Functional characterization of thermally activated shape memory alloys for innovative adaptive structures

Il continuo impiego dei materiali a memoria di forma come elementi attivi deriva dall’effetto a memoria di forma e dalle peculiari proprietà meccaniche di questi materiali, tra le quali la capacità di recuperare elevate deformazioni (fino al 10 %), l’elevato rapporto potenza su peso e la capacità di generare elevati sforzi (fino a 800 MPa). Le leghe a memoria di forma sono spesso utilizzate all’interno di materiali polimerici, eventualmente rinforzati con fibre, per realizzare strutture attive deformabili le cui proprietà posso essere modificate in risposta a stimoli esterni. La possibilità di integrare materiali intelligenti all’interno di sistemi attuativi rappresenta una interessante scelta tecnologica ed una soluzione alternativa all’impiego di sistemi meccanici convenzionali, nello sviluppo di meccanismi con migliore semplicità costruttiva e fattibilità. La possibilità di utilizzare elementi in lega a memoria di forma per la realizzazione di strutture deformabili è di particolare interesse nelle applicazioni aerodinamiche dove tale soluzione costruttiva permette di limitare l’introduzione di elementi di controllo che alterano il flusso. Il concetto di pale a geometria variabile, che possono modificare la loro forma in modo attivo, riducendo (o eliminando) così l’impiego di sistemi di controllo, rappresenta una soluzione estremamente interessante. Sebbene vi siano numerose pubblicazioni e brevetti riguardanti l’impiego di elementi in lega a memoria di forma per il miglioramento dell’efficienza aerodinamica e strutturale dei dispositivi nel settore automotive, studi specifici relativi al comportamento di pale a geometria variabile ottenute con leghe a memoria di forma non sono presenti in letteratura. Scopo del presente lavoro è lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di un innovativo concetto di pala a geometria variabile, ideata per l’impiego all’interno di ventole di raffreddamento di motori a combustione interna di macchine movimento terra. La pala in oggetto prevede una struttura composita formata da una matrice polimerica, che fornisce l’elasticità al corpo palare, al cui interno sono alloggiate lamine in lega a memoria di forma che rappresentano gli elementi attivi. Al fine di studiare la fattibilità del sistema in termini di adeguato comportamento flessionale delle lamine all’interno della struttura composita della pala, la prima parte del lavoro ha riguardato la caratterizzazione sperimentale del materiale in lega NiTi. La caratterizzazione termica ha permesso l’ottimizzazione dei parametri di trattamento termomeccanico di memorizzazione della forma (temperatura, tempo e grado di deformazione), i quali sono stati determinati sperimentalmente al fine di massimizzare l’effetto a memoria di forma della lamina. Il recupero della forma da parte del materiale, come risultato delle trasformazioni allo stato solido termicamente attivate, è stato valutato prendendo in considerazione l’evoluzione del valore percentuale di recupero della forma all’aumentare Acknoledgments del numero di cicli di attivazione eseguiti. I risultati sperimentali hanno permesso di stabilire il trattamento termomeccanico più adatto in relazione al recupero a flessione da parte della lamina. Partendo quindi dall’esigenza di valutare la capacità di attivazione della lamina in lega NiTi quando inserita all’interno di una matrice polimerica, è stato progettato e realizzato un primo prototipo di struttura composita costituito da una singola lamina collocata all’interno di una matrice polimerica. La capacità di deformazione a flessione è stata studiata attraverso l’esecuzione di cicli di attivazione ripetuti. Le attivazioni termiche hanno previsto l’impiego sia di un sistema a fluido sia di un sistema a flusso d’aria. Lo studio sperimentale condotto sul prototipo di struttura composita con una singola lamina è stato propedeutico al successivo sviluppo della pala a geometria variabile. L’analisi della sua capacità di deformazione è stata condotta attraverso il confronto tra quattro diverse matrici polimeriche al fine di stabilire il miglior compromesso tra rigidezza e deformazione flessionale per la specifica applicazione in esame. Le modifiche di forma della pala, derivanti dall’effetto a memoria di forma delle lamine, sono state studiate sperimentalmente mediante l’impiego di una galleria del vento appositamente progettata e realizzata, al fine di riprodurre le reali rampe termiche degli scambiatori di calore. I risultati sperimentali hanno evidenziato la possibilità di realizzare un sistema di controllo passivo per ventilatori assiali applicati nel settore automotive sfruttando un sistema di attuazione con leghe a memoria di forma in grado produrre modifiche della geometria palare che ne migliorano il comportamento aerodinamico.