Dati e Risultati

Grazie alle finestre d’interazione utente, il software consente la gestio- ne simultanea dei due moduli della struttura, che possono essere aziona- ti in maniera indipendente: questo ha permesso il raggiungimento di varie configurazioni geometriche del sistema ideato e progettato in questa tesi.

In aggiunta a questo, il controllo di posizione implementato si è rivelato più che soddisfacente per conseguire differenti altezze di moto, recuperate

immediatamente qualora un disturbo esterno alterasse l’equilibrio del siste- ma (ad esempio insufflando aria corrente sul filo alimentato o colpendo la piastrina azionata del Joint).

Figura 4.21: Esempio di due posizioni controllate del Joint 2.

Il ridotto tempo di ciclo dell’algoritmo, limitato solamente dal frame rate della webcam, ha consentito al sistema di rispondere prontamente agli input immessi, e di adattarsi con facilità ai cambiamenti impostati. Come anti- cipato, infatti, pur variando la condizione di equilibrio, il feedback riesce a sopperire al deficit, reimpostando la posizione stabilita dall’utente.

L’unico limite che si evidenzia nel progetto svolto è il tempo di attuazione del Joint 1, fortemente penalizzato dal diametro del filo scelto e dall’elevata inerzia del modulo.

Per quanto concerne il Joint 2, invece, la risposta è praticamente imme- diata: la velocità può essere incrementata o diminuita variando opportuna- mente i parametri analogici letti dal MosFet. Tanto maggiore è la corrente transitante, minore sarà il tempo impiegato per raggiungere la temperatura di transizione di fase e, quindi, l’accorciamento del filo a memoria di forma.

Joint 1 Joint 2

Numero Fili SME 4 4

Diametro Fili SME [mm] 0,4 0,2 Potenza Massima [W] 15,6 4,2

Numero Superelastici 1 2

Diametro Superelastici [mm] 2 2

Corsa Massima [mm] 80 150

Corsa Combinata [mm] 300 Tempo Minimo di Attuazione [s] 12 5

Struttura a Geometria Variabile e Tracciamento Visivo

Figura 4.22: Varie forme conseguite dalla struttura in fase di attuazione controllata.

Figura 4.23: Concetto di manipolazione di superfici, attraverso l’utilizzo della struttura a geometria variabile.

Quello che ha senso fare, ora, è testare l’accuratezza di posizionamento. Osservando gli screenshot eseguiti durante il test, è possibile osservare come la misura nel punto di equilibrio non si discosti mai enormemente da quella impostata come riferimento. In tutti i casi, la differenza è apparsa estrema- mente contenuta, dell’ordine dei 2 o 3 mm in eccesso o in difetto (Tabelle

4.3 e 4.4), quindi nella tolleranza evidenziata in [38]. Il risultato, pertanto, appare più che soddisfacente.

Riferimento Riferimento Joint 1 [mm] Joint 2 [mm] Posizione 1 10 -90 Posizione 2 - -52 Posizione 3 -37 30 Posizione 4 70 -

Tabella 4.2: Posizioni inserite nel programma.

Media Media Joint 1 [mm] Joint 2 [mm] Posizione 1 10,4 -90,6 Posizione 2 - -51,4 Posizione 3 -36,2 32,4 Posizione 4 69,6 -

Tabella 4.3: Accuratezza di misura del programma, valori medi.

Dev. Std. Dev. Std. Joint 1 [mm] Joint 2 [mm] Posizione 1 1,5 2,9 Posizione 2 - 3,6 Posizione 3 0,8 2,3 Posizione 4 1,8 -

Tabella 4.4: Accuratezza di misura del programma, deviazioni standard.

Come si evince da quanto appena presentato, il Joint 2 presenta le dif- ferenze maggiori rispetto al riferimento. Questo fatto è da attribuirsi alla minore stabilità strutturale.

Il sistema di misura, inoltre, è molto sensibile al posizionamento dei marker che, nel montaggio, potrebbero essere leggermente disassati, con conseguenti di errori di stima della posizione.

Struttura a Geometria Variabile e Tracciamento Visivo

Figura 4.24: Risultati ottenuti dal collaudo sulla struttura e sul programma.

4.6 Conclusioni

In questo capitolo si è proposta la progettazione e la realizzazione fisica di un prototipo capace di variare la propria geometria, grazie all’utilizzo di fili a memoria di forma. Il sistema è stato costruito partendo dai dati e dalle esperienze riscontrati in fase di sviluppo attuatori (presentata nel Capitolo 3), che sono stati fusi in quest’unico dispositivo.

Grazie ad un concept modulare, è stato possibile generare un ampio range di forme differenti, che possono, quindi, essere conferite ad una superficie mediante la struttura concretizzata in questa tesi.

Quanto ottenuto è stato poi controllato attraverso un software oppor- tunamente implementato, partendo da una tecnologia di misurazione senza contatto.

Il sistema è stato quindi collaudato, con l’intento di verificare il corretto funzionamento nel complesso.

Conclusioni e Sviluppi Futuri

In questo lavoro di tesi si è assistito alla presentazione e sviluppo di una soluzione per la movimentazione di superfici, che sfruttasse in pieno le peculiari caratteristiche e proprietà delle leghe a memoria di forma.

Tali materiali rappresentano una vera e propria svolta in ambito industria- le, in quanto permettono l’attuazione di componenti mobili, senza inficiare il peso complessivo del sistema. In aggiunta a questo, la loro morfologia geo- metrica ne consente una facile integrazione su strutture già esistenti o in fase di ingegnerizzazione.

Attualmente, i campi d’impiego sono il bio-medicale e alcuni settori di nicchia; le previsioni per il futuro, tuttavia, sono incoraggianti, in quanto è stimata una forte crescita anche in ambito industriale, con quote di mercato superiori a quelle attuali.

L’obiettivo specifico di questa tesi era quello di indagare la possibilità di realizzare un sistema di attuazione capace di conferire una nuova macro- geometria ad una superficie. I risultati ottenuti sono incoraggianti: il dispo- sitivo modulare di attuatori proposti è adattabile e progettabile a diverse condizioni di lavoro. Pur in stato embrionale, infatti, si è riusciti a definire una geometria a sbalzo stabile e sicura, con il conseguimento di corse del- l’ordine del 50% della lunghezza complessiva. A questo, inoltre, si aggiunge la silenziosità del moto e la sua certezza, in quanto dovuto ad un fenomeno fisico (la transizione di fase della lega) e non all’interazione tra componenti (soggetti ad usura).

Sia l’attuatore in sé, che la struttura completa, possono trovare un ri- scontro in vari settori industriali.

Per quanto concerne il singolo attuatore, esso potrà inserirsi in contesti variegati di movimentazione, come l’illuminotecnica (cfr. Appendice E) o il puntamento di sistemi visivi o di tracciamento (ad esempio per telecamere posizionate su droni o per video-sorveglianza casalinga).

I campi d’impiego di una struttura come quella presentata al Capitolo 4, invece, sono molteplici e riguardano campi molto differenti tra loro, che vanno dalla medicina interna al settore nautico.

Miniaturizzato, il sistema costituirebbe una nuova forma di movimenta- zione di endoscopi per la chirurgia interna.

Opportunamente scalato e a seguito di una progettazione dedicata, in- vece, esso potrebbe rappresentare una soluzione interessante per l’ideazione di ali a geometria variabile, capaci di adattarsi a diverse condizioni di volo, aumentando l’efficienza di un velivolo, a seguito della riduzione dei consumi. Non è esclusa anche la modifica di profili aerodinamici, onde implementa- re pale eoliche capaci di generare potenza nelle situazioni di vento variabile: questo aspetto rappresenterebbe una notevole innovazione, in quanto si esclu- derebbe l’attuale movimentazione con motori e consentirebbe l’installazione anche in zone con velocità medie di vento non costanti nell’anno.

Altre applicazioni d’interesse, come riportato da [32], sarebbero sfruttate nei sistemi di ombreggiamento. Il comportamento adattivo di questo Shape Memory Alloys Device potrebbe, infatti, servire per aprire e chiudere degli elementi di ombreggiamento o per ottimizzare l’orientamento dei pannelli fotovoltaici secondo la direzione dei raggi solari ([23][45]).

A tal proposito, la facilità d’integrazione del sistema sviluppato in que- sto progetto, lo renderebbe particolarmente interessante anche per l’ambito nautico: bracci di vela a geometria variabile potrebbero conferire differenti curvature alla superficie velica, capace, quindi, di alte efficienze in condizioni mutevoli di crociera.

Quanto discusso sino ad ora, in questo lavoro di tesi, rappresenta solo una prima fase di prototipazione del prodotto, in cui si è data molta attenzione alla fattibilità della soluzione. Per il futuro si rende necessaria un’analisi sperimentale approfondita degli attuatori ideati, onde carpirne tutte le sfu- mature. In particolare, è importante conoscere e saper prevedere un legame diretto tra lunghezza indeformata del filo e corsa utile, in funzione della di- stanza dall’asse neutro dei fili shape memory, della rigidezza dell’attuatore e delle condizioni ambientali in cui risulta inserito.

In questa tesi si è anche presentato un sistema di controllo fuori dall’ordi- nario, basato sulla misurazione visiva della posizione di marker siti su sezioni specifiche. È tuttavia impensabile l’utilizzo di una tecnologia simile in fase di concretizzazione di una soluzione definitiva. Sistemi di misura e controllo più avanzati sono disponibili sul mercato, e attualmente sono impiegati in soluzioni vendute con successo dalla stessa SAES Getters. In questo caso, esse si fondano sulla misura della resistenza elettrica del filo, dalla quale è possibile risalire alla lunghezza effettiva e, quindi, all’accorciamento risultan- te. Alla luce di questo, assume ancor più importanza una caratterizzazione su più provini del sistema di attuazione, ed uno studio dei sistemi elettronici utilizzati per la gestione della corrente transitante nei fili a memoria di forma.

Appendice A

Materiali a Memoria di Forma

A.1 Shape Memory Materials

Per secoli, i metalli hanno giocato un ruolo fondamentale come materiali strutturali. Con lo sviluppo di nuove tecnologie, insieme con una più profon- da conoscenza degli effetti della microstruttura sul comportamento del ma- teriale, la scienza dei materiali si è sviluppata enormemente. La capacità di ingegnerizzare differenti proprietà, per una varietà di differenti applicazioni, ha permesso la scoperta di nuove leghe e compositi [28].

La crescente domanda di materiali leggeri e durevoli, che mostrassero contemporaneamente requisiti strutturali e nuove funzionalità ingegneristi- che, ha portato alla nascita di una nuova classe di materiali, chiamati mul- tifunctional materials. Tra questi, vi è un gruppo in particolare che è ca- pace di reagire a particolari stimoli, alterando le proprietà fisico/chimiche intrinseche. Tecnicamente parlando, questi materiali sono conosciuti come stimulus-responsive materials (SRM) [28][42].

A.1.1 Classificazione degli Stimulus-Responsive Mate-