Structural Morphing

Lo Structural Morphing è definito come la possibilità di una struttura di cambiare la propria forma per compensare modifiche di condizione o caratte- ristiche operative [17]. Di seguito saranno proposti gli esempi più interessanti relativi a tale settore applicativo.

Snap-Through di Una Lamina Asimmetrica

I laminati asimmetrici di compositi a matrice polimerica fibro-rinforzati rappresentano una fonte interessante di caratteristiche riguardanti le configu- razioni multiple di equilibrio, la stabilità strutturale e la possibilità di definire forme all’interno di una struttura. Per esempio, un laminato [904/04]T è piat-

to alle elevate temperature, ma raffreddandosi presenta una configurazione bi-stabile: la prima è cilindrica con la curvatura maggiore lungo l’asse x,

mentre la seconda è sempre cilindrica, ma con curvatura rispetto all’asse ortogonale.

Figura 1.11: Varie configurazioni di equilibrio per laminati asimmetrici di compositi a matrice polimerica fibro-rinforzati.

Il concetto esposto in [17] è quello di trarre vantaggio da tali strutture per modificare la superficie del componente, passando da una condizione di equilibrio stabile all’altra, senza spendere energie per mantenere la forma desiderata.

In questa applicazione, un filo SMA è azionato per permettere lo snap- through della lamina, ovvero il passaggio da una condizione di equilibrio all’altra.

Gli autori asseriscono in conclusione che l’utilizzo di leghe a memoria di forma per modificare la curvatura di laminati asimmetrici a multiple condi- zioni di equilibrio stabile è possibile e non presenta particolari problematiche. Il limite, ancora da investigare, sarebbe quello di riportare la struttura alle

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(a) (b)

Figura 1.12: Valutazione teorica (a) e sperimentale (b) del concetto di snap- through di un laminato asimmetrico.

condizioni originarie, introducendo un sistema analogo sulla faccia inferiore della lamina, invertendo lo snap.

Controllo Attivo di una Struttura a Lamine Parallele

Il sistema ideato da Oh e Hwang riportato in [35] si compone di una struttura a tre lamine, due delle quali parallele tra loro, incastrate ad un estremo; la terza piastra collega le prime due all’estremo opposto a quello di fissaggio, come mostrato in Figura 1.13.

(a)

(b)

Figura 1.13: Schema strutturale (a) proposto da Oh e Hwang e simulazione ad elementi finiti (b).

Le due lamine parallele sono interconnesse attraverso delle costole realiz- zate in fili di lega a memoria di forma (SMA Wires). Ogni filo genera una forza concentrata che viene impressa alle piastre. Secondo le condizioni di vincolo imposte o la disposizione dei fili è possibile controllare la deformata della lamina.

L’obiettivo proposto è quello di produrre differenti forme strutturali e il motivo di tale scelta risiede nella possibilità di integrare un sistema simile in ambito aeronautico.

Anche in questo caso è evidente come vi sia una tendenza ad incorporare la nuova tecnologia nella struttura, al fine ottenere un controllo attivo e continuo della superficie in questione: sono le lamine stesse a funzionare da richiamo per i fili SMA, non vi è nessuna aggiunta di elementi esterni quali molle.

Laminato Strutturale Attuato Attraverso SMA

Nel contesto dello Structural Morphing, analogamente a quanto appena proposto, rientra anche la struttura definita in [19]. Elzey e Sofla propon- gono un pannello sandwich, strutturalmente efficiente, capace di sostenere cambiamenti reversibili di forma, grazie all’applicazione di forze localizzate, generate da fogli laminati in lega a memoria di forma.

Come viene chiaramente dichiarato nell’articolo, a differenza di altri desi- gn simili, il punto di forza della soluzione presentata risiede in una profonda integrazione delle forze di attuazione: il moto è generato dall’effetto shape memory dei fogli interni, non da una forza esterna. A seconda che venga riscaldata una faccia o l’altra, il sistema è capace di moti e cambiamenti di forma in una direzione o l’opposta.

Figura 1.14: Struttura sandwich attuata mediante pannelli SMA. A seconda del pannello attivato, il sistema può deformarsi in una direzione o in quella opposta.

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Un probabile punto debole di una configurazione analoga a quella pro- posta potrebbe essere l’effetto antagonista: l’elemento inattivo, che subisce una trazione, va a limitare l’effetto di quello attuato. Sperimentalmente, il risultato ottenuto dagli autori è rilevante: una struttura rigida a sbalzo di 20 cm di lunghezza è stata capace di compiere uno spostamento verticale di 12 cm, riuscendo quindi a superare la problematica evidenziata, con un opportuno dimensionamento della struttura, dei nodi e dei giochi.

Strutture Reticolari Incernierate Attuate Mediante SMA

In campo ingegneristico, le strutture reticolari sono ampiamente utilizzate per sostenere carichi in applicazioni dove l’ottimizzazione della massa riveste un punto cardine della progettazione.

Il sistema, ideato in [40], propone l’installazione di attuatori lineari nel meccanismo reticolare, con l’obiettivo di generare mutazioni nella geome- tria esterna della struttura stessa. Moduli tetragonali, costituiti da barre incernierate per mezzo di cardini ad attrito ridotto, definiscono la forma tradizionale. Sostituendo un supporto del reticolo con un attuatore SMA è possibile manipolare il dispositivo, generando una mutazione reversibile a seconda dell’applicazione prescelta.

Figura 1.15: Struttura reticolare azionata da attuatori lineari in lega a memoria di forma. Il dispositivo è capace di compiere diverse tipologie di movimento.

Quello che si ottiene è un’ampia gamma di movimenti, che vanno dalla flessione alla torsione. Se si pensa di ripetere i moduli di base su un piano, e non monodimensionalmente, si costruisce una superficie capace di definire geometrie tra le più disparate, come appare in Figura 1.16.

Figura 1.16: Esempi di manipolazione di una superficie realizzata replicando su un piano la struttura tetragonale di base.

La problematica di fondo risiede nell’esigenza di una forza di richiamo per completare la reversibilità del fenomeno.

Figura 1.17: Effetto antagonista tra i due fili SMA nel modulo tetragonale di base.

La soluzione adottata dai ricercatori è quella di utilizzare nuovamente l’effetto antagonista: in questo caso è evidente come si vada a trazionare un filo a seguito della contrazione del rivale. Ciò comporta una riduzione dell’effetto di attuazione. Ad ogni buon conto, tuttavia, il risultato globale ottenuto dalla sovrapposizione del moto di ogni singolo modulo è notevole.

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