle niveaus. (d) De tabel toont het aantal aftakkingen en de lengte van de SMA-draad (vezel) op elk niveau. De kenmerken van de draden worden aangegeven met index 1, en het aantal secundaire takken (één verbonden met de primaire tak) wordt aangegeven met het grootste getal in de subscript. Op niveau 5 verwijst \(n_1\) bijvoorbeeld naar het aantal SMA-draden in elke bimodale structuur, en \(n_5\) naar het aantal hulppoten (één die is verbonden met de hoofdpoot).
Verschillende onderzoekers hebben diverse methoden voorgesteld om het gedrag van SMA's met vormgeheugen te modelleren. Deze methoden zijn gebaseerd op de thermomechanische eigenschappen die gepaard gaan met de macroscopische veranderingen in de kristalstructuur die samenhangen met de faseovergang. De formulering van constitutieve methoden is inherent complex. Het meest gebruikte fenomenologische model is dat van Tanaka28 en wordt veelvuldig toegepast in technische toepassingen. Het door Tanaka voorgestelde fenomenologische model [28] gaat ervan uit dat de volumefractie van martensiet een exponentiële functie is van temperatuur en spanning. Later stelden Liang en Rogers29 en Brinson30 een model voor waarin de dynamiek van de faseovergang werd verondersteld een cosinusfunctie te zijn van spanning en temperatuur, met enkele kleine aanpassingen aan het model. Becker en Brinson stelden een op fasediagrammen gebaseerd kinetisch model voor om het gedrag van SMA-materialen te modelleren onder willekeurige belastingsomstandigheden en gedeeltelijke overgangen. Banerjee32 gebruikt de fasediagramdynamiekmethode van Becker en Brinson31 om een manipulator met één vrijheidsgraad te simuleren, ontwikkeld door Elahinia en Ahmadian33. Kinetische methoden gebaseerd op fasediagrammen, die rekening houden met de niet-monotone verandering van spanning met de temperatuur, zijn moeilijk te implementeren in technische toepassingen. Elakhinia en Ahmadian vestigen de aandacht op deze tekortkomingen van bestaande fenomenologische modellen en stellen een uitgebreid fenomenologisch model voor om vormgeheugengedrag onder complexe belastingsomstandigheden te analyseren en te definiëren.
Het structurele model van SMA-draad geeft de spanning (\(\sigma\)), rek (\(\epsilon\)), temperatuur (T) en martensietvolumefractie (\(\xi\)) van de SMA-draad weer. Het fenomenologische constitutieve model werd voor het eerst voorgesteld door Tanaka28 en later overgenomen door Liang29 en Brinson30. De afgeleide van de vergelijking heeft de volgende vorm:
waarbij E de faseafhankelijke Young-modulus van het SMA is, verkregen met behulp van \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) en \(E_A\) en \(E_M\) de Young-modulus van respectievelijk de austenitische en martensitische fasen vertegenwoordigen, en de thermische uitzettingscoëfficiënt wordt weergegeven door \(\theta _T\). De bijdragefactor van de faseovergang is \(\Omega = -E \epsilon _L\) en \(\epsilon _L\) is de maximaal herstelbare rek in de SMA-draad.
De fase-dynamicavergelijking komt overeen met de cosinusfunctie die door Liang29 is ontwikkeld en later door Brinson30 is overgenomen in plaats van de exponentiële functie die door Tanaka28 is voorgesteld. Het faseovergangsmodel is een uitbreiding van het model dat door Elakhinia en Ahmadian34 is voorgesteld en aangepast op basis van de faseovergangsvoorwaarden die door Liang29 en Brinson30 zijn gegeven. De voorwaarden die voor dit faseovergangsmodel worden gebruikt, zijn geldig onder complexe thermomechanische belastingen. Op elk moment wordt de waarde van de volumefractie van martensiet berekend bij het modelleren van de constitutieve vergelijking.
De bepalende omzettingsvergelijking, die de transformatie van martensiet naar austeniet onder verhittingsomstandigheden weergeeft, is als volgt:
waarbij \(\xi\) de volumefractie van martensiet is, \(\xi _M\) de volumefractie van martensiet is die vóór verhitting is verkregen, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) en \(C_A\) – curve-benaderingsparameters, T – temperatuur van de SMA-draad, \(A_s\) en \(A_f\) – respectievelijk de begin- en eindtemperatuur van de austenietfase.
De directe transformatiecontrolevergelijking, die de faseovergang van austeniet naar martensiet onder afkoelingsomstandigheden weergeeft, is:
waarbij \(\xi _A\) de volumefractie van martensiet is die vóór afkoeling is verkregen, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) en \ ( C_M \) – curve-aanpassingsparameters, T – temperatuur van de SMA-draad, \(M_s\) en \(M_f\) – respectievelijk de begin- en eindtemperatuur van het martensiet.
Na differentiatie van vergelijkingen (3) en (4) worden de inverse en directe transformatievergelijkingen vereenvoudigd tot de volgende vorm:
Tijdens de voorwaartse en achterwaartse transformatie nemen \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) verschillende waarden aan. De basisvergelijkingen die bij \(\eta _{\sigma}\) en \(\eta _{T}\) horen, zijn afgeleid en worden in een aparte sectie gedetailleerd besproken.
De thermische energie die nodig is om de temperatuur van de SMA-draad te verhogen, komt van het Joule-effect. De thermische energie die door de SMA-draad wordt geabsorbeerd of afgegeven, wordt weergegeven door de latente transformatiewarmte. Het warmteverlies in de SMA-draad is te wijten aan geforceerde convectie, en aangezien het effect van straling verwaarloosbaar is, is de warmte-energiebalansvergelijking als volgt:
Waarbij \(m_{wire}\) de totale massa van de SMA-draad is, \(c_{p}\) de soortelijke warmtecapaciteit van de SMA, \(V_{in}\) de spanning die op de draad wordt aangelegd, \(R_{ohm}\) de faseafhankelijke weerstand van de SMA, gedefinieerd als; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) waarbij \(r_M\ ) en \(r_A\) respectievelijk de soortelijke weerstand van de SMA-fase in martensiet en austeniet zijn, \(A_{c}\) het oppervlak van de SMA-draad is, \(\Delta H\) de latente warmte van de overgang van de draad is, T en \(T_{\infty}\) respectievelijk de temperatuur van de SMA-draad en de omgeving zijn.
Wanneer een draad van een vormgeheugenlegering wordt geactiveerd, comprimeert de draad, waardoor in elke tak van het bimodale ontwerp een kracht ontstaat die vezelkracht wordt genoemd. De krachten van de vezels in elke streng van de SMA-draad vormen samen de spierkracht die nodig is voor de activering, zoals weergegeven in figuur 9e. Door de aanwezigheid van een voorspanningsveer is de totale spierkracht van de N-de meerlaagse actuator:
Door \(N = 1\) in vergelijking (7) te substitueren, kan de spierkracht van het eerste bimodale aandrijfprototype als volgt worden verkregen:
waarbij n het aantal unimodale poten is, \(F_m\) de spierkracht is die door de aandrijving wordt gegenereerd, \(F_f\) de vezelsterkte in de SMA-draad is, \(K_x\) de voorspanningsstijfheid van de veer is, \(\alpha\) de hoek van de driehoek is, \(x_0\) de initiële offset van de voorspanningsveer is om de SMA-kabel in de voorgespannen positie te houden, en \(\Delta x\) de slag van de actuator is.
De totale verplaatsing of beweging van de aandrijving (\(\Delta x\)), afhankelijk van de spanning (\(\sigma\)) en de rek (\(\epsilon\)) op de SMA-draad van de N-de trap, wordt ingesteld op (zie figuur, aanvullend deel van de uitvoer):
De kinematische vergelijkingen geven de relatie weer tussen aandrijfvervorming (\(\epsilon\)) en verplaatsing (\(\Delta x\)). De vervorming van de Arb-draad als functie van de initiële lengte van de Arb-draad (\(l_0\)) en de draadlengte (l) op elk tijdstip t in één unimodale tak is als volgt:
waarbij \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) wordt verkregen door de cosinusformule toe te passen in \(\Delta\)ABB ', zoals weergegeven in Figuur 8. Voor de eerste trap aandrijving (\(N = 1\)) is \(\Delta x_1\) gelijk aan \(\Delta x\), en \(\alpha _1\) gelijk aan \(\alpha \), zoals weergegeven in Figuur 8. Door de tijd uit vergelijking (11) te differentiëren en de waarde van l te substitueren, kan de reksnelheid als volgt worden geschreven:
waarbij \(l_0\) de initiële lengte van de SMA-draad is, l de lengte van de draad op elk tijdstip t in een unimodale tak, \(\epsilon\) de vervorming die in de SMA-draad optreedt, en \(\alpha\) de hoek van de driehoek, \(\Delta x\) de aandrijfoffset (zoals weergegeven in Figuur 8).
Alle n structuren met één piek (\(n=6\) in deze figuur) zijn in serie geschakeld met \(V_{in}\) als ingangsspanning. Fase I: Schematisch diagram van de SMA-draad in een bimodale configuratie onder nulspanningsomstandigheden. Fase II: Een gecontroleerde structuur wordt weergegeven waarbij de SMA-draad wordt samengedrukt als gevolg van inverse conversie, zoals aangegeven door de rode lijn.
Als proof of concept werd een bimodale aandrijving op basis van SMA ontwikkeld om de gesimuleerde afleiding van de onderliggende vergelijkingen te testen met experimentele resultaten. Het CAD-model van de bimodale lineaire actuator is weergegeven in figuur 9a. Figuur 9c toont daarentegen een nieuw ontwerp voor een roterende prismatische verbinding met behulp van een tweevlaks actuator op basis van SMA met een bimodale structuur. De aandrijfcomponenten werden vervaardigd met behulp van additive manufacturing op een Ultimaker 3 Extended 3D-printer. Het materiaal dat werd gebruikt voor het 3D-printen van de componenten is polycarbonaat, dat geschikt is voor hittebestendige materialen omdat het sterk, duurzaam is en een hoge glasovergangstemperatuur heeft (110-113 °C). Daarnaast werd in de experimenten Flexinol-draad van Dynalloy, Inc. gebruikt, en de materiaaleigenschappen die overeenkomen met de Flexinol-draad werden in de simulaties gebruikt. Meerdere SMA-draden zijn gerangschikt als vezels in een bimodale spierstructuur om de hoge krachten te verkrijgen die worden geproduceerd door meerlaagse actuatoren, zoals weergegeven in figuur 9b en 9d.
Zoals weergegeven in figuur 9a, wordt de scherpe hoek die de beweegbare arm van de SMA-draad vormt, de hoek (\(\alpha\)) genoemd. Met behulp van klemmen aan de linker- en rechterklemmen wordt de SMA-draad in de gewenste bimodale hoek gehouden. Het voorspanningsmechanisme op de veerconnector is ontworpen om de verschillende groepen voorspanningsveren aan te passen aan het aantal (n) SMA-vezels. Bovendien is de positie van de bewegende delen zo ontworpen dat de SMA-draad wordt blootgesteld aan de externe omgeving voor geforceerde convectiekoeling. De boven- en onderplaten van de afneembare constructie dragen bij aan de koeling van de SMA-draad door middel van geëxtrudeerde uitsparingen die zijn ontworpen om het gewicht te verminderen. Daarnaast zijn beide uiteinden van de SMA-draad respectievelijk aan de linker- en rechterklemmen bevestigd door middel van een krimpklem. Aan één uiteinde van de beweegbare constructie is een plunjer bevestigd om speling tussen de boven- en onderplaten te behouden. De plunjer wordt ook gebruikt om via een contact een blokkeerkracht op de sensor uit te oefenen om de blokkeerkracht te meten wanneer de SMA-draad wordt bewogen.
De bimodale spierstructuur van SMA is elektrisch in serie geschakeld en wordt gevoed door een ingangspulsspanning. Tijdens de spanningspulscyclus, wanneer spanning wordt aangelegd en de SMA-draad boven de initiële temperatuur van het austeniet wordt verwarmd, wordt de lengte van de draad in elke streng verkort. Deze terugtrekking activeert de beweegbare arm-subeenheid. Wanneer de spanning in dezelfde cyclus op nul wordt gezet, koelt de verwarmde SMA-draad af tot onder de temperatuur van het martensietoppervlak, waardoor deze terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie. Onder spanningsvrije omstandigheden wordt de SMA-draad eerst passief uitgerekt door een voorspanningsveer om de ontgetwijnde martensitische toestand te bereiken. De schroef, waar de SMA-draad doorheen loopt, beweegt door de compressie die ontstaat door het aanleggen van een spanningspuls op de SMA-draad (SPA bereikt de austenietfase), wat leidt tot de activering van de beweegbare hefboom. Wanneer de SMA-draad wordt teruggetrokken, creëert de voorspanningsveer een tegenkracht door de veer verder uit te rekken. Wanneer de spanning in de impulsspanning nul wordt, rekt de SMA-draad uit en verandert van vorm door geforceerde convectiekoeling, waardoor een dubbele martensitische fase wordt bereikt.
Het voorgestelde lineaire actuatorsysteem op basis van SMA heeft een bimodale configuratie waarbij de SMA-draden onder een hoek staan. (a) toont een CAD-model van het prototype, met vermelding van enkele componenten en hun betekenis voor het prototype. (b, d) representeren het ontwikkelde experimentele prototype35. (b) toont een bovenaanzicht van het prototype met elektrische aansluitingen, voorspanningsveren en rekstrookjes, terwijl (d) een perspectiefweergave van de opstelling toont. (e) Diagram van een lineair actuatiesysteem met bimodale SMA-draden op elk willekeurig tijdstip t, met weergave van de richting en het verloop van de vezel en de spierkracht. (c) Er is een roterende prismatische verbinding met 2 vrijheidsgraden voorgesteld voor het inzetten van een actuator op basis van SMA met twee vlakken. Zoals weergegeven, brengt de verbinding lineaire beweging over van de onderste aandrijving naar de bovenste arm, waardoor een roterende verbinding ontstaat. De beweging van het paar prisma's is gelijk aan de beweging van de meerlaagse eerste trap aandrijving.
Er werd een experimentele studie uitgevoerd met het prototype dat in figuur 9b wordt getoond om de prestaties van een bimodale aandrijving op basis van SMA te evalueren. Zoals weergegeven in figuur 10a, bestond de experimentele opstelling uit een programmeerbare DC-voeding om de ingangsspanning aan de SMA-draden te leveren. Zoals weergegeven in figuur 10b, werd een piëzo-elektrische rekstrook (PACEline CFT/5kN) gebruikt om de blokkeerkracht te meten met behulp van een Graphtec GL-2000 datalogger. De gegevens worden door de host vastgelegd voor verder onderzoek. Rekstroken en ladingsversterkers vereisen een constante voeding om een spanningssignaal te genereren. De corresponderende signalen worden omgezet in vermogensuitgangen op basis van de gevoeligheid van de piëzo-elektrische krachtsensor en andere parameters zoals beschreven in tabel 2. Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, stijgt de temperatuur van de SMA-draad, waardoor de SMA-draad samengedrukt wordt en de actuator kracht genereert. De experimentele resultaten van de spierkrachtoutput bij een ingangsspanningspuls van 7 V worden weergegeven in figuur 2a.
(a) In het experiment werd een lineair actuatorsysteem op basis van SMA-draad opgezet om de door de actuator gegenereerde kracht te meten. De krachtsensor meet de blokkeerkracht en wordt gevoed door een 24 V DC-voeding. Over de gehele lengte van de kabel werd een spanningsval van 7 V aangelegd met behulp van een programmeerbare GW Instek DC-voeding. De SMA-draad krimpt door de warmte, waardoor de beweegbare arm contact maakt met de krachtsensor en een blokkeerkracht uitoefent. De krachtsensor is verbonden met de GL-2000 datalogger en de gegevens worden op de host opgeslagen voor verdere verwerking. (b) Diagram dat de keten van componenten van de experimentele opstelling voor het meten van spierkracht weergeeft.
Vormgeheugenlegeringen worden geactiveerd door thermische energie, waardoor temperatuur een belangrijke parameter wordt voor het bestuderen van het vormgeheugenfenomeen. Experimenteel werden, zoals weergegeven in figuur 11a, thermische beeldvorming en temperatuurmetingen uitgevoerd op een prototype van een divaleraatactuator op basis van vormgeheugenlegeringen. Een programmeerbare gelijkstroombron leverde een ingangsspanning aan de SMA-draden in de experimentele opstelling, zoals weergegeven in figuur 11b. De temperatuurverandering van de SMA-draad werd in realtime gemeten met behulp van een hogeresolutie LWIR-camera (FLIR A655sc). De host gebruikt de ResearchIR-software om gegevens vast te leggen voor verdere nabewerking. Wanneer een spanningspuls wordt toegepast, stijgt de temperatuur van de SMA-draad, waardoor de SMA-draad krimpt. Figuur 2b toont de experimentele resultaten van de temperatuur van de SMA-draad versus tijd voor een ingangsspanningspuls van 7 V.
Geplaatst op: 28 september 2022
