ITRE20090111A1 - Attuatore a memoria di forma ad alta efficienza - Google Patents

Description

ATTUATORE A MEMORIA DI FORMA AD ALTA EFFICIENZA

Pubblicazioni citate:

G. Song, "Robust position regulation of a rotary servo actuated by a shape memory alloy wire", IEEE International Symposium on Industriai Electronics, voi 3, pp. 1923-1928, 2001

Descrizione:

Il presente trovato si riferisce al campo degli attuatori a memoria di forma (SMA, "Shape Memory Alloy").

Gli attuatori a memoria di forma si basano sulla capacità intrinseca delle leghe a memoria di forma di convertire energia termica in energia meccanica. Il principio di funzionamento degli attuatori a memoria di forma à ̈ legato alla particolare trasformazione cristallina "Martensite -Austenite" di queste leghe. Questa trasformazione cristallina à ̈ attivata dalla temperatura. Al verificarsi della trasformazione, ossia del cambiamento di struttura cristallina, à ̈ associato un incremento di modulo elastico della lega. Questo incremento di modulo elastico può essere convenientemente utilizzato per generare movimento.

Un attuatore basato su questi materiali à ̈ costituito da un elemento SMA che lavora in contrapposizione ad un elemento di contrasto. Ad attuatore disattivato (bassa temperatura), l'elemento di contrasto à ̈ in grado di vincere la resistenza dell'elemento SMA, facilmente deformabile perché mantenuto al di sotto della temperatura di trasformazione. L'attuatore viene attivato riscaldando l'elemento SMA al di sopra della temperatura di trasformazione. Il conseguente aumento di rigidezza porta l'elemento SMA a superare la resistenza del contrasto, recuperando la deformazione subita precedentemente. In questo modo si genera uno spostamento utile per produrre lavoro meccanico. Il riscaldamento à ̈ di norma realizzato per effetto Joule, ossia dissipando corrente elettrica nella lega.

L'elemento di contrasto à ̈ una parte essenziale dell'attuatore in quanto consente al dispositivo di compiere ripetuti cicli di lavoro. L'elemento di contrasto viene di regola realizzato tramite una molla convenzionale, un peso o un secondo elemento SMA contrapposto.

Normalmente gli elementi SMA utilizzati negli attuatori sono in forma di fili di varia sezione oppure in forma di molle anch'esse di varia sezione.

Gli attuatori a memoria di forma vantano diversi peculiarità positive, tra cui l'elevata forza erogabile per unità di peso. Per contro il loro limite principale risiede nella difficoltà di generare corse elevate. Questo difetto deriva dal fatto che la corsa erogabile à ̈ direttamente proporzionale alla deformazione massima applicata all'elemento a memoria di forma e alla sua lunghezza. Per quel che concerne la deformazione massima applicabile, il limite à ̈ costituito dalla vita utile che si desidera per l'attuatore, intesa come numero di cicli attesi. Al crescere della deformazione subita dal materiale, cala la vita utile. In pratica, si accettano deformazioni massime non superiori al 5%. Per ottenere corse elevate, la ridotta deformazione ammissibile porta alla necessità di elementi SMA molto lunghi che producono attuatori ingombranti e poco utilizzabili. Allo stato attuale sono state proposte diverse architetture di attuatori, in cui il filo à ̈ disposto nei modi più disparati per aumentarne la lunghezza. In particolare, nel caso di attuatori monofilo le soluzioni normalmente utilizzate prevedono l'utilizzo di

rinvii e carrucole. Nel caso invece di attuatori utilizzanti più fili, questi sono collegati tramite meccanismi disposti in serie in modo da sommare le corse erogate dai singoli fili. In ogni caso tutte le soluzioni citate sono complicate dal punto di vista costruttivo, quindi difficili da realizzare e costose.

Soluzioni potenzialmente efficienti sono quelle basate sul principio di far lavorare il filo a memoria di forma in appoggio su un supporto di forma opportuna, in modo da poter sfruttare una maggior lunghezza di filo mantenendo un ingombro del dispositivo limitato. Un esempio à ̈ la soluzione proposta da G. Song nell'articolo "Robust position regulation of a rotary servo actuated by a shape memory alloy wire" , pubblicato sulla rivista "IEEE International Symposium on Industriai Electronics, voi 3, pp. 1923-1928", nel 2001, in cui un filo a memoria di forma à ̈ vincolato ad un tamburo e avvolto sullo stesso, realizzando un attuatore angolare. Durante l'attivazione e la disattivazione del dispositivo il filo à ̈ costretto a strisciare sul tamburo.

Molto simile alla soluzione proposta da Song nel 2001 à ̈ il brevetto europeo n° EP1830064B1 di C.R.F. (Orbassano (TO)) del 2006. Nella letteratura brevettuale si trovano inoltre altre soluzioni in cui il filo a memoria di forma non à ̈ avvolto all'esterno un supporto à ̈ all'interno di un elemento di contenimento di opportuna forma, come nel caso del brevetto europeo n° EP1073081A3. L'efficienza di tutte queste soluzioni proposte, in cui vi à ̈ strisciamento relativo fra filo e supporto, dipende dall'entità dell'attrito radente fra questi due elementi. Più questo attrito à ̈ basso più l'efficienza à ̈ alta.

Per meglio capire l'influenza dell'attrito fra supporto e filo a memoria di forma sulle prestazioni dell'attuatore si descrive di seguito il principio di funzionamento di un attuatore lineare con filo avvolto su un tamburo, ed illustrato a puro titolo esemplificativo in Fig.l.

Il filo a memoria di forma 1, di sezione generica, à ̈ avvolto su un tamburo cilindrico 2 di sezione circolare. L'estremo A del filo à ̈ fissato al tamburo, mentre l'estremo B à ̈ collegato ad un elemento di contrasto capace di deformarlo nello stato disattivato, in questo caso un peso 3. Attivando per riscaldamento l'elemento SMA, precedentemente allungato dal peso, si ottiene il recupero della deformazione e quindi una contrazione del filo. Viceversa, per successivo raffreddamento, il filo viene nuovamente allungato dall'elemento di contrasto.

A causa di queste deformazioni, il filo SMA striscia sul tamburo. La forza di attrito radente che nasce fra tamburo e filo si oppone al moto relativo. Nella fase di allungamento del filo la forza di attrito va quindi a diminuire l'efficacia della forza di contrasto traducendosi in un minore allungamento utile. Al contrario, durante l'attivazione, la forza di attrito va a sommarsi al carico da vincere riducendo quindi la forza utile erogata. Entrambe questi fenomeni hanno come conseguenza la diminuzione della corsa. E' quindi evidente come il coefficiente di attrito fra filo e tamburo determina la corsa erogata dall'attuatore.

In termini quantitativi, se la forza di contrasto à ̈ costante (peso), considerando il materiale a memoria di forma come perfettamente elastico, sia in stato martensitico che in stato austenitico, con modulo elastico rispettivamente Em, Ea, la corsa erogata dall'attuatore à ̈ data dalla seguente espressione:

ε maxE D e-/<3⁄4

sa m 1- \-e<fa>°<>>

cor = (1)

2/ Ea,

dove à ̈ la deformazione massima imposta al filo, D à ̈ il diametro del tamburo, f à ̈ il coefficiente di attrito radente e a0à ̈ l'angolo di avvolgimento, legato al numero di avvolgimenti nawdalle seguente relazione:

an=2πη,

Facendo il limite per f che tendo a zero della equazione (1) e combinando con l'equazione (2) si ottiene la seguente espressione valida per il caso ideale senza attrito.

Ea-Em

corsa=Ï€Dn^ (3)

Ea

Le equazioni precedenti mostrano che l'efficienza del dispositivo (corsa elevata) si basa sulla riduzione del coefficiente d'attrito tra filo e tamburo. Nel caso ideale di attrito nullo, la corsa prodotta dal filo complessivamente avvolto sul tamburo uguaglia quella generata da un unico filo rettilineo di pari lunghezza. Lo stesso fenomeno si verifica nel caso in cui il filo a memoria di forma non sia avvolto all'esterno di un supporto, ma sia contenuto all'interno.

Normalmente la riduzione dell'attrito fra filo e supporto à ̈ effettuata realizzando il supporto in materiale antifrizione e/o rivestendone le superficie a contatto col filo con un strato di materiale antifrizione.

L'idea che caratterizza il presente trovato à ̈ quella di ridurre l'attrito radente fra filo e supporto facendo vibrare il supporto o il filo o entrambi gli elementi. E' ben noto che le vibrazioni meccaniche applicate a due oggetti in contatto fra loro provocano un sensibile abbassamento del coefficiente di attrito apparente. Un esempio tipico à ̈ il problema della perdita di serraggio dei collegamenti filettati in presenza di vibrazioni.

A puro titolo esemplificativo e non limitativo, in Figura 2 à ̈ illustrato l'applicazione di un generatore di vibrazione meccanica 5 ad un attuatore lineare a tamburo. Il tamburo 2 à ̈ bloccato angolarmente a telaio mentre l'estremo B del filo 1 à ̈ collegato all'elemento di contrasto 3. L'elemento di contrasto può essere un peso, un elemento elastico convenzionale, un secondo elemento a memoria di forma, un sistema elettromagnetico o qualunque altro mezzo capace di allungare il filo SMA avvolto quando questo si trova nello stato martensitico . Il moto lineare dell 'attuatore à ̈ prelevato dallo stesso estremo B. Nell' esempio esemplificativo e non limitativo di Figura 2, il generatore di vibrazioni 5 agisce direttamente sul tamburo 2, provocando un moto relativo fra filo e tamburo stesso che determina l'abbassamento del coefficiente di attrito radente.

In Figura 3 invece, il generatore di vibrazione 5 à ̈ applicato ad un attuatore rotativo a tamburo. Il tamburo 2 à ̈ libero di ruotare intorno al proprio asse. L'estremo B del filo a memoria di forma 1 à ̈ vincolato a telaio. Sul tamburo agisce una molla torsionale 4 che funge da elemento di contrasto, capace di deformare il filo 1. L'altro estremo della molla à ̈ vincolato a telaio. Il moto rotatorio à ̈ prelevato direttamente dal tamburo 2. Nel caso illustrato in Figura 3, l'elemento di contrasto à ̈ una molla torsionale ma in generale può essere un secondo elemento a memoria di forma, un sistema elettromagnetico o qualunque altro mezzo capace di allungare il filo SMA avvolto quando questo si trova nello stato martensitico. Anche in questo esempio di possibile implementazione di attuatore rotativo, il generatore di vibrazioni 5 agisce direttamente sul tamburo 2, provocando un moto relativo fra filo e tamburo stesso che determina l'abbassamento del coefficiente di attrito radente .

In generale, la vibrazione meccanica deve essere tale da generare un moto relativo, anche micrometrico, fra filo a memoria di forma 1 e tamburo 2. La direzione del moto relativo può essere assiale e/o circonferenziale e/o radiale (distacco) rispetto al tamburo. La frequenza delle vibrazioni può essere sia sub-sonica che ultrasonica. Il generatore di vibrazione meccanica può essere costituito da un sistema piezoelettrico, elettromeccanico, elettromagnetico, pneumatico o da qualsiasi altra tecnologia idonea a generare vibrazioni meccaniche con le caratteristiche precedentemente descritte. Questo sistema può essere utilizzato sia in aggiunta che in alternativa alla diminuzione dell'attrito radente fra supporto e filo SMA mediante la realizzazione del supporto in materiale antifrizione e/o mediante il rivestimento della superficie del supporto a contatto col filo con un strato di materiale antifrizione.

L'attivazione dell'attuatore Oggetto del presente trovato può avvenire in differenti modi tra cui il passaggio di una corrente elettrica di opportuna intensità all'interno dell'elemento a memoria di forma, oppure il suo riscaldamento, sia naturale che forzato, per mezzo di fonti esterne utilizzanti qualsiasi principio utile allo scopo (convezione, conduzione, irraggiamento, induzione etc.)

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI: I. Attuatore a memoria di forma lineare o angolare, costituito da un filo a memoria di forma con sezione di qualsiasi geometria, da un elemento di supporto (sul quale il filo striscia) capace di far seguire al filo stesso un percorso prestabilito, da un elemento di contrasto capace di deformare a freddo il filo a memoria di forma, caratterizzato dal fatto che la minimizzazione dell'attrito radente fra il filo a memoria di forma e il supporto à ̈ realizzata facendo vibrare il supporto o il filo o entrambi gli elementi. II. Attuatore a memoria di forma, secondo la rivendicazione I caratterizzato dal fatto che le vibrazioni sono generate da un sistema piezoelettrico o da un sistema elettromeccanico o da un sistema elettromagnetico o da un sistema pneumatico.