Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Aktüatörler her yerde kullanılır ve imalat ve endüstriyel otomasyonda çeşitli işlemleri gerçekleştirmek için doğru uyarıcı kuvveti veya torku uygulayarak kontrollü hareket yaratırlar. Daha hızlı, daha küçük ve daha verimli tahrik sistemlerine duyulan ihtiyaç, tahrik sistemi tasarımında yeniliği tetikliyor. Şekil Hafızalı Alaşım (SMA) tahrik sistemleri, yüksek güç-ağırlık oranı da dahil olmak üzere geleneksel tahrik sistemlerine göre bir dizi avantaj sunmaktadır. Bu tezde, biyolojik sistemlerin tüylü kaslarının avantajlarını ve SMA'ların benzersiz özelliklerini birleştiren iki tüylü SMA tabanlı bir aktüatör geliştirilmiştir. Bu çalışma, bimodal SMA tel düzenlemesine dayalı yeni aktüatörün matematiksel bir modelini geliştirerek ve deneysel olarak test ederek önceki SMA aktüatörlerini araştırıp genişletmektedir. SMA tabanlı bilinen tahrik sistemlerine kıyasla, yeni tahrik sisteminin tahrik kuvveti en az 5 kat daha yüksektir (150 N'ye kadar). Buna karşılık gelen ağırlık kaybı yaklaşık %67'dir. Matematiksel modellerin duyarlılık analizinin sonuçları, tasarım parametrelerini ayarlamak ve temel parametreleri anlamak için faydalıdır. Bu çalışma ayrıca, dinamikleri daha da geliştirmek için kullanılabilecek çok seviyeli N. kademeli bir tahrik sistemi sunmaktadır. SMA bazlı dipvalerat kas aktüatörleri, bina otomasyonundan hassas ilaç dağıtım sistemlerine kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Memelilerin kas yapıları gibi biyolojik sistemler, birçok ince aktüatörü harekete geçirebilir¹. Memelilerin her biri belirli bir amaca hizmet eden farklı kas yapıları vardır. Bununla birlikte, memeli kas dokusunun yapısının büyük bir kısmı iki geniş kategoriye ayrılabilir: Paralel ve tüysü. Diz arkası kaslarında ve diğer fleksörlerde, adından da anlaşılacağı gibi, paralel kas yapısında kas lifleri merkezi tendona paraleldir. Kas lifi zinciri, etrafındaki bağ dokusu ile sıralanır ve fonksiyonel olarak bağlanır. Bu kasların büyük bir hareket açıklığına (yüzde kısalma) sahip olduğu söylense de, genel kas güçleri çok sınırlıdır. Buna karşılık, triseps baldır kasında² (lateral gastroknemius (GL)³, medial gastroknemius (GM)⁴ ve soleus (SOL)) ve ekstansör femoris (kuadriseps)⁵,⁶ her kasta tüysü kas dokusu bulunur⁷. Tüysü yapıda, çift tüylü kaslardaki kas lifleri, merkezi tendonun her iki tarafında eğik açılarla (tüysü açılar) bulunur. Tüysü kelimesi, Latince "penna" kelimesinden gelir ve "kalem" anlamına gelir; Şekil 1'de gösterildiği gibi tüy benzeri bir görünüme sahiptir. Tüysü kasların lifleri daha kısadır ve kasın uzunlamasına eksenine açılıdır. Tüysü yapı nedeniyle, bu kasların genel hareketliliği azalır, bu da kısalma sürecinin enine ve boyuna bileşenlerine yol açar. Öte yandan, bu kasların aktivasyonu, fizyolojik kesit alanının ölçülme şekli nedeniyle daha yüksek genel kas gücüne yol açar. Bu nedenle, belirli bir kesit alanı için, tüysü kaslar paralel lifli kaslardan daha güçlü olacak ve daha yüksek kuvvetler üretecektir. Bireysel lifler tarafından üretilen kuvvetler, o kas dokusunda makroskobik düzeyde kas kuvvetleri oluşturur. Ayrıca, hızlı büzülme, gerilme hasarına karşı koruma, yastıklama gibi benzersiz özelliklere sahiptir. Kas hareket çizgileriyle ilişkili lif diziliminin benzersiz özelliklerini ve geometrik karmaşıklığını kullanarak, lif girdisi ile kas güç çıktısı arasındaki ilişkiyi dönüştürür.
Burada, örneğin (a), SMA telleriyle hareket ettirilen el şeklinde bir cihazın iki tekerlekli otonom mobil robota monte edildiği dokunsal kuvvetin etkileşimini temsil eden, bimodal kas mimarisine ilişkin mevcut SMA tabanlı aktüatör tasarımlarının şematik diyagramları gösterilmektedir9,10, (b) Antagonist olarak yerleştirilmiş SMA yaylı orbital protezli robotik orbital protez. Protez gözün pozisyonu, gözün oküler kasından gelen bir sinyalle kontrol edilir11, (c) SMA aktüatörleri, yüksek frekans tepkisi ve düşük bant genişliği nedeniyle su altı uygulamaları için idealdir. Bu konfigürasyonda, (d) SMA aktüatörleri, balık hareketini simüle ederek dalga hareketi oluşturmak için kullanılır, (e) SMA tellerinin 10 numaralı kanal içindeki hareketiyle kontrol edilen, solucan hareketi prensibini kullanabilen bir mikro boru inceleme robotu oluşturmak için SMA aktüatörleri kullanılır, (f) gastroknemius dokusunda kas liflerinin kasılma yönünü ve kasılma kuvveti oluşturmayı gösterir, (f) pennat kas yapısında kas lifleri şeklinde düzenlenmiş SMA tellerini gösterir.
Aktüatörler, geniş uygulama alanları nedeniyle mekanik sistemlerin önemli bir parçası haline gelmiştir. Bu nedenle, daha küçük, daha hızlı ve daha verimli tahrik sistemlerine olan ihtiyaç kritik hale gelmektedir. Avantajlarına rağmen, geleneksel tahrik sistemlerinin bakımı pahalı ve zaman alıcıdır. Hidrolik ve pnömatik aktüatörler karmaşık ve pahalıdır ve aşınma, yağlama sorunları ve bileşen arızalarına maruz kalırlar. Talebe yanıt olarak, akıllı malzemelere dayalı, maliyet etkin, boyut optimizasyonlu ve gelişmiş aktüatörler geliştirmeye odaklanılmaktadır. Devam eden araştırmalar, bu ihtiyacı karşılamak için şekil hafızalı alaşım (SMA) katmanlı aktüatörleri incelemektedir. Hiyerarşik aktüatörler, artırılmış ve genişletilmiş işlevsellik sağlamak için birçok ayrı aktüatörü geometrik olarak karmaşık makro ölçekli alt sistemlerde birleştirmeleri bakımından benzersizdir. Bu bağlamda, yukarıda açıklanan insan kas dokusu, bu tür çok katmanlı aktüasyonun mükemmel bir çok katmanlı örneğini sunmaktadır. Mevcut çalışma, bimodal kaslarda bulunan lif yönelimlerine hizalanmış birkaç ayrı tahrik elemanına (SMA telleri) sahip çok seviyeli bir SMA tahrik sistemini tanımlamakta ve bu da genel tahrik performansını iyileştirmektedir.
Aktüatörün temel amacı, elektrik enerjisini mekanik güce dönüştürerek kuvvet ve yer değiştirme gibi mekanik güç çıkışı üretmektir. Şekil hafızalı alaşımlar (SMA'lar), yüksek sıcaklıklarda şekillerini geri kazanabilen bir "akıllı" malzeme sınıfıdır. Yüksek yükler altında, SMA telinin sıcaklığındaki artış, şekil geri kazanımına yol açarak, çeşitli doğrudan bağlı akıllı malzemelere kıyasla daha yüksek bir aktüasyon enerji yoğunluğu sağlar. Aynı zamanda, mekanik yükler altında SMA'lar kırılgan hale gelir. Belirli koşullar altında, döngüsel bir yük mekanik enerjiyi emebilir ve serbest bırakabilir, geri dönüşümlü histeretik şekil değişiklikleri sergileyebilir. Bu benzersiz özellikler, SMA'yı sensörler, titreşim sönümleme ve özellikle aktüatörler için ideal hale getirir¹². Bu bağlamda, SMA tabanlı tahrik sistemleri üzerine birçok araştırma yapılmıştır. SMA tabanlı aktüatörlerin çeşitli uygulamalar için öteleme ve dönme hareketi sağlamak üzere tasarlandığı belirtilmelidir¹³,¹⁴,¹⁵. Bazı döner aktüatörler geliştirilmiş olsa da, araştırmacılar özellikle doğrusal aktüatörlerle ilgilenmektedir. Bu doğrusal aktüatörler üç tip aktüatöre ayrılabilir: tek boyutlu, yer değiştirme ve diferansiyel aktüatörler¹⁶. Başlangıçta, hibrit tahrik sistemleri SMA ve diğer geleneksel tahrik sistemlerinin kombinasyonuyla oluşturulmuştur. SMA tabanlı hibrit doğrusal aktüatörlere bir örnek olarak, yaklaşık 100 N'luk bir çıkış kuvveti ve önemli bir yer değiştirme sağlamak için bir DC motorla birlikte bir SMA telinin kullanılması gösterilebilir.17
Tamamen SMA'ya dayalı tahrik sistemlerindeki ilk gelişmelerden biri SMA paralel tahrik sistemiydi. Birden fazla SMA teli kullanan SMA tabanlı paralel tahrik sistemi, tüm SMA18 tellerini paralel olarak yerleştirerek tahrik sisteminin güç kapasitesini artırmak için tasarlanmıştır. Aktüatörlerin paralel bağlantısı sadece daha fazla güç gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda tek bir telin çıkış gücünü de sınırlar. SMA tabanlı aktüatörlerin bir diğer dezavantajı ise elde edebilecekleri sınırlı hareket mesafesidir. Bu sorunu çözmek için, yer değiştirmeyi artırmak ve doğrusal hareketi sağlamak amacıyla bükülmüş esnek bir kiriş içeren bir SMA kablo kirişi oluşturuldu, ancak daha yüksek kuvvetler üretmedi19. Şekil hafızalı alaşımlara dayalı robotlar için yumuşak deforme olabilen yapılar ve kumaşlar, öncelikle darbe yükseltme için geliştirilmiştir20,21,22. Yüksek hızların gerekli olduğu uygulamalar için, mikro pompa tahrikli uygulamalar için ince film SMA'lar kullanan kompakt tahrikli pompalar rapor edilmiştir23. İnce film SMA membranının tahrik frekansı, sürücünün hızını kontrol etmede önemli bir faktördür. Bu nedenle, SMA doğrusal motorlar, SMA yaylı veya çubuklu motorlardan daha iyi dinamik tepkiye sahiptir. Yumuşak robotik ve kavrama teknolojisi, SMA tabanlı aktüatörlerin kullanıldığı diğer iki uygulamadır. Örneğin, 25 N'luk uzay kelepçesinde kullanılan standart aktüatörün yerine, şekil hafızalı alaşımdan yapılmış paralel bir aktüatör 24 geliştirilmiştir. Başka bir durumda ise, maksimum 30 N'luk çekme kuvveti üretebilen, içine matris yerleştirilmiş bir telden oluşan bir SMA yumuşak aktüatör üretilmiştir. Mekanik özellikleri nedeniyle, SMA'lar biyolojik olayları taklit eden aktüatörler üretmek için de kullanılır. Bu tür bir gelişme, sinüzoidal bir hareket üreterek ateşleme sağlayan, solucan benzeri bir organizmanın biyomimetik bir modeli olan 12 hücreli bir robotu içerir26,27.
Daha önce de belirtildiği gibi, mevcut SMA tabanlı aktüatörlerden elde edilebilecek maksimum kuvvetin bir sınırı vardır. Bu sorunu ele almak için, bu çalışma biyomimetik bimodal bir kas yapısı sunmaktadır. Şekil hafızalı alaşım teli ile tahrik edilen bu yapı, çeşitli şekil hafızalı alaşım tellerini içeren bir sınıflandırma sistemi sağlar. Bugüne kadar, benzer bir mimariye sahip SMA tabanlı aktüatörler literatürde bildirilmemiştir. SMA'ya dayalı bu benzersiz ve yeni sistem, bimodal kas hizalaması sırasında SMA'nın davranışını incelemek için geliştirilmiştir. Mevcut SMA tabanlı aktüatörlerle karşılaştırıldığında, bu çalışmanın amacı, küçük bir hacimde önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretebilen biyomimetik bir dipvalerat aktüatör oluşturmaktır. HVAC bina otomasyon ve kontrol sistemlerinde kullanılan geleneksel step motor tahrikli sistemlerle karşılaştırıldığında, önerilen SMA tabanlı bimodal tahrik tasarımı, tahrik mekanizmasının ağırlığını %67 oranında azaltır. Aşağıda, "kas" ve "tahrik" terimleri birbirinin yerine kullanılmaktadır. Bu çalışma, böyle bir tahrik sisteminin çoklu fizik simülasyonunu araştırmaktadır. Bu tür sistemlerin mekanik davranışı deneysel ve analitik yöntemlerle incelenmiştir. 7 V giriş voltajında kuvvet ve sıcaklık dağılımları daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ardından, temel parametreler ve çıkış kuvveti arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamak için parametrik bir analiz yapılmıştır. Son olarak, hiyerarşik aktüatörler tasarlanmış ve hiyerarşik seviye etkileri, protez uygulamaları için manyetik olmayan aktüatörler için potansiyel bir gelecek alanı olarak önerilmiştir. Yukarıda belirtilen çalışmaların sonuçlarına göre, tek kademeli bir mimarinin kullanımı, bildirilen SMA tabanlı aktüatörlerden en az dört ila beş kat daha yüksek kuvvetler üretmektedir. Ek olarak, çok seviyeli bir sürücü tarafından üretilen aynı tahrik kuvvetinin, geleneksel SMA tabanlı sürücülerin on katından fazla olduğu gösterilmiştir. Çalışma daha sonra farklı tasarımlar ve giriş değişkenleri arasındaki duyarlılık analizini kullanarak temel parametreleri raporlamaktadır. SMA telinin başlangıç uzunluğu (\(l_0\)), pinnat açısı (\(\alpha\)) ve her bir teldeki tek tel sayısı (n), tahrik kuvvetinin büyüklüğü üzerinde güçlü bir negatif etkiye sahiptir. Güç ile giriş voltajı (enerji) arasında pozitif bir korelasyon olduğu ortaya çıktı.
SMA teli, nikel-titanyum (Ni-Ti) alaşım ailesinde görülen şekil hafıza etkisini (SME) sergiler. Tipik olarak, SMA'lar iki sıcaklığa bağlı faza sahiptir: düşük sıcaklık fazı ve yüksek sıcaklık fazı. Her iki faz da farklı kristal yapıların varlığı nedeniyle benzersiz özelliklere sahiptir. Dönüşüm sıcaklığının üzerinde bulunan östenit fazında (yüksek sıcaklık fazı), malzeme yüksek mukavemete sahiptir ve yük altında az deforme olur. Alaşım paslanmaz çelik gibi davranır, bu nedenle daha yüksek aktüasyon basınçlarına dayanabilir. Ni-Ti alaşımlarının bu özelliğinden yararlanılarak, SMA telleri bir aktüatör oluşturmak üzere eğimli hale getirilir. Çeşitli parametrelerin ve çeşitli geometrilerin etkisi altında SMA'nın termal davranışının temel mekaniğini anlamak için uygun analitik modeller geliştirilmiştir. Deneysel ve analitik sonuçlar arasında iyi bir uyum elde edilmiştir.
Şekil 9a'da gösterilen prototip üzerinde, SMA tabanlı bimodal bir tahrik sisteminin performansını değerlendirmek için deneysel bir çalışma yapılmıştır. Bu özelliklerden ikisi, tahrik sistemi tarafından üretilen kuvvet (kas kuvveti) ve SMA telinin sıcaklığı (SMA sıcaklığı), deneysel olarak ölçülmüştür. Tahrik sisteminde telin tüm uzunluğu boyunca voltaj farkı arttıkça, Joule ısıtma etkisi nedeniyle telin sıcaklığı da artar. Giriş voltajı, her döngü arasında 15 saniyelik bir soğutma periyodu ile iki 10 saniyelik döngü halinde uygulanmıştır (Şekil 2a, b'de kırmızı noktalar olarak gösterilmiştir). Blokaj kuvveti, piezoelektrik gerinim ölçer kullanılarak ölçülmüş ve SMA telinin sıcaklık dağılımı, bilimsel sınıf yüksek çözünürlüklü LWIR kamera kullanılarak gerçek zamanlı olarak izlenmiştir (kullanılan ekipmanın özellikleri Tablo 2'de verilmiştir). Yüksek voltaj fazı sırasında telin sıcaklığının monoton olarak arttığı, ancak akım akmadığında telin sıcaklığının düşmeye devam ettiği gösterilmiştir. Mevcut deneysel kurulumda, soğutma aşamasında SMA telinin sıcaklığı düştü, ancak yine de ortam sıcaklığının üzerindeydi. Şekil 2e'de, LWIR kameradan alınan SMA teli üzerindeki sıcaklığın anlık görüntüsü gösterilmektedir. Öte yandan, Şekil 2a'da tahrik sistemi tarafından üretilen bloke edici kuvvet gösterilmektedir. Kas kuvveti yayın geri yükleme kuvvetini aştığında, Şekil 9a'da gösterildiği gibi hareketli kol hareket etmeye başlar. Hareket başlar başlamaz, hareketli kol sensörle temas ederek Şekil 2c, d'de gösterildiği gibi bir gövde kuvveti oluşturur. Maksimum sıcaklık 84°C'ye yakın olduğunda, gözlemlenen maksimum kuvvet 105 N'dir.
Grafik, iki döngü boyunca SMA telinin sıcaklığının ve SMA tabanlı bimodal aktüatör tarafından üretilen kuvvetin deneysel sonuçlarını göstermektedir. Giriş voltajı, her döngü arasında 15 saniyelik bir soğuma süresiyle iki 10 saniyelik döngü halinde (kırmızı noktalar olarak gösterilmiştir) uygulanmıştır. Deneylerde kullanılan SMA teli, Dynalloy, Inc.'den 0,51 mm çapında bir Flexinol telidir. (a) Grafik, iki döngü boyunca elde edilen deneysel kuvveti göstermektedir, (c, d) PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet dönüştürücüsü üzerinde hareketli kol aktüatörlerinin etkisinin iki bağımsız örneğini göstermektedir, (b) grafik, iki döngü boyunca tüm SMA telinin maksimum sıcaklığını göstermektedir, (e) FLIR ResearchIR yazılımı LWIR kamerası kullanılarak SMA telinden alınan bir sıcaklık anlık görüntüsünü göstermektedir. Deneylerde dikkate alınan geometrik parametreler Tablo 1'de verilmiştir.
Şekil 5'te gösterildiği gibi, 7V giriş voltajı koşulu altında matematiksel modelin simülasyon sonuçları ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Parametrik analiz sonuçlarına göre ve SMA telinin aşırı ısınma olasılığını önlemek için aktüatöre 11,2 W güç verilmiştir. Giriş voltajı olarak 7V sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağı kullanılmış ve tel boyunca 1,6A akım ölçülmüştür. Akım uygulandığında tahrik tarafından üretilen kuvvet ve SDR'nin sıcaklığı artmaktadır. 7V giriş voltajı ile, ilk döngünün simülasyon ve deneysel sonuçlarından elde edilen maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 78 N ve 96 N'dir. İkinci döngüde, simülasyon ve deneysel sonuçların maksimum çıkış kuvveti sırasıyla 150 N ve 105 N olmuştur. Oklüzyon kuvveti ölçümleri ile deneysel veriler arasındaki tutarsızlık, oklüzyon kuvvetini ölçmek için kullanılan yöntemden kaynaklanıyor olabilir. Şekil 5'te gösterilen deneysel sonuçlar... Şekil 2a, tahrik milinin PACEline CFT/5kN piezoelektrik kuvvet sensörüyle temas halinde olduğu sırada ölçülen kilitleme kuvvetinin ölçümüne karşılık gelir (Şekil 2s). Bu nedenle, soğutma bölgesinin başlangıcında tahrik mili kuvvet sensörüyle temas halinde olmadığında, kuvvet hemen sıfır olur (Şekil 2d). Ayrıca, sonraki döngülerde kuvvet oluşumunu etkileyen diğer parametreler, soğutma süresi ve önceki döngüdeki konvektif ısı transfer katsayısının değerleridir. Şekil 2b'den görülebileceği gibi, 15 saniyelik bir soğutma süresinden sonra, SMA teli oda sıcaklığına ulaşmamıştır ve bu nedenle ikinci sürüş döngüsünde ilk döngüye (25°C) kıyasla daha yüksek bir başlangıç sıcaklığına (40°C) sahiptir. Bu nedenle, ilk döngüye kıyasla, ikinci ısıtma döngüsü sırasında SMA telinin sıcaklığı, ilk östenit sıcaklığına (\(A_s\)) daha erken ulaşır ve geçiş döneminde daha uzun süre kalır, bu da gerilme ve kuvvete neden olur. Öte yandan, deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen ısıtma ve soğutma döngüleri sırasındaki sıcaklık dağılımları, termografik analiz örnekleriyle yüksek niteliksel benzerlik göstermektedir. Deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen SMA telinin termal verilerinin karşılaştırmalı analizi, ısıtma ve soğutma döngüleri sırasında tutarlılık ve deneysel veriler için kabul edilebilir toleranslar içinde olduğunu göstermiştir. İlk döngünün simülasyon ve deney sonuçlarından elde edilen SMA telinin maksimum sıcaklığı sırasıyla \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(75\,^{\circ }\hbox { C }\) iken, ikinci döngüde SMA telinin maksimum sıcaklığı \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) ve \(83\,^{\circ }\hbox {C}\)'dir. Temel olarak geliştirilen model, şekil hafızası etkisinin doğruluğunu teyit etmektedir. Bu incelemede yorulma ve aşırı ısınmanın rolü dikkate alınmamıştır. Gelecekte, model, SMA telinin gerilim geçmişini içerecek şekilde geliştirilecek ve mühendislik uygulamaları için daha uygun hale getirilecektir. Simulink bloğundan elde edilen tahrik çıkış kuvveti ve SMA sıcaklık grafikleri, 7 V'luk bir giriş voltaj darbesi koşulu altında deneysel verilerin izin verilen toleransları dahilindedir. Bu, geliştirilen matematiksel modelin doğruluğunu ve güvenilirliğini teyit etmektedir.
Matematiksel model, Yöntemler bölümünde açıklanan temel denklemler kullanılarak MathWorks Simulink R2020b ortamında geliştirilmiştir. Şekil 3b'de Simulink matematiksel modelinin blok diyagramı gösterilmektedir. Model, Şekil 2a, b'de gösterildiği gibi 7V'luk bir giriş voltaj darbesi için simüle edilmiştir. Simülasyonda kullanılan parametrelerin değerleri Tablo 1'de listelenmiştir. Geçici süreçlerin simülasyon sonuçları Şekil 1 ve 1'de sunulmuştur. Şekil 3a ve 4'te ise SMA telinde indüklenen voltaj ve aktüatör tarafından üretilen kuvvet zamanın bir fonksiyonu olarak gösterilmektedir. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA telinin sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilim modifiye edilmiş östenit fazının başlangıç sıcaklığı) olduğunda, martensit hacim oranının değişim hızı (\(\dot{\xi }\)) sıfır olacaktır. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA telinin sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilim modifiye edilmiş östenit fazının başlangıç sıcaklığı) olduğunda, martensit hacim oranının değişim hızı (\(\dot{\ xi }\)) sıfır olacaktır. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной) фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно hayır. Ters dönüşüm (ısıtma) sırasında, SMA telinin sıcaklığı \(T < A_s^{\prime}\) (gerilme ile modifiye edilmiş östenit başlangıç sıcaklığı) olduğunda, martensit hacim oranının değişim hızı (\(\dot{\ xi }\ )) sıfır olacaktır.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（\(\dot{\ xi }\)) Evet.在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) SMA tabanlı divalerat aktüatörde sıcaklık dağılımını ve gerilme kaynaklı bağlantı sıcaklığını gösteren simülasyon sonucu. Isıtma aşamasında tel sıcaklığı östenit geçiş sıcaklığını aştığında, modifiye edilmiş östenit geçiş sıcaklığı artmaya başlar ve benzer şekilde, soğutma aşamasında tel çubuk sıcaklığı martensitik geçiş sıcaklığını aştığında, martensitik geçiş sıcaklığı azalır. Aktüasyon sürecinin analitik modellemesi için SMA kullanılmıştır. (Simulink modelinin her bir alt sisteminin ayrıntılı görünümü için ek dosyanın ek bölümüne bakınız.)
7V giriş voltajının iki döngüsü (10 saniyelik ısınma döngüleri ve 15 saniyelik soğuma döngüleri) için farklı parametre dağılımlarının analiz sonuçları gösterilmiştir. (ac) ve (e) zamana bağlı dağılımı gösterirken, (d) ve (f) ise sıcaklığa bağlı dağılımı göstermektedir. İlgili giriş koşulları için, gözlemlenen maksimum gerilim 106 MPa (345 MPa'dan az, tel akma dayanımı), kuvvet 150 N, maksimum yer değiştirme 270 µm ve minimum martensit hacim oranı 0,91'dir. Öte yandan, gerilimdeki değişim ve martensit hacim oranındaki değişimin sıcaklıkla ilişkisi histerezis özelliklerine benzerdir.
Aynı açıklama, SMA telinin sıcaklığının (T) ve gerilimle modifiye edilmiş martensit fazının son sıcaklığının (\(M_f^{\prime}\ )) mükemmel olduğu, östenit fazından martensit fazına doğrudan dönüşüm (soğutma) için de geçerlidir. Şekil 4d,f'de, her iki sürüş döngüsü için de SMA telinin sıcaklığındaki (T) değişime bağlı olarak, SMA telinde oluşan gerilimdeki (\(\sigma\)) ve martensit hacim oranındaki (\(\xi\)) değişim gösterilmektedir. Şekil 3a'da ise, giriş voltaj darbesine bağlı olarak SMA telinin sıcaklığındaki zamana bağlı değişim gösterilmektedir. Şekilden de görülebileceği gibi, sıfır voltajda bir ısı kaynağı sağlanması ve ardından konvektif soğutma ile telin sıcaklığı artmaya devam etmektedir. Isıtma sırasında, SMA telinin sıcaklığı (T), gerilim düzeltilmiş östenit çekirdeklenme sıcaklığını (\(A_s^{\prime}\)) geçtiğinde martensit fazının östenit fazına yeniden dönüşümü başlar. Bu fazda, SMA teli sıkıştırılır ve aktüatör kuvvet üretir. Soğutma sırasında da, SMA telinin sıcaklığı (T), gerilimle değiştirilmiş martensit fazının çekirdeklenme sıcaklığını (\(M_s^{\prime}\)) geçtiğinde, östenit fazından martensit fazına pozitif bir geçiş olur ve tahrik kuvveti azalır.
SMA'ya dayalı bimodal tahrik sisteminin temel niteliksel yönleri simülasyon sonuçlarından elde edilebilir. Bir voltaj darbesi girişi durumunda, Joule ısıtma etkisi nedeniyle SMA telinin sıcaklığı artar. Malzeme başlangıçta tamamen martensitik fazda olduğundan, martensit hacim oranının (\(\xi\)) başlangıç değeri 1 olarak ayarlanmıştır. Tel ısınmaya devam ettikçe, SMA telinin sıcaklığı, gerilime göre düzeltilmiş östenit çekirdeklenme sıcaklığı \(A_s^{\prime}\)'i aşar ve bu da Şekil 4c'de gösterildiği gibi martensit hacim oranında bir azalmaya neden olur. Ayrıca, Şekil 4e'de aktüatörün stroklarının zamana bağlı dağılımı ve Şekil 5'te ise tahrik kuvveti zamanın bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir. İlgili denklem sistemi, telde oluşan sıcaklık, martensit hacim oranı ve gerilimi içerir; bu da SMA telinin büzülmesine ve aktüatör tarafından üretilen kuvvete neden olur. Şekilde gösterildiği gibi... 4d,f, sıcaklıkla voltaj değişimi ve sıcaklıkla martensit hacim oranı değişimi, simüle edilen durumda 7 V'ta SMA'nın histerezis özelliklerine karşılık gelir.
Sürüş parametrelerinin karşılaştırılması deneyler ve analitik hesaplamalar yoluyla elde edildi. Teller, iki döngü boyunca 10 saniye boyunca 7 V'luk darbeli bir giriş voltajına maruz bırakıldı, ardından 15 saniye boyunca soğutuldu (soğutma fazı). Pinnat açısı \(40^{\circ}\) olarak ayarlandı ve her bir pin bacağındaki SMA telinin başlangıç uzunluğu 83 mm olarak ayarlandı. (a) Yük hücresi ile sürüş kuvvetinin ölçülmesi (b) Termal kızılötesi kamera ile tel sıcaklığının izlenmesi.
Fiziksel parametrelerin tahrik tarafından üretilen kuvvete etkisini anlamak için, matematiksel modelin seçilen fiziksel parametrelere duyarlılığı analiz edildi ve parametreler etkilerine göre sıralandı. İlk olarak, model parametrelerinin örneklemesi, tekdüze dağılımı izleyen deneysel tasarım prensipleri kullanılarak yapıldı (bkz. Duyarlılık Analizi Ek Bölümü). Bu durumda, model parametreleri giriş voltajı (\(V_{in}\)), başlangıç SMA tel uzunluğu (\(l_0\)), üçgen açısı (\(\alpha\)), bias yay sabiti (\( K_x\ )), konvektif ısı transfer katsayısı (\(h_T\)) ve tek modlu dal sayısı (n) içerir. Bir sonraki adımda, tepe kas gücü bir çalışma tasarım gereksinimi olarak seçildi ve her bir değişken setinin güç üzerindeki parametrik etkileri elde edildi. Duyarlılık analizi için tornado grafikleri, Şekil 6a'da gösterildiği gibi, her parametre için korelasyon katsayılarından türetildi.
(a) Yukarıdaki model parametrelerinin 2500 benzersiz grubunun maksimum çıkış kuvveti üzerindeki etkisi ve model parametrelerinin korelasyon katsayısı değerleri tornado grafiğinde gösterilmiştir. Grafik, çeşitli göstergelerin sıralama korelasyonunu göstermektedir. \(V_{in}\)'in pozitif korelasyona sahip tek parametre olduğu ve \(l_0\)'ın en yüksek negatif korelasyona sahip parametre olduğu açıktır. Çeşitli parametrelerin çeşitli kombinasyonlardaki tepe kas kuvveti üzerindeki etkisi (b, c)'de gösterilmiştir. \(K_x\) 400 ile 800 N/m arasında ve n 4 ile 24 arasında değişmektedir. Voltaj (\(V_{in}\)) 4V'tan 10V'a, tel uzunluğu (\(l_{0 } \)) 40 ile 100 mm arasında ve kuyruk açısı (\ (\alpha \)) 20 – 60 \, ^ {\circ }\) arasında değişmektedir.
Şekil 6a'da, her parametre için çeşitli korelasyon katsayılarının tepe tahrik kuvveti tasarım gereksinimleriyle olan ilişkisini gösteren bir tornado grafiği yer almaktadır. Şekil 6a'dan, voltaj parametresinin (\(V_{in}\)) maksimum çıkış kuvvetiyle doğrudan ilişkili olduğu, konvektif ısı transfer katsayısının (\(h_T\)), alev açısının (\(\alpha\)), yer değiştirme yay sabitinin (\(K_x\)) çıkış kuvvetiyle negatif korelasyon gösterdiği ve SMA telinin başlangıç uzunluğunun (\(l_0\)) ve tek modlu dal sayısının (n) güçlü bir ters korelasyon gösterdiği görülmektedir. Doğrudan korelasyon durumunda, voltaj korelasyon katsayısının (\(V_{in}\)) daha yüksek bir değeri, bu parametrenin güç çıkışı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu gösterir. Benzer bir analiz, Şekil 6b ve 6c'de gösterildiği gibi, iki hesaplama alanının farklı kombinasyonlarında farklı parametrelerin etkisini değerlendirerek tepe kuvvetini ölçer. \(V_{in}\) ve \(l_0\), \(\alpha\) ve \(l_0\) benzer örüntülere sahiptir ve grafik, \(V_{in}\) ve \(\alpha\)'nın benzer örüntülere sahip olduğunu göstermektedir. Daha küçük \(l_0\) değerleri, daha yüksek tepe kuvvetlerine neden olur. Diğer iki grafik, n ve \(K_x\)'in negatif korelasyonlu ve \(V_{in}\)'in pozitif korelasyonlu olduğu Şekil 6a ile tutarlıdır. Bu analiz, tahrik sisteminin çıkış kuvveti, strok ve verimliliğinin gereksinimlere ve uygulamaya uyarlanabileceği etkileyen parametreleri tanımlamaya ve ayarlamaya yardımcı olur.
Mevcut araştırma çalışmaları, N seviyeli hiyerarşik tahrik sistemlerini tanıtmakta ve incelemektedir. Şekil 7a'da gösterildiği gibi iki seviyeli bir hiyerarşide, birinci seviye aktüatörün her bir SMA teli yerine, Şekil 9e'de gösterildiği gibi bimodal bir düzenleme elde edilir. Şekil 7c'de, SMA telinin yalnızca uzunlamasına yönde hareket eden hareketli bir kol (yardımcı kol) etrafına nasıl sarıldığı gösterilmektedir. Bununla birlikte, birincil hareketli kol, 1. aşama çok kademeli aktüatörün hareketli koluyla aynı şekilde hareket etmeye devam eder. Tipik olarak, N kademeli bir tahrik sistemi, \(N-1\). aşama SMA telinin birinci aşama tahrik sistemiyle değiştirilmesiyle oluşturulur. Sonuç olarak, her dal, teli tutan dal hariç, birinci aşama tahrik sistemini taklit eder. Bu şekilde, birincil tahrik sistemlerinin kuvvetlerinden birkaç kat daha büyük kuvvetler oluşturan iç içe geçmiş yapılar oluşturulabilir. Bu çalışmada, her seviye için, Şekil 7d'de tablo formatında gösterildiği gibi, toplam etkili SMA tel uzunluğu 1 m olarak dikkate alınmıştır. Her tek modlu tasarımda her telden geçen akım ve her SMA tel segmentinde oluşan ön gerilme ve voltaj her seviyede aynıdır. Analitik modelimize göre, çıkış kuvveti seviye ile pozitif, yer değiştirme ise negatif korelasyon göstermektedir. Aynı zamanda, yer değiştirme ve kas gücü arasında bir denge söz konusudur. Şekil 7b'de görüldüğü gibi, maksimum kuvvet en fazla katman sayısında elde edilirken, en büyük yer değiştirme en alt katmanda gözlemlenmektedir. Hiyerarşi seviyesi \(N=5\) olarak ayarlandığında, 2 gözlemlenen vuruş \(\upmu\)m ile 2,58 kN'luk bir tepe kas kuvveti bulunmuştur. Öte yandan, birinci aşama tahrik sistemi 277 \(\upmu\)m'lik bir vuruşta 150 N'luk bir kuvvet üretmektedir. Çok seviyeli aktüatörler gerçek biyolojik kasları taklit edebilmekte, şekil hafızalı alaşımlara dayalı yapay kaslar ise hassas ve ince hareketlerle önemli ölçüde daha yüksek kuvvetler üretebilmektedir. Bu minyatürleştirilmiş tasarımın sınırlamaları, hiyerarşi arttıkça hareketin büyük ölçüde azalması ve tahrik üretim sürecinin karmaşıklığının artmasıdır.
(a) İki aşamalı (\(N=2\)) katmanlı şekil hafızalı alaşım doğrusal aktüatör sistemi, bimodal bir konfigürasyonda gösterilmiştir. Önerilen model, birinci aşama katmanlı aktüatördeki SMA telinin başka bir tek aşamalı katmanlı aktüatörle değiştirilmesiyle elde edilmiştir. (c) İkinci aşama çok katmanlı aktüatörün deforme olmuş konfigürasyonu. (b) Seviye sayısına bağlı olarak kuvvet ve yer değiştirmelerin dağılımı açıklanmıştır. Aktüatörün tepe kuvvetinin grafikteki ölçek seviyesiyle pozitif, strokun ise ölçek seviyesiyle negatif korelasyon gösterdiği bulunmuştur. Her teldeki akım ve ön gerilim tüm seviyelerde sabit kalmaktadır. (d) Tablo, her seviyedeki musluk sayısını ve SMA telinin (fiberin) uzunluğunu göstermektedir. Tellerin özellikleri 1 indeksi ile, ikincil dalların sayısı (birincil bacağa bağlı olan) ise alt simgedeki en büyük sayı ile gösterilmiştir. Örneğin, 5. seviyede, \(n_1\), her bimodal yapıda bulunan SMA tellerinin sayısını, \(n_5\), yardımcı kolların (ana kola bağlı olan) sayısını ifade eder.
Şekil hafızalı SMA'ların davranışını modellemek için birçok araştırmacı tarafından çeşitli yöntemler önerilmiştir; bu yöntemler, faz geçişiyle ilişkili kristal yapısındaki makroskopik değişikliklere eşlik eden termomekanik özelliklere bağlıdır. Yapısal yöntemlerin formülasyonu doğası gereği karmaşıktır. En yaygın kullanılan fenomenolojik model Tanaka28 tarafından önerilmiştir ve mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Tanaka [28] tarafından önerilen fenomenolojik model, martensit hacim oranının sıcaklık ve gerilimin üstel bir fonksiyonu olduğunu varsayar. Daha sonra, Liang ve Rogers29 ve Brinson30, modelde küçük değişikliklerle, faz geçişi dinamiklerinin voltaj ve sıcaklığın kosinüs fonksiyonu olduğu varsayılan bir model önermişlerdir. Becker ve Brinson, keyfi yükleme koşulları altında ve kısmi geçişlerde SMA malzemelerinin davranışını modellemek için faz diyagramına dayalı bir kinetik model önermişlerdir. Banerjee32, Elahinia ve Ahmadian33 tarafından geliştirilen tek serbestlik dereceli bir manipülatörü simüle etmek için Becker ve Brinson31 faz diyagramı dinamik yöntemini kullanmıştır. Sıcaklıkla birlikte gerilimdeki monoton olmayan değişimi dikkate alan faz diyagramlarına dayalı kinetik yöntemlerin mühendislik uygulamalarında uygulanması zordur. Elakhinia ve Ahmadian, mevcut fenomenolojik modellerin bu eksikliklerine dikkat çekerek, herhangi bir karmaşık yükleme koşulu altında şekil hafızası davranışını analiz etmek ve tanımlamak için genişletilmiş bir fenomenolojik model önermektedir.
SMA telinin yapısal modeli, SMA telinin gerilimini (\(\sigma\)), gerinimini (\(\epsilon\)), sıcaklığını (T) ve martensit hacim oranını (\(\xi\)) verir. Fenomenolojik yapısal model ilk olarak Tanaka28 tarafından önerilmiş ve daha sonra Liang29 ve Brinson30 tarafından benimsenmiştir. Denklemin türevi şu biçimdedir:
Burada E, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) formülü kullanılarak elde edilen faza bağlı SMA Young modülüdür ve \(E_A\) ve \(E_M\), sırasıyla östenitik ve martensitik fazları temsil eden Young modüllerini ifade eder ve termal genleşme katsayısı \(\theta _T\) ile gösterilir. Faz geçişi katkı faktörü \(\Omega = -E \epsilon _L\)'dir ve \(\epsilon _L\), SMA telindeki maksimum geri kazanılabilir gerinimdir.
Faz dinamikleri denklemi, Tanaka28 tarafından önerilen üstel fonksiyon yerine Liang29 tarafından geliştirilen ve daha sonra Brinson30 tarafından benimsenen kosinüs fonksiyonu ile örtüşmektedir. Faz geçiş modeli, Elakhinia ve Ahmadian34 tarafından önerilen modelin bir uzantısı olup, Liang29 ve Brinson30 tarafından verilen faz geçiş koşullarına göre değiştirilmiştir. Bu faz geçiş modeli için kullanılan koşullar, karmaşık termomekanik yükler altında geçerlidir. Yapısal denklemi modelleme sırasında, her an için martensit hacim oranı değeri hesaplanır.
Isıtma koşulları altında martensit'in östenite dönüşümünü ifade eden temel yeniden dönüşüm denklemi şu şekildedir:
burada \(\xi\) martensit hacim oranı, \(\xi _M\) ısıtmadan önce elde edilen martensit hacim oranı, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) ve \(C_A\) – eğri yaklaştırma parametreleri, T – SMA tel sıcaklığı, \(A_s\) ve \(A_f\) – sırasıyla östenit fazının başlangıç ve bitiş sıcaklıklarıdır.
Soğutma koşulları altında östenitin martensit fazına dönüşümünü temsil eden doğrudan dönüşüm kontrol denklemi şöyledir:
burada \(\xi _A\), soğutmadan önce elde edilen martensit hacim oranıdır, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) ve \ ( C_M \) – eğri uydurma parametreleri, T – SMA tel sıcaklığı, \(M_s\) ve \(M_f\) – sırasıyla başlangıç ve son martensit sıcaklıklarıdır.
(3) ve (4) numaralı denklemler türevlendikten sonra, ters ve doğrudan dönüşüm denklemleri aşağıdaki forma basitleştirilir:
İleri ve geri dönüşüm sırasında \(\eta _{\sigma}\) ve \(\eta _{T}\) farklı değerler alır. \(\eta _{\sigma}\) ve \(\eta _{T}\) ile ilişkili temel denklemler türetilmiş ve ek bir bölümde ayrıntılı olarak tartışılmıştır.
SMA telinin sıcaklığını yükseltmek için gereken termal enerji, Joule ısıtma etkisinden kaynaklanır. SMA teli tarafından emilen veya salınan termal enerji, dönüşümün gizli ısısı ile temsil edilir. SMA telindeki ısı kaybı, zorlamalı konveksiyondan kaynaklanır ve radyasyonun ihmal edilebilir etkisi göz önüne alındığında, ısı enerjisi denge denklemi şu şekildedir:
Burada \(m_{wire}\), SMA telinin toplam kütlesi, \(c_{p}\), SMA'nın özgül ısı kapasitesi, \(V_{in}\), tele uygulanan voltaj, \(R_{ohm}\), faz bağımlı SMA direnci olup şu şekilde tanımlanır: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), burada \(r_M\) ve \(r_A\), sırasıyla martensit ve östenit fazlarındaki SMA özdirençleridir, \(A_{c}\), SMA telinin yüzey alanıdır, \(\Delta H\), şekil hafızalı alaşımdır. Telin geçiş gizli ısısı, T ve \(T_{\infty}\), sırasıyla SMA telinin ve ortamın sıcaklıklarıdır.
Şekil hafızalı alaşım tel harekete geçirildiğinde, tel sıkışır ve bimodal tasarımın her bir dalında lif kuvveti adı verilen bir kuvvet oluşturur. Şekil 9e'de gösterildiği gibi, SMA telinin her bir dalındaki liflerin kuvvetleri birlikte harekete geçirmek için gereken kas kuvvetini oluşturur. Bir yaylı mekanizmanın varlığı nedeniyle, N. çok katmanlı aktüatörün toplam kas kuvveti şöyledir:
\(N = 1\) değerini denklem (7)'ye yerine koyarak, birinci aşama bimodal tahrik prototipinin kas gücü aşağıdaki gibi elde edilebilir:
Burada n, tek modlu bacak sayısıdır, \(F_m\), tahrik tarafından üretilen kas kuvvetidir, \(F_f\), SMA telindeki lif dayanımıdır, \(K_x\), yay sertliğidir, \(\alpha\), üçgenin açısıdır, \(x_0\), SMA kablosunu ön gerilimli konumda tutmak için yay yayının başlangıç sapmasıdır ve \(\Delta x\), aktüatör hareketidir.
N. kademenin SMA telindeki gerilime (\(\sigma\)) ve gerilime (\(\epsilon\)) bağlı olarak tahrikin toplam yer değiştirmesi veya hareketi (\(\Delta x\)), tahrik şu şekilde ayarlanır (çıktının ek kısmındaki Şekil'e bakınız):
Kinematik denklemler, tahrik deformasyonu (\(\epsilon\)) ile yer değiştirme veya yer değiştirme (\(\Delta x\)) arasındaki ilişkiyi verir. Tek modlu bir dalda, Arb telinin deformasyonu, başlangıçtaki Arb tel uzunluğunun (\(l_0\)) ve herhangi bir t anındaki tel uzunluğunun (l) bir fonksiyonu olarak aşağıdaki gibidir:
Burada, Şekil 8'de gösterildiği gibi, \(\Delta\)ABB'de kosinüs formülü uygulanarak \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) elde edilir. Birinci aşama tahrik için (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\), \(\Delta x\)'dir ve \(\alpha _1\), Şekil 8'de gösterildiği gibi \(\alpha \)'dır. Şekil 8'de gösterildiği gibi, Denklem (11)'den zamanı türeterek ve l değerini yerine koyarak, gerinim hızı şu şekilde yazılabilir:
Burada \(l_0\), SMA telinin başlangıç uzunluğu, l, tek modlu bir dalda herhangi bir t anındaki telin uzunluğu, \(\epsilon\), SMA telinde oluşan deformasyon ve \(\alpha\), üçgenin açısıdır; \(\Delta x\), tahrik ofsetidir (Şekil 8'de gösterildiği gibi).
Bu şekildeki tüm n adet tek tepeli yapı (\(n=6\)) giriş voltajı olarak \(V_{in}\) ile seri olarak bağlanmıştır. Aşama I: Sıfır voltaj koşullarında bimodal bir konfigürasyonda SMA telinin şematik diyagramı. Aşama II: Kırmızı çizgiyle gösterildiği gibi, ters dönüşüm nedeniyle SMA telinin sıkıştırıldığı kontrollü bir yapı gösterilmiştir.
Kavramsal bir kanıt olarak, altta yatan denklemlerin simüle edilmiş türetimini deneysel sonuçlarla test etmek için SMA tabanlı bimodal bir tahrik sistemi geliştirildi. Bimodal doğrusal aktüatörün CAD modeli Şekil 9a'da gösterilmiştir. Öte yandan, Şekil 9c'de, bimodal bir yapıya sahip iki düzlemli SMA tabanlı bir aktüatör kullanılarak dönme prizmatik bağlantısı için önerilen yeni bir tasarım gösterilmektedir. Tahrik bileşenleri, Ultimaker 3 Extended 3D yazıcıda eklemeli imalat kullanılarak üretilmiştir. Bileşenlerin 3D baskısı için kullanılan malzeme, güçlü, dayanıklı ve yüksek cam geçiş sıcaklığına (110-113 °C) sahip olduğu için ısıya dayanıklı malzemeler için uygun olan polikarbonattır. Ayrıca, deneylerde Dynalloy, Inc. Flexinol şekil hafızalı alaşım teli kullanılmış ve simülasyonlarda Flexinol teline karşılık gelen malzeme özellikleri kullanılmıştır. Şekil 9b ve 9d'de gösterildiği gibi, çok katmanlı aktüatörler tarafından üretilen yüksek kuvvetleri elde etmek için, birden fazla SMA teli, kasların bimodal düzenlemesinde bulunan lifler şeklinde düzenlenmiştir.
Şekil 9a'da gösterildiği gibi, hareketli kol SMA teli tarafından oluşturulan dar açıya α açısı denir. Sol ve sağ kelepçelere takılan terminal kelepçeleriyle SMA teli istenen bimodal açıda tutulur. Yay konektörüne takılan yaylı mekanizma, SMA liflerinin sayısına (n) göre farklı yay uzatma gruplarını ayarlamak üzere tasarlanmıştır. Ayrıca, hareketli parçaların konumu, SMA telinin zorlamalı konveksiyon soğutması için dış ortama maruz kalacak şekilde tasarlanmıştır. Sökülebilir düzeneğin üst ve alt plakaları, ağırlığı azaltmak için tasarlanmış ekstrüde kesiklerle SMA telinin soğuk kalmasına yardımcı olur. Ek olarak, CMA telinin her iki ucu da sırasıyla sol ve sağ terminallere bir sıkıştırma vasıtasıyla sabitlenmiştir. Üst ve alt plakalar arasında boşluk sağlamak için hareketli düzeneğin bir ucuna bir piston takılmıştır. Piston ayrıca, SMA teli hareket ettirildiğinde bloke kuvvetini ölçmek için bir kontak aracılığıyla sensöre bloke edici bir kuvvet uygulamak için de kullanılır.
Bimodal kas yapısı SMA, seri olarak elektriksel olarak bağlanır ve bir giriş darbe voltajı ile beslenir. Voltaj darbe döngüsü sırasında, voltaj uygulandığında ve SMA teli östenitin başlangıç sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, her bir teldeki tel uzunluğu kısalır. Bu geri çekilme, hareketli kol alt tertibatını harekete geçirir. Aynı döngüde voltaj sıfırlandığında, ısıtılmış SMA teli martensit yüzeyinin sıcaklığının altına soğutulur ve böylece orijinal konumuna geri döner. Sıfır gerilim koşullarında, SMA teli önce bir yay tarafından pasif olarak gerilerek ikizlenmemiş martensitik duruma ulaşır. SMA telinin geçtiği vida, SMA teline uygulanan voltaj darbesiyle (SMA östenit fazına ulaşır) oluşan sıkıştırma nedeniyle hareket eder ve bu da hareketli kolun harekete geçmesine yol açar. SMA teli geri çekildiğinde, yay daha fazla gerilerek karşıt bir kuvvet oluşturur. Darbe gerilimindeki stres sıfır olduğunda, SMA teli zorlamalı konveksiyon soğutması nedeniyle uzar ve şekil değiştirerek çift martensitik faza ulaşır.
Önerilen SMA tabanlı doğrusal aktüatör sistemi, SMA tellerinin açılı olduğu bimodal bir konfigürasyona sahiptir. (a) prototipin CAD modelini göstermekte olup, bazı bileşenleri ve prototip için anlamlarını belirtmektedir; (b, d) geliştirilen deneysel prototipi temsil etmektedir. (b) prototipin üstten görünümünü, elektrik bağlantılarını, bias yaylarını ve kullanılan gerinim ölçerleri gösterirken, (d) kurulumun perspektif görünümünü göstermektedir. (e) Herhangi bir t anında bimodal olarak yerleştirilmiş SMA telleri ile doğrusal bir aktüasyon sisteminin diyagramı, lifin yönünü ve seyrini ve kas gücünü göstermektedir. (c) İki düzlemli SMA tabanlı bir aktüatörün konuşlandırılması için 2-DOF dönme prizmatik bağlantısı önerilmiştir. Gösterildiği gibi, bağlantı, alt tahrikten üst kola doğrusal hareketi ileterek dönme bağlantısı oluşturur. Öte yandan, prizma çiftinin hareketi, çok katmanlı birinci kademe tahrikin hareketiyle aynıdır.
Şekil 9b'de gösterilen prototip üzerinde, SMA tabanlı bimodal bir tahrik sisteminin performansını değerlendirmek için deneysel bir çalışma yapılmıştır. Şekil 10a'da gösterildiği gibi, deneysel kurulum, SMA tellerine giriş voltajı sağlamak için programlanabilir bir DC güç kaynağından oluşmaktadır. Şekil 10b'de gösterildiği gibi, bir piezoelektrik gerinim ölçer (PACEline CFT/5kN), Graphtec GL-2000 veri kaydedici kullanılarak bloke edici kuvveti ölçmek için kullanılmıştır. Veriler, daha sonraki çalışmalar için ana cihaz tarafından kaydedilir. Gerinim ölçerler ve şarj yükselticiler, voltaj sinyali üretmek için sabit bir güç kaynağına ihtiyaç duyar. İlgili sinyaller, Tablo 2'de açıklandığı gibi piezoelektrik kuvvet sensörünün hassasiyetine ve diğer parametrelere göre güç çıkışlarına dönüştürülür. Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artar, bu da SMA telinin sıkışmasına ve aktüatörün kuvvet üretmesine neden olur. 7 V'luk bir giriş voltaj darbesiyle kas kuvvetinin çıkışına ilişkin deneysel sonuçlar Şekil 2a'da gösterilmiştir.
(a) Deneyde, aktüatör tarafından üretilen kuvveti ölçmek için SMA tabanlı bir doğrusal aktüatör sistemi kurulmuştur. Yük hücresi, bloke edici kuvveti ölçer ve 24 V DC güç kaynağı ile beslenir. GW Instek programlanabilir DC güç kaynağı kullanılarak kablonun tüm uzunluğu boyunca 7 V'luk bir voltaj düşüşü uygulanmıştır. SMA teli ısı nedeniyle büzülür ve hareketli kol yük hücresine temas ederek bloke edici bir kuvvet uygular. Yük hücresi GL-2000 veri kaydediciye bağlanır ve veriler daha fazla işleme için ana bilgisayara kaydedilir. (b) Kas gücünü ölçmek için deneysel kurulumun bileşen zincirini gösteren şema.
Şekil hafızalı alaşımlar termal enerji ile uyarılır, bu nedenle sıcaklık, şekil hafızası olgusunu incelemek için önemli bir parametre haline gelir. Deneysel olarak, Şekil 11a'da gösterildiği gibi, bir prototip SMA tabanlı divalerat aktüatör üzerinde termal görüntüleme ve sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Şekil 11b'de gösterildiği gibi, deneysel kurulumda SMA tellerine programlanabilir bir DC kaynağı giriş voltajı uygulamıştır. SMA telinin sıcaklık değişimi, yüksek çözünürlüklü bir LWIR kamera (FLIR A655sc) kullanılarak gerçek zamanlı olarak ölçülmüştür. Ana bilgisayar, verileri daha sonraki işlemler için kaydetmek üzere ResearchIR yazılımını kullanmaktadır. Bir voltaj darbesi uygulandığında, SMA telinin sıcaklığı artar ve bu da SMA telinin büzülmesine neden olur. Şekil 2b'de, 7V'luk bir giriş voltaj darbesi için SMA telinin sıcaklığının zamana karşı deneysel sonuçları gösterilmektedir.
Yayın tarihi: 28 Eylül 2022
