Il presente capitolo ha proposto una serie di esempi di strutture o dispo- sitivi, reperiti in letteratura, che sfruttano la modifica di superfici per il con- seguimento di un fine specifico, trattando più approfonditamente i contesti dello Structural e Wing Morphing.
Si è partiti analizzando i sistemi aptici e le loro varianti che si basano sulla tecnologia a memoria di forma, giungendo sino ai più recenti esempi di variazione geometrica in ambito industriale utilizzando tali materiali.
La conclusione, per quanto visto, è che vi è una tendenza marcata ad integrare attuatori SMA all’interno della struttura stessa, facendo di questa un parte integrante del funzionamento. Il sistema meccanico, infatti, è spesso utilizzato come mezzo per ottenere il ritorno del materiale a memoria di forma una volta azionato. Nel percorso svolto si sono evidenziati i limiti delle varie applicazioni (come l’effetto antagonista che riduce l’ampiezza di
moto), ma anche vari aspetti positivi, come la compensazione di tale deficit con la modularità del sistema.
Il prosieguo del lavoro ivi intrapreso è stato dedicato all’ideazione di una soluzione innovativa, capace di superare quanto qui mostrato. In particolare, si è indagata la possibilità di estendere le direzioni di moto di una struttura a geometria variabile, onde ottenere un sistema più completo di quelli presen- tati, che però non ricadesse nella problematica della disposizione antagonista dei fili a memoria di forma.
Capitolo 2
Caratterizzazione Fili SMA
Per secoli, i metalli hanno giocato un ruolo fondamentale come mate- riali strutturali. La crescente domanda di materiali leggeri e durevoli, che mostrassero contemporaneamente requisiti strutturali e nuove funzionalità ingegneristiche, ha portato alla nascita di una nuova classe di materiali.
Tra questi, vi è un gruppo in particolare, conosciuto con il nome di Shape Memory Materials (SMM), la cui forma temporanea modificata può teori- camente essere mantenuta in continuo, finché non sia applicato lo stimolo corretto che porti al recupero della forma originale, anche dopo essere stati severamente distorti [25].
Tutti questi tipi di materiali sono caratterizzati dallo Shape Memory Ef- fect (SME); tale proprietà è dovuta ad una mutazione della struttura interna, in seguito a variazioni di temperatura o carico. Le leghe e i polimeri a me- moria di forma (SMA e SMP) sono senza dubbio i più importanti esempi di tale classe [42].
Ciò che rende questi materiali particolarmente interessanti è la loro pos- sibilità d’integrazione in strutture, occorrendo per una minima parte al peso delle stesse, ma permettendone l’attuazione. Al confronto con i moderni at- tuatori, infatti, un sistema di movimentazione in lega a memoria di forma presenta un rapporto forza/peso nettamente migliore.
Questo capitolo sarà dedicato ad una caratterizzazione dei fili SMA, di- sponibili in laboratorio, per comprenderne le caratteristiche fisiche generali; ciò si renderà utile in seguito, per sfruttarne al meglio le proprietà in fa- se di progettazione di un attuatore capace di modificare una superficie in continuo. Dopo una presentazione generale riguardante i fili a memoria di forma, si procederà con l’esposizione dell’attività sperimentale che ha porta- to al conseguimento degli obiettivi prefissati e la presentazione dei risultati, discussi criticamente.
2.1 Presentazione dei Materiali
2.1.1 Fili Shape Memory Effect
La collaborazione con il dipartimento di SAES Getters dedicato alla pro- duzione di materiali a memoria di forma ha reso disponibile all’utilizzo un ampio range di fili, di diametro variabile, secondo la disponibilità a catalogo. Tutti i fili sono in lega Nichel-Titanio e la temperatura d’inizio transizione alla fase austenitica (As) si attesta intorno ai 90 °C. Ad oggi, gran parte delle
applicazioni che sfruttano i materiali a memoria di forma fanno ricorso a tali leghe, definite NiTiNOL (dal nome dei laboratori in cui, tra i primi anni ’50 e la metà degli anni ’60 dello scorso secolo, furono scoperte le leghe binarie di Nichel e Titanio – Nichel Titanium Naval Ordance Laboratories).
Figura 2.1: Ciclo d’isteresi in un materiale a memoria di forma, con relative temperature di transizione.
Com’è possibile vedere in Tabella 2.1, aumentando di diametro, le forze raggiungibili sono maggiori; tuttavia, un incremento del volume peggiora lo scambio termico, rallentando la fase di raffreddamento e il conseguente ritorno alla configurazione (geometrica e cristallina) di partenza.
Le forze generate possono essere convertite in lavoro utile, qualora si applichi un carico agente nella direzione opposta al recupero: è proprio su questo principio che si fonderanno le prove da eseguirsi in questo capitolo.
Per quanto concerne l’accorciamento dei fili, invece, esso risulta propor- zionale alla lunghezza iniziale di utilizzo e avviene per transizione di fase allo stato solido (per maggiori dettagli si rimanda in Appendice A). Tale cam- biamento cristallino è ottenuto, in questa sede, stimolando elettricamente il materiale: il metodo più diffuso è sfruttare il riscaldamento occorrente per effetto Joule, ma vi sono altri metodi per provocare la reazione, quali per esempio quello induttivo.
Caratterizzazione Fili SMA
Diametro Forza Riduzione Forza Riduzione [µm] Max [N] Massima Suggerita [N] Suggerita
25 0.3 0.1 50 1.2 0.3 76 2.7 0.8 100 4.7 1.3 150 6.2 5% 2.7 <3.5% 200 19 5 300 42 12 400 75 21 500 118 33
Tabella 2.1: Disponibilità di fili SME e relativi dati principali.
2.1.2 Fili Superelastici
Tra i materiali a disposizione in laboratorio vi sono anche fili a com- portamento superelastico. A livello metallurgico (in fase di produzione), si modifica la composizione della lega, con l’obiettivo di abbassare la tempe- ratura di transizione: in questo modo, il NiTiNOL presenta la propria fase austenitica stabile a temperatura ambiente.
Mentre a basse temperature, le leghe in questione esibiscono lo Shape Memory Effect, alle alte temperature (oltre la temperatura di fine auste- nitizzazione) il recupero di forma può essere ottenuto istantaneamente e simultaneamente al rilascio del carico applicato.
Figura 2.2: Comportamento superelastico tipico di una lega al NiTi.
Quando si impone una deformazione meccanica al materiale, essa può sti- molare la trasformazione dell’Austenite in Martensite (stress induced marten-
site). Tale trasformazione, esotermica, è metastabile, in quanto la fase mar- tensitica è propria delle basse temperature. Sfruttando una simile proprietà è possibile raggiungere una deformazione dell’8%, che viene immediatamente recuperata allo scarico.
Figura 2.3: Processo di deformazione di un filo superelastico.