Rezumat Teza Lungu Ion

FACULTATEA DE MECANIC

Ing. Lungu Ion

TEZ DE DOCTORAT

CERCETRI PRIVIND DEZVOLTAREA ACTUATORILOR LINIARI I ROTATIVI PE BAZ DE

ALIAJE CU MEMORIA FORMEI, CU APLICAII N SISTEMELE DE TIP MICROFABRIC

Numit prin Ordinul Rectorului Universitii Tehnice din Cluj-Napoca,

Nr. 342/7.09.2010

Conductor tiinific, Prof.dr.ing.Vencel CSIBI

Comisia de evaluare a tezei de doctorat: PREEDINTE: - Prof.dr.ing. Liviu Vaida - prodecan, Facultatea de Mecanic,

Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca; MEMBRI: - Prof.dr.ing. Vencel Csibi - Conductor tiinific, Facultatea Mecanic

,Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca; - Prof.dr.ing. Constantin Niu - Referent, Universitatea Politehnica din Bucureti; - Conf.dr. ing. Alexandru Pozdrc - Referent, Universitatea Petru Maior

din Trgu Mure; - Prof.dr.ing. Dan Mndru Referent, Facultatea de Mecanic, Universitatea

Tehnic din Cluj-Napoca.

Organizeaz LUNI, 27-09-2010, ora 12.00, n Amfiteatrul A 113, B-dul Muncii, nr.103-105, susinerea public a tezei de doctorat:

" Cercetri privind dezvoltarea actuatorilor liniari i rotativi pe baz de aliaje cu memoria formei, cu aplicaii n sistemele de tip microfabric"

elaborat de ing. Lungu Ion, n vederea obinerii titlului tiinific de DOCTOR, n domeniul: Inginerie mecanic.

Comisia de analiz i susinere a tezei se compune din:

PREEDINTE:- Prof.dr.ing. Liviu Vaida - prodecan, Facultatea de Mecanic, Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca;

MEMBRI: - Prof.dr.ing. Vencel Csibi - Conductor tiinific, Facultatea de Mecanic, Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca;

- Prof.dr.ing. Constantin Niu - Referent, Universitatea Politehnica din Bucureti;

- Conf.dr. ing. Alexandru Pozdrc - Referent, Universitatea Petru Maior din Trgu Mure;

- Prof.dr.ing. Dan Mndru Referent, Facultatea de Mecanic, Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca.

. Eventualele aprecieri sau observaii, asupra coninutului lucrrii, v rugm s le transmitei n timp util pe adresa Universitii Tehnice din Cluj-Napoca.

V invitm s participai la edina public de susinere a tezei. RECTORATUL,

Cuprins Introducere .1

1. Stadiul actual al cercetrilor n domeniul sistemelor de tip microfabric...................5/3 1.1 Conceptul de microfabric ......................................................................................7/3

1.2.1 Scurt istoric al sistemelor de tip microfabric ..................................................7/3 1.2.2 Conceptul de baz al sistemelor de tip microfabric ......................................8/4 1.2.3 Cererea pe pia a sistemelor de tip microfabric ..................................................9/5

1.2 Componentele i clasificarea sistemelor de tip microfabric ......................................9/5 1.2.1 Componentele din structura unei microfabrici ..................................................9/5

1.2.2 Clasificarea tipurilor de microfabrici ............................................................10/6

1.3 Avantajele i dezavantajele sistemelor de tip microfabric ....................................16/6 1.3.1 Avantajele sistemelor de tip microfabric 16/6 1.3.2 Dezavantajele sistemelor de tip microfabric ................................................23/7

1.4 Influena conceptului de microfabric asupra proiectrii produselor ........................24/7 1.4.1 Strategii pentru dezvoltarea sistemelor de tip microfabric ...........................25 1.4.2 Influenele tehnologice asupra proiectrii produsului .......................................26 1.4.3 Restriciile privind dezvoltarea produselor ...................................................26

1.5 Efectul social al sistemelor de tip microfabric ............................................................27/8 1.6 Exemple de aplicaii ale sistemelor de tip microfabric ................................................27/8

1.6.1 Microfabric de tip desktop ........................................................................27/8 1.6.2 Aplicaii chimice i termo-mecanice ...............................................................29 1.6.3 Alte aplicaii ale microfabricilor ........................................................................31/9

1.7 Concluzii ......................................................................................................................39/11

2. Actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei ..............................................41/12 2.1 Introducere ..........................................................................................................43/12

2.2 Efectul de memorare a formei ..................................................................................44/12

2.3 Tipuri de elemente active din aliaje cu memoria formei ..............................................48/14

2.4 Materiale cu efect de memorare a formei ..........................................................49/15

2.5 Avantajele i dezavantajele actuatorilor pe baz de aliaje cu memorie ......................51/15 2.6 Structura unor actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei ..................................52/16 2.7 Sisteme de comand pentru actuatori cu fire din aliaje cu memorie ......................59/17 2.8 Analiza comparativ a unor actuatori ......................................................................63/18

2.8.1 Actuatorul DM 01 - MIGA Motors Company ..............................................63/18

2.8.2 Actuatorul NanoMuscle ..................................................................................65/19

2.8.3 Actuator Starsys folosit n industria aero-spaial ...................................................68

2.8.4 Actuator liniar umed pe baz de aliaj cu memorie .......................................69 2.8.5 Actuator liniar pe baz de aliaj cu memorie utilizat la display-uri tactile ...............71 2.8.6 Actuator liniar de tip Electric Piston ..........................................................73/19

2.8.7 Actuator liniar cu arc elicoidal din aliaj cu memorie .......................................74

2.8.8 Actuator liniar cu fire din aliaj cu memorie i lamele elastice ......................75/20 2.8.9 Actuator liniar diferenial cu arcuri elicoidale din aliaj cu memorie ...............76 2.8.10 Actuator liniar cu elemente multiple ..........................................................78/20

2.9 Analiza unor aplicaii ale aliajelor cu memoria formei n sisteme de tip microfabric ......................................................................................................................................79/20

2.10 Actuatori pe baz de memorie magnetic a formei ..............................................84/22 2.11 Concluzii ..........................................................................................................86/22

3. Analiza termo-mecanic a firelor din aliaje cu memoria formei ..89/24 3.1 Modelarea matematic a efectului de memorarea formei ..................................91/24 3.2 Determinarea timpilor de nclzire-rcire ........................................................102/24 3.3 Studiul parametrilor funcionali ai firelor din aliaje cu memorie ....................111/27

3.3.1 Parametrii mecanici ai firelor din AMF ........................................................111/27

3.3.2 Parametrii electrici ai firelor din AMF ........................................................113/28

3.3.3 Parametrii termici ai firelor din AMF ........................................................114/28

3.4 Dezvoltarea unui stand de testare a firelor din aliaj cu memorie ....................116/29

3.5 Contribuii privind studiul experimental al firelor din aliaje cu memorie ........126/32 3.6 Concluzii ....................................................................................................................135/35

4. Dezvoltarea de actuatori liniari i rotativi pe baz de fire din aliaje cu memoria formei ....................................................................................................................139/36

4.1 Cercetri privind structura modular a actuatorilor ............................................141/36 4.2 Actuatori liniari pe baz de fire din aliaje cu memoria formei ................................147/38 4.3 Actuatori rotativi pe baz de fire din aliaje cu memoria formei ................................159/43 4.4 Concluzii ....................................................................................................................165/45

5. Testarea familiei de actuatori pe baz de fire din aliaje cu memoria formei ........167/47 5.1 Noiuni introductive privind controlul elementelor de tip fir din aliaje cu memoria

formei.........................................................................................................................169/47

5.2 Realizarea standului de testare a actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei.173/48 5.3 Rezultatele experimentale privind actuatorii liniari cu fire din aliaje cu memoria

formei.........................................................................................................................177/51

5.4 Control PID pentru actuatorii liniari cu fire din aliaje cu memoria formei .......187/52

5.5 Concluzii ...................................................................................................................198/59

6. Aplicaii propuse ale actuatorilor dezvoltai n sisteme de tip microfabric ........201/60 6.1 Aplicaii propuse pentru actuatorii liniari cu memoria formei ................................203/60 6.2 Aplicaii propuse pentru actuatorii rotativi cu memoria formei ................................207/61 6.3 Concluzii ....................................................................................................................208/62

7. Concluzii generale. Contribuii personale. Direcii viitoare de cercetare .............209/63 7.1 Concluzii generale ............................................................................................211/63

7.2 Contribuii personale ............................................................................................214/65 7.3 Modul de valorificare a rezultatelor ....................................................................216/66

7.4 Direcii viitoare de cercetare ................................................................................217/67 Bibliografie ....................................................................................................................218/68

Anexa I .........................................................................................................................230

Anexa II .231

Anexa III .232

Anexa IV .233

Anexa V .234

Anexa VI .235

Anexa VII .236

1

INTRODUCERE

Evoluia n dezvoltarea sistemelor mecatronice, n general, i a celor specifice micromecatronicii, n special, determin nemijlocit creterea potenialului comercial al sistemelor de tip microfabric. Nevoia de astfel de sisteme de producie miniaturizate dar cu nalte performane funcionale, este evident, astfel c sunt pe deplin justificate cercetrile legate de dezvoltarea unor noi sisteme de tip microfabric, pe de o parte, sau de mbuntirea i perfecionarea celor existente, pe de alt parte. Pornind de la aceste consideraii, teza de doctorat intitulat CERCETRI PRIVIND DEZVOLTAREA ACTUATORILOR LINIARI I ROTATIVI PE BAZ DE ALIAJE CU MEMORIA FORMEI, CU APLICAII N SISTEMELE DE TIP MICROFABRIC i propune s realizeze cercetri teoretice i experimentale n domeniul unor sisteme noi de acionare, aplicabile n domeniul microfabricilor, i anume, n domeniul actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei.

Teza de doctorat cuprinde 236 pagini, 251 de figuri, 21 tabele i este structurat pe apte capitole ce prezint n mod gradat problema i rezolvarea ei, precum i concluziile, contribuiile originale i respectiv modul de valorificare a rezultatelor i direcii viitoare de cercetare. De asemenea, teza mai cuprinde alte 7 anexe, pe 7 pagini.

Capitolul 1 prezint un scurt istoric al sistemelor de tip microfabric, conceptul de baz specific acestora i noiuni privind nevoia de astfel de sisteme n ingineria de precizie. Sunt sistematizate avantajele i dezavantajele sistemelor de tip microfabric, dup care este evideniat influena asupra proiectrii produselor. Sunt studiate exemple reprezentative de microfabrici de diferite tipuri.

Capitolul 2 i propune studiului actuatorilor realizai pe baz de aliaje cu memoria formei. Dup ce sunt prezentate bazele fizice ale efectului de memorarea formei sunt date principalele tipuri de elemente active i sunt sistematizate materialele cu aceste proprieti. Sunt prezentate structuri generale a actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei Este efectuat o analiz comparativ a aplicaiilor acestor actuatori n special n domeniul microfabricilor.

Capitolul 3 trateaz n prima parte un model matematic al aliajelor cu efect de memorare a formei. Se prezint modul de determinare a timpilor de nclzire-rcire pentru diferite forme geometrice ale aliajelor cu memoria formei. Este prezentat standul dezvoltat pentru testarea

firelor din aliaj cu memoria formei. Este detaliat structura mecanic, structura electronic i modul de msurare a firelor, pentru standul dezvoltat. Rezultatele obinute sunt prezentate succint i susinute de grafice relevante.

2

Capitolul 4 este dedicat cercetrilor efectuate pentru dezvoltarea actuatorilor liniari i rotativi pe baz de fire din aliaje cu memoria formei. Este prezentat nevoia de modularizare i structura modular a actuatorilor pe baz de fire din aliaje cu memoria formei. Capitolul cuprinde prezentarea succint a actuatorilor liniari i rotativi realizai care funcioneaz pe baz de fire din aliaje cu memoria formei.

Capitolul 5 trateaz pe larg detalii privind modul de concepere i componentele standului de msurare precum i programul folosit pentru obinerea rezultatelor experimentale privind actuatorii liniari cu fire din aliaje cu memoria formei. n urma unei analize a rezultatelor obinute s-a conceput controlul PID pentru actuatorii liniari cu fire din aliaje cu memoria formei.

Capitolul se ncheie cu rezultatele obinute n urma aplicrii controlerului PID. Capitolul 6 are ca i scop prezentarea anumitor aplicaii posibile privind implementarea

familiei de actuatori n structura unei microfabricii. Sunt prezentate pe rnd soluii pentru diverse aplicaii specifice actuatorilor liniari i celor rotativi.

Capitolul 7 prezint concluziile generale ale rezultatelor obinute, elementele de originalitate i contribuiile aduse de ctre autor n cadrul acestei teze doctorale precum i valorificarea rezultatelor i direciile viitoare de cercetare. Teza se ncheie cu referine bibliografice i anexele. Bibliografia, actual i variat, cuprinde un numr de 281 referine, dintre care 17 aparin autorului.

O mare parte din cercetrile experimentale ale tezei au fost posibile datorit accesului asigurat n cadrul laboratoarelor Catedrei Mecanisme, Mecanic Fin i Mecatronic a Universitii Tehnice din Cluj-Napoca. De asemenea, cercetarea experimental a fost posibil cu sprijinul ENSMM - FEMTO-ST, departamentul AS2M, Besancon, Frana. Un sprijin nsemnat n derularea cercetrilor i n finalizarea acestei teze l-a reprezentat participarea mea ca i membru n colectivul de cercetare al Proiectului de tip IDEI 1076 Dezvoltarea unei familii modularizate

de actuatori liniari i rotativi pe baz de aliaje cu memoria formei. Doresc s mulumesc n mod deosebit conductorului tiinific, domnul Prof.dr.ing. Csibi

Vencel, pentru contribuia la formarea mea pe plan tiinific. Mulumesc domnului Prof. dr. ing. Dan Mndru, directorul de contract IDEI nr. 1076, pentru sprijinul profesional, financiar i personal acordat pentru realizarea acestei lucrri. Nu n ultimul rnd, doresc s mulumesc n mod deosebit familiei mele pentru sprijinul moral i financiar acordat n special pe durata activitii mele doctorale.

August, 2010 Autorul

Stadiul actual al cercetrilor n domeniul sistemelor de tip microfabric

3

1. STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR N DOMENIUL SISTEMELOR DE TIP MICROFABRIC

1.1 Conceptul de microfabric 1.1.1 Scurt istoric al sistemelor de tip microfabric

Conceptul de microfabric a fost dezvoltat pentru prima dat n Japonia la sfritul secolului XX. Din 1988 centrul de cercetri Micromachine Centre, susinut de Ministerul Japonez al Economiei, Comerului i Industriei i de Mechanical Engineering Laboratory (MEL) a discutat despre miniaturizarea mainilor unelte sau a sistemelor de prelucrare, n cadrul unui proiect naional. ntregul proiect a durat din 1991 pn n 2000. Cercetarea a nceput cu ideea miniaturizrii mainilor care ar putea fi necesar la producerea micro-pieselor iar organizarea unei microfabrici a nceput prin conceperea (crearea) de fabrici desk-top, maini unelte corespunztoare, faciliti de producie ntr-o anumit direcie, scopul principal fiind reducerea consumului energetic precum i economia de material. La nceputul demersurilor de a transforma conceptul de microfabric n realitate s-a realizat un micro-strung mai mic dect palma unui om, aceasta petrecndu-se n 1996, fiind primul mare succes pentru urmtorul pas nspre uimitorul concept de microfabric [182]. Dei micro-strungul a avut dimensiunea de doar 1 inch cub, a fost capabil s taie n metal cu o acuratee mai mare dect un strung convenional adaptat unui efect restrictiv din punct de vedere economic. Succesul micro-strungului a constat n fora motoare a prototipului ntregii fabrici prelucrtoare. Apoi primul prototip general de microfabric a fost produs de MEL (Laboratorul de Inginerie Mecanic, Tsukuba, Japonia). Acesta a fost un sistem de fabricaie de tip desktop pentru fabricarea microbilelor pentru rulmeni. Conceptul de microfabric a fost recunoscut n comunitatea internaional dup prezentarea lui la trei workshop-uri despre microfabrici desfurate n 1998 n Tsukuba, Japonia, n 2000 n Fribourg, Elveia i n 2002 n Mineapolis, SUA,[182].

Institutul Fraunhofer pentru Inginerie i Automatizri (FhG-IPA) din Germania a dezvoltat un sistem unic de minifabric care are o structur modular incluznd platforma de baz, actuatori, unitile de transfer ca hardware i software. Ecole Polytchnique Fdrale de Lausanne, Elveia, a dezvoltat o main de gravat i de gurit de tip desktop pentru realizarea de microaplicaii, [182]. Alte pri active ale acestor dezvoltri n domeniul microfabricilor au fost Institutul Federal de Tehnologie al Elveiei (Swiss Federal Institute of Technology), Ehrfeld Mikrotechnik AG i Forschungsezentrum Karlsrushe din Germania. Dintre rile asiatice pe lng


4

Japonia, Corea, Taiwan, Singapore i China s-au artat interesate de domeniu. 1.1.2. Conceptul de baz al sistemelor de tip microfabric

Prin microfabric (termen preluat din limba englez - microfactory) se nelege un sistem de producie miniaturizat folosit la realizarea de piese i produse de dimensiuni reduse. n general n structura unei microfabrici se regsesc, la scar redus, toate componentele unui sistem clasic de producie, din structura unei fabrici.

Sistemele de tip microfabric au sloganul Ce alt modalitate este mai bun pentru a realiza piese mici dect maini mici? acesta fiind conceptul pe care se bazeaz dezvoltarea microfabricilor, [238]. Dac este posibil realizarea de echipamente i de sisteme de producie miniaturizate de ctre maini miniaturizate atunci ar fi nevoie de mult mai puine resurse i mult mai puin energie ce ar fi necesar pentru funcionarea lor. Zgomotele, vibraiile i poluarea pot fi reduse considerabil astfel nct fabricile s fie compatibile cu mediul. Aceste avantaje identificate de cercettori conduc la ideea produciei la dimensiuni mici denumit cu termenul de microfabric. n prezent costul unui sistem micro depinde de costul de producie (60%-80%). Acest cost ar putea fi redus prin reducerea costului echipamentului de producie, producia la viteze mari, [30]. Costul unei micro-piese este:

n concluzie va fi nevoie de o main la pre favorabil care s lucreze la viteze mari. Pentru a obine viteze mari n producie va trebui micorat distana i masa, acest lucru fiind posibil ntr-un sistem de tip microfabric. Diagrama de mai jos arat ciclul complet al conceptului de microfabric:

Costul echipamentului

Numrul de buci Costul piesei

Producerea de maini la un cost redus i viteze mari

Spaii i echipamente de producie mici

Minimizarea distanei i masei

Microfabric

Fig. 1.1 Evoluia conceptului de microfabric [30]


5

1.1.3 Cererea pe pia a sistemelor de tip microfabric n prezent exist o tendin global pentru miniaturizarea produselor ct i a proceselor de

producie. Pe un asemenea fond exist un uria potenial comercial pe piaa global pentru conceptul de microfabric. Viitoarea pia pentru microfabrici poate fi mprit n dou:

a) piaa pieselor de schimb b) o pia nou

Piaa pieselor de schimb Pe aceast pia microfabricile ctig teren n domeniul tehnologiei sistemelor. Att

interesul ct i profitul va crete dac se vor nlocui sistemele convenionale de prelucrare cu microfabrici. Mainile existente i procesele de fabricaie vor fi nlocuite de microfabrici i respectiv de procesele de microfabricaie. Actualii roboi industriali, mainile unelte, montatoarele de chip-uri i echipamentele de prelucrare a semiconductorilor pot fi nlocuite cu micro-sisteme. n aceast direcie se estimeaz o pia n jur de 1614 milioane de dolari pn n anul 2015, [30].

O pia nou Pe aceast pia microfabricile vor extinde piaa de produse tehnologice. Este generatoare

de idei noi, cmpuri noi de aplicaii ca de exemplu echipamentele de prelucrare, structuri micromecanice, noi aplicaii casnice i echipamente de reciclare. n aceast direcie se estimeaz o pia n jur de 1875 milioane de dolari pn n anul 2015, iar aplicaiile n acest domeniu se vor mri de patru ori pn n 2015 [30].

1.2. Componentele i clasificarea sistemelor de tip microfabric

1.2.1 Componentele din structura unei microfabrici

Echipamentele i accesoriile necesare unei microfabrici sunt aceleai ca echipamente necesare ntr-o fabric tradiional de dimensiuni clasice, diferena e doar de dimensiune, mas i precizie. La nivel de microfabric este nevoie de maini de precizie ridicat i cu uniti pentru prindere i manipulare cu interfa prietenoas. Diagrama din figura 1.2 prezint principalele cerine funcionale ale unei microfabrici; cerine care determin structura acestea. La sistemele actuale de prelucrare chiar dac produsele finale sunt de dimensiuni mici, manipulatoarele i alte elemente structurale au rigiditate ridicat la evitarea deformaiilor sau la prelucrarea forelor de reaciune i asta se ntmpl datorit dimensiunilor mult mai mari a sistemului de prelucrare fa de produsul prelucrat, [238]. Dac sistemele de prelucrare, vor fi de dimensiuni mai mici, atunci va fi nevoie de resurse mai puine pentru realizarea nsi a


6

mainilor, cu un consum de energie considerabil mai mic. Pentru a ajunge la performane economice bune este nevoie de componente de dimensiunile necesare realizrii unei microfabrici.

1.2.2 Clasificarea tipurilor de microfabrici

Sunt propuse trei sisteme tipice de microfabrici [211]:

1. Microfabric de tip desktop; 2. Sisteme de producie cu roboi miniaturizai; 3. Sisteme pentru reacii chimice.

Prima categorie se refer la: Sisteme de prelucrare mobile amplasate fie n autovehicul, tren sau nav, cu scopul de a

realiza piese mecanice sau electrice de dimensiuni mici.

Sisteme de lucru n medii extreme cum ar fi vacuum, camer criogenic, presiune ridicat, ap, etc.

Posturi de lucru n supermarket-uri sau acas cu scopul de a produce produse potrivite fiecrui client sau realizarea de cosmetice, bijuterii sau lentile de contact personalizate.

Sisteme de prelucrare, la faa locului, utiliznd aparatur portabil, pentru realizarea de elemente interschimbabile la dimensiunile dorite, cum ar fi elemente de baz speciale, sau pri componente pentru nlocuire, etc.

A doua categorie de microfabrici poate realiza sarcini cum ar fi:

Distrugerea paraziilor Colectarea uleiurilor vrsate i unele activiti de tip underground, sarcinile fiind realizate de

un grup de microroboi. Al treilea tip presupune:

Realizarea de reacii chimice complexe pentru obinerea de substane chimice, pentru farmaciile de dimensiuni mici i pentru sisteme cosmetice.

1.3 Avantajele i dezavantajele sistemelor de tip microfabric

1.3.1 Avantajele sistemelor de tip microfabric Din literatura de specialitate [52],[236],[237],[238] avantajele unei microfabrici pot fi

observate n diferite arii ale industriei i constau n: Reducerea spaiului Reducerea costurilor

Realizarea de produse personalizate

Modularitate n procesul de fabricaie Flexibilitate.


7

Reducerea costului de stocare/depozitare

Economisire de energie

Reducerea costului pe operaii Avantaje privind protecia mediul nconjurtor

Rspuns rapid Avantaje privind aspectul uman

Avantaje din punct de vedere tehnic

(preciziei)

Avantaje economice

1.3.2 Dezavantajele sistemelor de tip microfabric Interesul asupra conceptului de microfabric nu este remarcabil pentru c pe termen lung poate economisi bani, spaiu, resurse i personal. Conceptul are nu numai avantaje ci i unele dezavantaje de care specialitii trebuie s in seama nainte de a construi o microfabric. Acestea sunt:

Principalul dezavantaj al unei microfabrici este reprezentat de suprapunerile n provocrile tehnice. Standardizarea n lumea micro este departe de a fi realizat. Interfaa ntre micro i macro este o alt provocare tehnic.

Microfabrica i microtehnologia este un cmp de cercetare interdisciplinar. Este nevoie de un grup multidisciplinar i multicultural de cercettori. Este nevoie de cercetare i dezvoltare intens. Ideea poate fi realizat numai prin nalt tehnologie bazat pe o societate avansat.

O fabric la scar mic are nevoie de un numr redus de personal. Aceasta va afecta piaa forei de munc. Un numr semnificativ de persoane i vor pierde locul de munc pe termen lung dac conceptul de microfabric este acceptat pe scar larg.

1.4 Influena conceptului de microfabric asupra proiectrii produselor

Conceptul de microfabric s-a nscut din ideea de a produce microelemente folosind microprocese de fabricare care sunt la o scar mai mic dect a fabricilor actuale. De-a lungul procesului de fabricare procesul de realizare a produsului trebuie s fie proiectat special pentru microelemente pentru a fi produs de o microfabric. Conform cu inovarea prof. Hans Nrgaard Hansen [242] cmpul microtehnologiilor este prea ntins caracterizat prind deprinderi

multidisciplinare. De exemplu, un senzor pentru analiza chimic a fluidelor, este influenat de chimia, biologia, mecanica fluidelor i fabricarea industrial a senzorului. Procesul de concepere a produsului este realizat pentru un numr mare de consumatori, avnd ntr-o baz de date cerinele consumatorilor, materialele disponibile, detaliile tehnice i tehnologice asociate. Dezvoltarea i proiectarea rapid a unui produs nou depinde de competenele fiecrei


8

companii. Dezvoltarea unui produs nou i proiectarea noilor metodologii au nevoie de discipline profesionale, n special cnd vorbim despre dimensiuni micrometrice ce trebuiesc realizate,

manipulate, asamblate, controlate i msurate. Pentru introducerea unui microprodus pe o pia larg sunt necesare dezvoltarea de procese, materiale, tehnologii de producie care pot fi suportate de industria productoare. Pentru ca un produs s fie realizat de o microfabric sau ntr-o fabric mobil va trebui s se in seama de noi concepte de fabricare, unde standardizarea va devenii o necesitate n aceast arie, aria micro [241].

1.5 Efectul social al sistemelor de tip microfabric

Utilizarea microfabricilor pe o scar din ce n ce mai larg are implicaii de natur social deoarece, prin particularitile sale, conceptul de microfabric are potenialul de a aduce schimbri n societatea modern industrializat. Astfel, n procesul convenional de realizare a produselor o multitudine de specialiti lucreaz n mari fabrici. Odat cu extinderea utilizrii microfabricilor, nu este greu de imaginat c este nevoie de un numr redus de muncitori care s le deserveasc. Sistemele de fabricaie miniaturizate nu nseamn doar spaiu redus, ci i cerine sczute de resurse umane. n prezent multe companii cumpr unele componente sau accesorii de la ali productori. Dar dac ar produce ei aceste componente i accesorii n afara liniei de producie principale cu ajutorul mini-fabricilor, componente pe deplin adaptate la procesul principal de producie, marii productori i vor putea asigura necesarul de componente, astfel c furnizorii vor fi nevoii s se orienteze ctre alte piee.

1.6 Exemple de aplicaii ale sistemelor de tip microfabric

1.6.1 Microfabric de tip desktop Pentru a realiza o microfabric trebuie s ai aproximativ aceleai mainrii ce le ntlnim la fabricile obinuite cu excepia c sunt proiectate la o scar mult mai mic. Laboratorul Mechanical Engineering Laboratory (MEL) din Japonia a dezvoltat cele mai importante maini necesare pentru a realiza o fabric de birou. Ea include un strung, o main de presat, o main de frezat, un micromanipulator i un microgriper. Toate mainile s-au dovedit a fi funcionale.


9

Fig. 1.15 Echipamente pentru microprelucrri. a) Microstrung; b) Microgriper;

c) Microfrez; d) Micropres; e) Micromanipulator. [182] Laboratorul MEL a dezvoltat o microfabric care produce un rulment miniaturizat cu un diametru exterior de 900m i o lungime a arborelui de 3mm. Ansamblul rulmentului este compus din bile de rulment, arbore de rotaie, carcas i capac. Microfabrica este compus din microstrung, main de frezat i gurit. Toate componentele sunt transportate din zona de prelucrare n zona de asamblare folosind un bra robotic cu o poziionare foarte precis [3]. Cele spuse mai sus sunt redate n figurile 1.16 i 1.17.

Fig. 1.16 Microfabric de tip desktop [182] Fig. 1.17 Rulment produs n microfabric [182]

1.6.3 Alte aplicaii ale microfabricilor Miniaturizarea sistemelor de fabricare au fost din ce n ce mai studiate dup ce s-a realizat

cel mai mic strung din lume. O echip de la Ecole Polytchnique Fdrale de Lausanne, Elveia unde s-a realizat o fabric de buzunar. Obiectivul principal al proiectului a fost de proiectare, realizare a unei uniti miniaturizate i modulare de curire a microsistemelor i crearea unei


10

baze de date pentru accesoriile necesare ntr-un lan de producie. n figura 1.25 este prezentat fabrica de buzunar [224]. Unitatea de curat are dimensiunile 5050mm. Un alt dispozitiv de tip microfabric a fost realizat de Haruo Ogawa de la Corporate R D Center, Olympus Optical CO. din Japonia proiectnd un microprodus optic. Acesta poate

asambla lentile i cadre pentru lentile cu diametrul exterior de 1mm, aceast operaie fiind foarte greu de realizat pe mainile convenionale. Maina ocup un spaiu de numai 0.125m3 i poate fi vzut n figura 1.27[181]. n cadrul unei microfabrici manipularea microobiectelor, schimbarea dispozitivelor de prindere este absolut necesar. De exemplu, dup forma i dimensiunea

microobiectului, vrem s schimbm dispozitivele de prindere. Aceasta pare costisitor avnd n vedere fabricarea micromanipulatoarelor.

Fig. 1.30 Tipuri de efector final pentru o microfabric

De aceea se utilizeaz efector final diferit, care este montat pe manipulator. n funcie de microobiectul manipulat, efectorul final este schimbat pe manipulator. n figura 1.30.a regsim diferite forme de efector final utilizate pentru diferite forme ale microobiectelor n scopul de a

Fig. 1.25 Microfabric de curire a microsistemelor


11

minimiza fora de aderen. Figura 1.30.b este prezentat un dispozitiv de prindere echipat cu un astfel de efector final. Un exemplu de schimbare a efectorului final bazat pe principiul termic,

este artat n figura 1.30.c. Aceste tipuri de efector final au fost realizate de Ecole Nationale Superieure de Mecanique et des Microtechnique de Besancon, Frana.

1.7 Concluzii Din primul capitol al tezei, se desprind urmtoarele concluzii: conceptul de microfabric a aprut in Japonia, n jurul anului 1990; microfabricile

prezint multe avantaje printre care: economia de energie, economia de spaiu i economia de resurse materiale, cost minim de investiie, rspuns rapid, construcie modularizat, precizie ridicat, precum i schimbarea cu uurin a liniei de producie;

microfabricile se clasific n funcie de structura i rolul lor funcional, cele mai reprezentative fiind cele de tip desktop, sistemele de producie avnd n structur roboi miniaturizai i sistemele dedicate unor reacii chimice, fiecare avnd o gam bine stabilit de aplicaii consacrate;

evoluia tehnicilor de fabricare a materialelor inteligente a deschis o nou etap n evoluia actuatorilor, dnd posibilitatea de a asigura precizii de ordinul micrometrilor i chiar nanometrilor, astfel ca noii actuatori, cum ar fi cei piezoelectrici, magnetostrictivi, electrostatici,

chimici sau cei pe baz de aliaje cu memoria formei au completat gama de aplicaii a celor clasici (electrici, hidraulici, pneumatici, etc.);

posibilitatea de a miniaturiza aceti actuatori i de a fi uor integrai cu celelalte structuri, le confer actuatorilor neconvenionali o flexibilitate ridicat, ceea ce deschide noi perspective n ceea ce privete folosirea lor pe scar larg n structura sistemelor de tip microfabric;

Evoluia n dezvoltarea sistemelor mecatronice, n general, i a celor specifice micromecatronicii, n special, determin nemijlocit creterea potenialului comercial al sistemelor de tip microfabric. Nevoia de astfel de sisteme miniaturizate de producie, cu nalte performane funcionale, este evident, astfel c sunt pe deplin justificate cercetrile legate de dezvoltarea unor noi sisteme de tip microfabric, pe de o parte, sau de mbuntirea i perfecionarea celor existente, pe de alt parte.

Actuatori pe baza de aliaje cu memoria formei

12

2. ACTUATORI PE BAZ DE ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

2.1 Introducere Aliajele cu memoria formei - AMF (n englez Shape Memory Alloys - SMA) se

ncadreaz n categoria aa numitelor materiale inteligente, alturi de materialele piezoelectrice, magnetostrictive, electro i magnetoreologice etc.

Actuatorii realizai cu astfel de materiale au n structur unul sau mai multe elemente active, cu deformaie limitat controlat, determinat de manifestarea efectului de memorare a formei EMF (Shape Memory Effect - SME). Memoria formei reprezint proprietatea termomecanic a anumitor aliaje de a reveni la o form i dimensiuni memorate, ca urmare a unei transformri reversibile martensit-austenit, n anumite condiii de temperatur, [128].

2.2 Efectul de memorare a formei Memoria formei - reprezint proprietatea termomecanic a unor anumite materiale, n

special a anumitor aliaje, de a reveni la o form/dimensiune memorat, ca urmare a unei transformri reversibile martensit-austenit, n anumite condiii de temperatur, [128].

Fenomenul principal care a fost pus n legtur cu comportamentul de memoria formei este cunoscut de peste 100 de ani i perpetueaz amintirea ilustrului metalograf german Von Martens - transformarea martensitic.

Denumirea transformrii provine de la produsul de reacie martensita un microconstituent din oelul clit caracterizat printr-un model acicular sau aciform, obinut dintr-o soluie solid stabil la temperaturi nalte, - austenita pe baz de Fe, cu reeaua cristalin cubic cu fee centrate (cfc) i a fost observat pentru prima dat la oelurile-carbon.

n general, transformarea martensitic este o transformare fr difuzie la care atomii sunt rearanjai ntr-o structur cristalin nou, mai stabil, prin deplasri pe distane scurte, fr modificarea chimic a matricii. Martensita ia natere n urma rcirii din faza precursoare, numit generic austenit. ntr-un anumit interval de temperatur, martensita i austenita precursoare co-exist. Din punct de vedere cristalografic, transformarea din austenit n martensit, se realizeaz n dou etape [128] :

A. Deformarea reelei cristaline const n micarea tuturor atomilor pe distane foarte mici a crei rezultat este o nou structur martensitic. Astfel n figura 2.2 a este reprezentat structura cubic specific austenitei, iar n b i c este reprezentat trecerea ctre structura, romboidal, specific fazei martensitice din d.


13

Fig. 2.2 Reprezentare schematic a transformrii martensitice B. Forfecarea reelei Forfecarea reelei este o etap de acomodare, ce poate fi realizat

prin cele dou mecanisme prezentate n figura 2.3: alunecare sau maclare. Alunecarea (a) este un proces permanent. Maclarea (b) asigur o acomodare ntr-o manier reversibil, jucnd un rol hotrtor n manifestarea fenomenului de memorare a formei. Prin maclare o parte din cristal se reorienteaz n raport cu cealalt, de-a lungul unui anumit plan, numit plan de maclare, reorientarea prezentndu-se ca o imagine n oglind a obiectului considerat. Partea rotit a cristalului poart numele de macl. Atomii nu prsesc poziiile lor de echilibru stabil.

Prin rcire are loc transformarea austenitei n martensit, materialul devenind din nou deformabil. Reeaua cubic se relaxeaz la forma romboidal prin procesul de maclare. Dac nu este mpiedicat, revenirea la forma original are loc cu o for remarcabil, de cteva ori mai mare dect fora necesar pentru deformare (fig. 2.6) [183].

Fig. 2.6 Transformri structurale asociate efectului de memorare a formei

Transformarea ntre cele dou faze este nsoit de histerezis termic i se realizeaz ntr-un interval de temperatur (fig. 2.7.a). n urma procesului de rcire, transformarea martensitic debuteaz la temperatura Ms (martensite start) i devine complet la temperatura Mf (martensite finish). Primele cristale de austenit i fac apariia la temperatura As (austenite start), iar transformarea total a structurii materialului n austenit are loc la temperatura Af (austenite


14

finish). Limitele intervalului de temperaturi, care caracterizeaz efectul de memorare a formei, depind de compoziia aliajelor i de condiiile de fabricare. Temperatura de transformare este foarte sensibil la raportul n care sunt dozate componentele aliajului cu memoria formei.

a) b)

Fig. 2.7 a) Histerezis termic la transformarea de faz; b) Dependena ntre fora i deformaie

2.3 Tipuri de elemente active din aliaje cu memoria formei Alegerea aliajului, a compoziiei sale chimice i a tratamentului termomecanic de educare

sunt condiionate de cerinele impuse urmtorilor parametri funcionali: temperatur de transformare, for/cuplu, curs util, numr de cicluri de funcionare, histerezis, rezisten mecanic i la coroziune, pre.

Fig. 2.8 Elemente active din AMF

Stabilirea caracteristicilor geometrice ale elementelor active (forma, lungimea i seciunea transversal) se realizeaz, pe baza urmtoarelor consideraii: lungimea este determinat de cursa impus i de structura mecanic asociat actuatorului; seciunea transversal este determinat de fora sau cuplul impuse actuatorului, dar i de viteza de rspuns, aceasta fiind dependent, la rndul ei, de temperatura mediului n care opereaz actuatorul; forma geometric depinde att de metodele de acionare (nclzire) i de relaxare (rcire)- dependente de viteza impus ct i de preul actuatorului.


15

2.4 Materiale cu efect de memorare a formei Principalele grupe de materiale care prezint efect de memorarea formei sunt:

aliajele pe baz de Fe, Co, Ti, Zr, cum ar fi : Fe-Pt, Fe-Ni, Fe-Cr, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-Co-Ti, Fe-Mn-Si;

aliajele cu transformare cubic-tetragonal: In-Ti, In-Cd, Mn-Cu, Mn-Si, la care memoria formei este de mic amplitudine, datorit unei deformri omogene mici la transformare;

unele metale pure: Co, Ti, Zr; aliaje pe baz de metale nobile ( Au, Ag ); aliajele cuprului i aliaje Ni-Ti.

Dintre aceste aliaje, cele pe baz de Cu i Ni-Ti au fost cel mai mult studiate, sunt cele mai rspndite avnd proprieti favorabile unei game largi de aplicaii. Ele asigur un raport lucru mecanic/volum ridicat, au capacitatea de a reveni la forma memorat prin alungire, scurtare, ndoire, rsucire, astfel nct genereaz variate tipuri de micri.

2.5 Avantajele i dezavantajele actuatorilor pe baz de aliaje cu memorie Principalele avantaje ale actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei, care justific

utilizarea lor n aplicaii sunt: greutate i volum redus; simplitate constructiv; posibiliti de miniaturizare i numr redus

de componente n micare; performane funcionale raportate la

gabarit, superioare;

aciune direct liniar; rezoluie bun la poziionare; sileniozitate;

rezisten mecanic i la coroziune a elementelor active;

biocompatibilitate; operare fr poluare; nu este necesar lubrifierea; numr mare de cicluri de funcionar

Dintre dezavantajele acestor actuatori amintim:

randament energetic sczut ; rspuns lent la rcire, ceea ce determin o

frecven redus a ciclurilor de nclzire rcire;

influena temperaturii mediului;

cureni de activare relative mari; necesitatea utilizrii unor materiale

termorezistente i/sau termoizolatoare; complexitatea schemelor pentru controlul

precis.

Din aplicaiile actuatorilor din aliajele cu memorie formei pot fi ncadrate:


16

n ingineria biomedical: electrozi stimulare electric, display reabilitare simt tactil, endoproteze de old, articulaii intervertebrale, endoscop;

n robotic: dispozitive de prindere, miniroboi mobili cu picioare, microgripere, micropompe, microsupape.

Construcii de maini i aparate: industria auto, inginerie de precizie, electrotehnic, industrie uoar.

2.6 Structura unor actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei Actuatorii liniari pe baz de AMF pot fi realizai n configuraii variate, din punct de

vedere constructiv, n diferite tipodimensiuni. Diferenele ntre modelele de actuatori sunt date de o serie de criterii de care se ine cont n procesul de proiectare, cum ar fi: tipul elementelor active utilizate: fire, arcuri elicoidale, benzi, etc. natura efectului de memorare indus n elementul activ: uni-sens, dublu-sens. tipul forei de relaxare sau deformare a elementelor active educate cu efect de memorare

unisens: for constant, for cresctoare - obinut prin intermediul unui element elastic antagonist, fora dat de un element activ antagonist.

numrul de elemente active folosite. modul de conectare a elementelor active: serie sau paralel. structura mecanic asociat actuatorului, etc.

n cele ce urmeaz se va prezenta sinteza structurala a actuatorilor liniari pe baz de AMF, prezentndu-se principalele componente din structur i modul n care acestea funcioneaz. Criteriul de baz care face diferenierea ntre modele este reprezentat de tipul elementelor active utilizate. Astfel, se vor prezenta dou grupe de actuatori: (a) cu element activ de tip fir; (b) cu element activ de tip arc elicoidal de traciune.

Fig. 2.9 Schema structurala AMF-01 Fig. 2.10 Schema structural AMF-02


17

Fig. 2.11 Schema structural AMF-03 Fig. 2.12 Schema structural AMF-04

Fig. 2.15 Schema structural AMF-07 Fig. 2.19 Actuator rotativ pe baz de AMF

2.7 Sisteme de comand pentru actuatori cu fire din aliaje cu memorie Proiectarea actuatorilor reprezint un proces complex ce presupune proiectarea

componentelor din structura unui sistem de acionare de acest fel [166, 131]. Sistemul de comand a AAMF trebuie s asigure curentul necesar pentru funcionarea n

parametri optimi, dar s nu produc o depire a puterii maxime disipate pe elementele active, ceea ce ar conduce la supranclzire i la pierderea efectului indus. Respectnd restricia energetic impus, n [131] au fost propuse schemele din figurile de mai jos:

- cu reglare pasiv a intensitii, prin rezistena reglabil Pot, respectiv R1 (fig.2.24); - cu reglare activ i meninerea constant a intensitii curentului, asigurnd controlul puterii disipate prin controlul tensiunii de alimentare, (fig. 2.25);

- cu reglare prin implementarea unor circuite de modulare a impulsurilor n lime (PWM, fig. 2.26)


18

a)

B1

Ram f

P ot

Ual

b)

Ual=12V

Uc

R19.1/1.5W

Ram f

R21k

T IP 120T 1

20

c)

Uc

Ual=12V

R19.1/1.5W

Ram f

IRF640T 1

20

Fig. 2.24 Scheme electronice de comand pasiv

Uout=Ux+2UxR2/R1Ual=14V

R3500

R5470

LM78051

2

3In

Gnd Out

4700uF C10100u/25V

Ram f

R19.1/1.5W

C1

Ux=5V

20

Uout


19

persoanele avizate n operarea dispozitivelor electromecanice.

a) b)

Fig. 2.31 Actuatorul DM 01 - MIGA Motors Company 2.8.2. Actuatorul NanoMuscle

Cu o densitate a energiei de 1000 de ori mai mare dect cea a muchiului uman, i de 4000 de ori mai mare dect a unui motor electromagnetic, AMF-urile permit dezvoltarea i realizarea unor dispozitive de acionare puternice, la o scar foarte mic, ca de exemplu actuatorul NanoMuscle, (fig. 2.32) .

Fig. 2.32 Actuatorul NanoMuscle [245]

Spre deosebire de un motor electromagnetic, fora dezvoltat de actuatorul NanoMuscle nu depinde de viteza de acionare, ceea ce nseamna c la acest tip de actuator nu este necesar folosirea unei cutii de viteze, reducndu-se astfel gabaritul, complexitatea i costul dispozitivului. 2.8.6. Actuator liniar de tip Electric Piston

n acest caz, elementul activ este un arc elicoidal (fig. 2.39). Fiind parcurs de un curent

electric, arcul din AMF se contract, dezvoltnd o curs de 19 mm, putnd astfel ridica greuti de pn la 450 g, dei actuatorul n ansamblu cntrete doar 10 g.

Fig. 2.39 Cursa actuatorului i cele trei stri n funcionare


20

2.8.8. Actuator liniar cu fire din aliaj cu memorie i lamele elastice Modelul analizat folosete dou lamele elastice din oel inoxidabil n scopul amplificrii forei dezvoltate de firele din AMF prin nclzire i contractare. Actuatorul (fig. 2.41) este format din dou lamele elastice fixate pe dou suporturi din teflon. Lamele sunt confecionate din aliaj inoxidabil cu modul de elasticitate de 66 GPa.

Fig. 2.41 Actuator liniar cu fir din AMF i lamele elastice

2.8.10 Actuator liniar cu elemente multiple

Actuatorul liniar prezentat n Fig. 2.43 este compus din 12 fire de NiTi esute n form de spiral ntre discurile suport. Discurile sunt conectate ntre ele prin intermediul unor arcuri de prencrcare, care au rolul de a menine n tensiune firele de AMF, pe perioada strii de relaxare a actuatorului.

Fig. 2.43 Actuator liniar pe baz de AMF, cu multiple elemente active

2.9 Analiza unor aplicaii ale aliajelor cu memoria formei n sisteme de tip microfabric

n cadrul sistemelor de tip microfabric sunt folosii att actuatorii clasici ct i cei neconvenionali. Actuatorii neconvenionali se regsesc n aplicaii precum sisteme de prindere, mini i micro gripere, sisteme de poziionare fin, sisteme de manipulare fin, etc. n figura 2.48 este prezentat un sistem de miocropoziionare plan. Deplasarea n lungul axelor X i Y este realizat de masa mobil cu ajutorul a patru fire cu aliaje cu memoria formei, NiTi, prin punerea acestora sub tensiune electric.


21

a) b)

Fig. 2.44 Dispozitive de prindere pentru micro-obiecte [72]

Dimensiunile masei mobile sunt de 4mm2 (2 mm pe X i 2 mm pe Y). Considernd deformarea firului de AMF ca fiind 3% din lungimea lui , s-a ales lungimea firului s fie de 50mm.

a) b)

Fig. 2.48 Sistem de micropoziionare XY Un alt exemplu de sistem de poziionare este prezentat n figura 2.49. Acest manipulator este acionat de un fir de AMF. Fora de revenire este generat de o cupl elastic. Atunci cnd temperatura din firul de aliaj din memoria formei minigriperul se deplaseaz n zona de lucru. Deplasarea maxim pe axa Z este de 1,5mm cu o precizie de 1m. Cum manipulatorul descris are un singur grad de libertate i poate fi crescut numrul de grade de libertate dup cum se observ n figura 2.50.

a) b)

Fig. 2.49 Micromanipulator

Pornind de la aceste modele prezentate se pot concepe microsisteme de manipulare care

ar conduce la realizarea de staii de lucru i/sau staii de microasamblare din cadrul unei microfabrici, aa cum se poate vedea n figura 2.51.


22

Fig. 2.51 Staii de lucru din cadrul unei microfabrici

2.10 Actuatori pe baz de memorie magnetic a formei Principala proprietate a acestui tip de materiale const n capacitatea de a-i modifica

dimensiunile sau forma (cu variaii de peste 6%), prin variaia cmpului magnetic n care sunt amplasate, producnd astfel un lucru mecanic (micare)[131]. Este de subliniat faptul c MMF au un mecanism diferit de cel al magnetostriciunii, ca urmare variaiile de dimensiuni sunt de peste 30 de ori mai mari n cazul MMF fa de cele specifice materialelor magnetostrictive.

Mecanismul MMF se bazeaz pe maclarea martensitei determinat de un cmp magnetic extern, cnd materialul este complet n stare martensitic, sub temperatura MS (fig. 2.55).

Fig. 2.55 Inducerea efectului all around

Sub aciunea cmpului magnetic, maclele se orienteaz n direcia acestuia, rezultnd

schimbarea formei. Principalii parametrii ce intervin n acest proces sunt: temperatura de nceput

de transformare martensitic MS i temperatura Curie, TC.

2.11 Concluzii Din cel de-al doilea capitol al tezei se desprind urmtoarele concluzii:

actuatorii de diferite tipuri determin mbuntirea performanelor sistemelor de tip microfabric, oferind posibiliti de miniaturizare, de integrare n structura sistemului, de control precis n condiiile unor performane funcionale deosebite; memoria (termic) a formei reprezint proprietatea termomecanic a anumitor aliaje de a reveni la o form i dimensiuni memorate, ca urmare a unei transformri reversibile


23

martensit-austenit, n anumite condiii de temperatur; memoria magnetic const n capacitatea de a-i modifica dimensiunile sau forma la variaia cmpului magnetic n care sunt amplasate;

aliajele cu memoria formei sunt greu prelucrabile, astfel c elementele active din structura actuatorilor au forme simple (fire, benzi, arcuri elicoidale, tuburi, membrane, discuri,

etc), materialele cel mai frecvent utilizate fiind aliajele NiTi si cele pe baz de cupru; actuatorii care au n structur elemente active din materiale cu memorie sunt caracterizai de mare simplitate constructiv, greutate i volum reduse, numr mare de cicluri de funcionare, performane funcionale raportate la gabarit superioare, aciune direct liniar, sileniozitate, operare fr poluare i rezoluie bun la poziionare; schemele structurale propuse i analizate n acest capitol confirm posibilitile multiple de a realiza actuatori liniari, n construcie compact, n mai multe tipodimensiuni, cu elemente active de tip fir; n funcie de caracteristicile geometrice ale firelor (diametru, lungime), de numrul firelor, de material i de structura mecanica asociat, se pot obine diferite valori ale parametrilor de ieire (cursa, fora, cuplu); sunt propuse i discutate scheme electronice de comand (pasiv, activ, n impulsuri PWM), pentru elemente active de tip fir, din aliaje cu memoria formei;

din analiza comparativ a unor actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei, disponibili comercial (DM01-MIGA, NanoMuscle, Starsys, Electric Piston, etc. ), rezult c dezavantajul major al acestor actuatori este reprezentat de faptul c sunt concepui pentru o anumit aplicaie, fiind limitate posibilitile de modificare a parametrilor funcionali, n concordan cu cerinele altor aplicaii, nu au o structur modularizat i au un rspuns lent la rcire, ceea ce determin o frecven redus a ciclurilor de operare iar schemele de control sunt complexe.

Unul din obiectivele acestei teze const n realizarea unei familii modularizate de actuatori liniari i rotativi, pe baz de fire din aliaj cu memoria formei, concepui n construcie compact, n mai multe tipodimensiuni, cu conectare facil att cu mecanismele acionate ct i cu sistemul de alimentare, comand i control, pentru a asigura adaptarea optim a actuatorilor alei de ctre un potenial utilizator, la condiiile impuse de o anumit aplicaie.

Analiza termo-mecanic a firelor din aliaje cu memoria formei

24

3. ANALIZA TERMO-MECANIC A FIRELOR DIN ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

3.1 Modelarea matematic a efectului de memorarea formei Odat cu descoperirea efectului de memorare a formei pentru aliajele pe baz de cupru i aliajele NiTi (nitinol), cercetrile s-au intensificat pe fenomenele fizice aferente proprietilor mecanice. Datorit posibilitii extraordinare care o ofer aceste materiale pentru microacionri, cercetrile au un caracter interdisciplinar pentru c nglobeaz cunotine ale inginerului mecanic, fizicianului, inginerului automatist, inginerului specialist n robotica si a specialistului n tiina materialelor. Pentru utilizarea acestor materiale n domeniul microacionrilor sunt necesare cunotine de baz pentru aceste materiale. De aici necesitatea unei modelri termomecanice. Pentru un asemenea model trebuie luate n considerare legile de comand adecvate, avnd o natura dinamic, s permit evoluia materialului n timp, inclusiv regimurile tranzitorii.

Pentru nceput se propune un model de comportament termomecanic care permite

anticiparea rspunsului AMF sub efectul temperaturii i al tensionrii. Modelul propus se bazeaz pe descrierea termodinamic dezvoltat de Leclercq i Lexcellent [98]. Modelul lor se bazeaz pe formulele termodinamicii proceselor ireversibile i constituie o extensie a modelului RL dezvoltat de Raniecki i Lexcellent [192] potrivit pentru un comportament pseudoelastic al aliajelor cu memoria formei. Pentru o familiarizare cu anumite noiuni de termodinamic i mai exact cu termodinamica proceselor ireversibile, sunt descrise cele dou principii ale termodinamicii precum i inegalitatea ClausiusDuhem, care st la baza modelrii efectului de memorarea formei ajungndu-se n final la ecuaiile de transformare din austenit n martensit i din invers.

==

Tzaz

Tbs

azz

TTFT

FF

&&

&&&&

)1(

))(1(

pentru transformarea AM (3.42)

==

Tzaz

Tbs

azz

TTRT

RR

&&

&&&& )(

pentru transformarea MA (3.43)

3.2 Determinarea timpilor de nclzire-rcire Rspunsul n timp al actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei este exprimat prin

numrul de cicluri, activare/relaxare pe minut. Creterea numrului de cicluri pe unitatea de timp se realizeaz prin reducerea att a timpului de nclzire ct i a celui de rcire [142].


25

n funcie de natura aplicaiei, elementele active din aliaje cu memoria formei din structura actuatorilor se pot rci liber sau forat. Asupra elementelor active educate cu efect de memorare a formei uni-sens n faza de rcire acioneaz fora de relaxare.

Pentru determinarea duratei de nclzire rezistiv a unui element activ din AMF se pleac de la ecuaia general a conduciei [131]:

ddt

adztd

dytd

dxtdqv =+++ 12

2

2

2

2

2

; a=/c, (4.47)

Prin rezolvarea ecuaiei rezult expresia timpului necesar pentru nclzirea unui element activ de la temperatura iniial t0 la cea final t, sub forma:

RIttSRIttS

sVc

f

f2

0

2

)()(

ln =

, (3.50)

n mod analog, pentru calculul duratei de rcire considerm ca la orice moment dat de timp , temperatura t este aceeai n ntregul fir. n timp, temperatura firului scade deoarece este ntr-un mediu cu o temperatur mai mic.

f

f

tttt

SVc

=

0

' ln (3.57)

Pe baza relaiilor de mai sus este investigheaz influena geometriei elementelor active asupra timpului de nclzire i de rcire, comparativ, pentru elemente de tip fir cu seciune circulara i pentru band cu seciune rectangulara (fig. 3.7). Benzile 1, 2 i 3 au aceeai arie a seciunii transversale dar au limi i grosimi diferite b1>b2>b3 i h1


26

,iar ecuaia pentru seciunile ptrat i dreptunghiular este:

+++++

=ii

ambii

iiambii

ii

iii

hblpITThbl

hblpITThbl

hbhbc

20

2

)()(2

)()(2ln

)(2

(3.70)

Timpii de rcire s-au calculat cu relaiile:

=

amb

amb

TTTTdc

0

' ln4

(3.71)

+=

amb

amb

ii

iii TT

TThbhbc

0

' ln)(2

(3.72)

Astfel, s-au analizat timpul de nclzire n funcie de variaia diametrului (fig. 3.8.a), n funcie de variaia curentului prin fir (fig. 3.9), n funcie de variaia temperaturii finale (fig. 3.11), iniiale (fig. 3.13) i a mediului ambiant (fig. 3.15). De asemenea au fost reprezentate i graficele timpilor de rcire n funcie de variaia diametrului firului (fig. 3.8.b), n funcie de variaia coeficientului de transfer termic (fig. 3.10), n funcie de variaia temperaturii finale (fig. 3.12), iniiale (fig. 14) i a mediului ambiant (fig. 16).

a) b) Fig. 3.8 Timpii de nclzire a), rcire b), n funcie de variaia diametrului firului AMF

Analiznd graficele timpilor de nclzire i rcire n funcie de variaia temperaturii finale

se observ o cretere liniar a timpilor de nclzire odat cu creterea temperaturii finale. Totodat timpul de rcire are o variaie neliniar cu creterea temperaturii finale. Se mai poate observa comportarea buna a firului cu seciune ptrat la nclzire i a firului cu seciune dreptunghiular A1 la rcire.


27

Fig. 3.11 Timpii de nclzire n funcie de variaia temperaturii finale a firului AMF

Fig. 3.12 Timpii de rcire n funcie de variaia temperaturii finale a firului AMF

Din studiul acestor grafice s-a realizat n tabelul 3.2 tendinele parametrilor analizai. Tabelul 3.2. Tendina timpului de nclzire i rcire Nr. Denumire parametru Tendina

parametru Timpul de nclzire Timpul de rcire

1 Diametrul firului dfir - exponenial - liniar 2 Curentul prin fir I - - exp. - 3 Coeficientul de transfer termic - - exp. 4 Temperatura final T - - lin. - nelin. 5 Temperatura iniial T0 - - lin. - exp. 6 Temperatura mediului ambiant Tamb - - lin. - exp.

3.3 Studiul parametrilor funcionali ai firelor din aliaje cu memorie Proiectarea elementelor active de tip fir din AMF debuteaz cu alegerea aliajului, a compoziiei sale chimice i a tratamentului termomecanic de educare, etc., acestea fiind condiionate de cerinele impuse de o serie de parametri funcionali. Aceti parametrii se mpart n trei mari categorii: parametrii mecanici, electrici i termici.

3.3.1 Parametrii mecanici ai firelor din AMF

1. Diametrul firului - dfir. Acesta reprezint dimensiunea geometric corespunztoare diametrului firului din aliaj cu memoria formei.

2. Fora dezvoltat. Aliajele din NITINOL pot dezvolta o for de 6108 N/m2. Fora dezvoltat


28

de un fir depinde de compoziia lui, diametrul i modul de nvare a firului. 3. Alungirea (contracia) firului. Aceasta reprezint deformaia elastic a firului din starea de

martensit n starea de austenit. 4. Superelasticitatea reprezint proprietatea firelor din aliaj cu memoria formei de a avea o

deformaie mult mai mare dect metalele obinuite n faza austenitic, fr a distruge reeaua cristalin.

5. Modulul lui Young E pentru majoritatea materialelor modulul lui Young este constant. n

cazul firelor din AMF acesta este variabil i anume pentru nitinol este de 25GPa n faza martensitica i 75GPa n faza austenitic.

6. Coeficientul lui Poisson - descrie ct de mult un material se ngusteaz atunci cnd este ntins. n cazul firelor din AMF acesta este de 0,33.

3.3.2. Parametrii electrici ai firelor din AMF

Parametrii electrici ai firelor AMF (fig. 3.19) sunt:

1. Tensiunea electric U este tensiunea electric necesar activrii firului, adic aducerea lui n starea memorat, austenitic.

2. Curentul recomandat I este curentul necesar pentru acionarea firului n mod normal, nu prin supranclzirea firului, cu rcire n aer la temperatura camerei (20C).

3. Puterea disipat pe fir Pfir este puterea consumat de fir atunci cnd este acionat. 4. Rezistivitatea firului reprezint opoziia materialului la trecerea curentului electric. 5. Rezistena liniar a firului Rl este rezistena electric a firului raportat la unitate de

lungime. Se msoar n /m. 3.3.3. Parametrii termici ai firelor din AMF

Din punct de vedere termic sunt o serie de parametrii care influeneaz firele din AMF: 1. Temperatura de nceput de activare a firului As este temperatura de la care structura

cristalina din starea martensitic ncepe s se transforme n starea austenitic. 2. Temperatura de sfrit de activare a firului Af reprezint temperatura la care structura

cristalin este complet n starea austenitic. 3. Temperatura de nceput de relaxare a firului Ms este temperatura de la care structura

cristalina din starea austenitic ncepe s se transforme n starea martensitic. 4. Temperatura de sfrit de relaxare a firului Mf reprezint temperatura la care structura

cristalin este complet n starea martensitic. 5. Temperatura de histerezis Th este diferena dintre temperatura de nceput i ce de sfrit

dintre transformarea martensit-austenit i austenit-martensit. 6. Temperatura de topire Tt este temperatura la care firul din stare solid ajunge n stare


29

lichid. Aceasta este n jur de 1300C pentru nitinol. 7. Conductivitatea termic reprezit capacitatea materialului de a transfera energia termic.

Pentru nitinol conductivitatea termic este de 0,08W/cmC n faza martensitic i 0,18W/cmC n faza austenitic.

3.4 Dezvoltarea unui stand de testare a firelor din aliaj cu memorie Pornind de la exemplele analizate s-a propus dezvoltarea unui stand pentru firele AMF

care s msoare intensitatea electric prin fir, contracia realizat la nclzirea firului, temperatura ambiant i temperatura firului, fora dezvoltat de fir i tensiunea absorbit de fir. Toate datele nregistrate la o msurtoare sunt salvate ntr-un fiier de tip ASCII, extensie .txt. Astfel cu aceste msurtori se poate calcula rezistivitatea firului i puterea absorbit de fir. Schema bloc de msurarea a standului este prezentat n figura 3.24.

Fig. 3.24 Schema de principiu a standului de testare a firelor AMF

Structura mecanic a fost proiectat n Solidworks dup cum se poate observa n figura 3.25. Aceasta este compus dintr-o structur de aluminiu (13) n form de U, pe post de batiu, de care sunt fixate dou ghidaje (11) cu diametrul de 3mm. Pe acete ghidaje culiseaz masa mobil (5) din textolit prin intermediul a dou buci de alunecare (6). Masa mobil este pus n micare de firul AMF (8) ce este fixat de batiu prin intermediul a unui urub M3 (12).

a) b)

Fig. 3.25 Structura mecanic a standului de testare


30

Firul de AMF este izolat de batiu printr-un distanier de plastic. Pe firul din AMF este amplasat un termocuplu pentru msurarea temperaturii. Acesta este meninut n contact cu firul AMF printr-o past termoconductoare. Pentru a fi inut i fixat n apropierea firului s-au folosit suportul (9) i masca de fixare a firului electric (10). n figura 3.25.b este redat explodat subansamblul de fixarea a termocuplului. Fora de deformare a firului AMF este asigurat de arcul elicoidal (2). Acesta este prins de masa mobil printr-un suport filetat (4) care poate fi folosit i ca suport de apsare pe senzorul de for. De batiu arcul este asamblat prin dou bride (2) care permite introducerea senzorului de for ntre brid i batiu.

Fig. 3.27. Schema bloc de funcionare a standului de testare

Astfel structura mecanic realizat s-a conceput un sistem de achiziie a semnalelor generate de senzori i comanda firului AMF n impulsuri modulate n lime (PWM) sau frecven (PFM). Schema bloc a ntregului ansamblu (mecanic-electronic-soft) este prezentat n figura 3.27. Acesta schem este dezvoltat pentru a putea observa conexiunea ntre componenta mecanic, electric i soft. Schema electronic a standului de testare a fost conceput n mediul de proiectare ORCAD 9 Capture CIS [250], iar cablajul n mediul de proiectare Layout plus [251, 254].


31

Cablajul este comparat n ceea ce privete dimensiunile figura 3.34.b folosind Circuitworks din Solidworks, iar n figura 3.34.c putei vedea fotografie a cablajului realizat.

a) b) c)

Fig. 3.34 Cablajul standului de testare a firelor AMF

Toate semnalele electrice primite de la senzori sunt preluate n mediul de programare

Labview prin intermediul plcii de achiziii de date NI-cDAQ9172. Interfaa cu utilizatorul realizat n Labview este redat n figura 3.35.

Fig. 3.35 Interfaa n Labview pentru testarea firelor AMF

Aceasta este compus din ase grafice, fiecare reprezentnd contracia firului AMF (1), fora dezvoltat de fir (2), variaia curentului electric aplicat firului de AMF (3), tensiunea aplicat firului (4), temperatura firului i temperatura mediului ambiant (6) i semnalele de comand aplicate bazei tranzistorului Q1 TIP122 (8). De asemenea interfaa mai este prevzut cu afiarea instantanee a valorii fiecrui parametru msurat la un moment dat. Pot fi modificate frecvena de msurare (5), frecvena impulsurilor aplicate i i factorul de umplere a l semnalelor PWM i PFM (7). Acest stand este o soluie rapid de testare a firelor AMF folosind elemente

1 2

3

4

5

6

7

8


32

componente uzuale. De asemenea pot fi dezvoltate i alte aplicaii folosind acest stand. n figura 3.37 este redat o fotografie a standului.

Fig. 3.37 Fotografie a standului de msurare a firelor AMF

3.5 Contribuii privind studiul experimental al firelor din aliaje cu memorie Testele au fost realizate n dou etape. n prima etap s-au msurat deplasarea (contracia)

firului, curentul prin fir, temperatura pe fir i temperatura ambiant. A doua etap a fost concentrat pe msurarea forei dezvoltate de fir. Diametrele firelor care au fost testate sunt: 37m, 50m, 75m, 100m, 125m, 150m i 200m. Semnalul msurat este nsoit de o serie de zgomote generate de o gama larg de factori cum ar fi frecarea n lagre, reeaua de alimentare cu energie electric, impuritile depuse pe senzorul de deplasare etc. aa cum se observ n figura 3.38.a. Pentru a elimina o parte din aceti factori perturbatori, rezultatele obinute au fost filtrate cu un filtru oprete banda ntre 50Hz i 500Hz (fig. 3.38.b).

a) b)

Fig. 3.38 Filtrarea semnalului msurat pe stand n continuare sunt prezentate variaiile deplasrii firului, curentului prin fir, temperaturii pe fir i temperatura ambiant n timp pentru fiecare tip de fir msurat. Totodat s-au analizat i


33

caracteristicele intrare ieire cum sunt deplasare-curent, temperatur-curent i for-curent.

a) b)

Fig. 3.44 a) Variaia deplasrii i a curentului n timp a firului AMF de 75m; b) Caracteristica deplasare-curent

a) b)

Fig. 3.45 a) Variaia temperaturii i a curentului n timp a firului AMF de 75m; b) Caracteristica temperatur-curent

a) b)

Fig. 3.46 a) Variaia forei i a curentului n timp a firului AMF de 75m; b) Caracteristica fora-curent

Sunt prezentate variaia contraciei firului pentru toate firele msurate, timpii de nclzire


34

(fig. 3.58.a) i timpii de rcire (fig. 3.58.b) a firelor n aer liber. Se poate observa un timp de rcire i nclzire destul de mic pentru firele cu diametre ntre 37m i 100m. Acest lucru dovedete c firele din aliaj cu memoria formei se preteaz pentru miniaturizare.

a) b)

Fig. 3.58 a) Timpii de nclzire a firului AMF; b) Timpii de rcire a firului AMF n figura 3.59 este redat variaia forei dezvoltate de fire. Se observ c n numai 0.5s toate firele ating valoarea medie a forei dezvoltate. Forele msurate variaz ntre 4N i 10N.

Fig. 3.59 Variaia forei pentru firele din AMF


35

3.6 Concluzii Din cel de-al treilea capitol al tezei se desprind urmtoarele concluzii: modelul comportamental termomecanic dezvoltat n lucrare, pe baza referinelor

bibliografice actuale, permite anticiparea rspunsului aliajelor cu memoria formei, ca urmare a modificrii temperaturii i strii de teniune; astfel, materialul este considerat ca fiind un sistem termodinamic constituit din trei faze: faza austenic, martensit autoacomodant sau maclat i martensit orientat;

cele mai bune posibiliti de control a micrii generate prin efect de memorare a formei le ofer actuatorii electrici, nclzii rezistiv, prin efect Joule; n acest caz, principalele ci de reducere a timpului la nclzire sunt: reducerea temperaturii de nclzire; utilizarea unor aliaje cu temperaturi de transformare martensit-austenit ct mai apropiate de temperatura mediului ambiant; dimensiunile materialului s fie ct mai mici; creterea intensitii curentului de activare;

studiul privind influena geometriei elementelor active asupra timpilor de nclzire i rcire pune n eviden variaia acestor intervale de timp, comparativ, pentru un fir cu seciune circular i pentru benzi cu seciuni dreptunghiulare, dar cu acelai volum cu al firului, n funcie de variaia diametrului, variaia curentului prin fir, variaia temperaturii finale, iniiale i a mediului ambiant, n funcie de variaia coeficientului de transfer termic;

pornind de la o analiz sistematizat a parametrilor mecanici, electrici i termici specifici firelor din aliaje cu memorie, a fost proiectat i realizat un stand de testare a acestora, care s msoare intensitatea electric prin fir, contracia realizat la nclzirea firului, temperatura ambiant i temperatura firului, fora dezvoltat de fir i tensiunea absorbit de fir; toate datele nregistrate la o msurtoare sunt salvate ntr-un fiier de tip ASCII, extensie .txt, astfel cu aceste msurtori se poate calcula rezistivitatea firului i puterea absorbit de fir;

au fost testate fire cu diametre de: 37m, 50m, 75m, 100m, 125m, 150m i 200m; n prima etap s-au msurat deplasarea (contracia) firului, curentul prin fir, temperatura pe fir i temperatura ambiant, iar a doua etap a fost concentrat pe msurarea forei dezvoltate de fir; s-au ridicat diagrame ce reprezint deplasarea firului, curentul prin fir, temperatura firului i temperatura ambiant, n funcie de timp, pentru fiecare tip de fir msurat, precum i caracteristici intrare-ieire, cum sunt: deplasare-curent, temperatur-curent i for-curent

Dezvoltarea de actuatori liniari i rotativi din fire de aliaje cu memoria formei

36

4. DEZVOLTAREA DE ACTUATORI LINIARI I ROTATIVI PE BAZ DE FIRE DIN ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

4.1 Cercetri privind structura modular a actuatorilor n prezent se remarc o tendina accentuat de a dezvolta produse n conformitate cu nevoile individuale ale fiecrui client, fr a influena negativ productivitatea, costurile, etc. Acest deziderat presupune trecerea de la producia de mas (aa numita mass production) la ceea ce se cheam mass customization. n acest fel, se asigur customizarea unei mari varieti de produse, realizate n serie mare (fig. 4.1) [12].

O metod recunoscut prin care se asigur adaptarea la nevoile clienilor n condiiile

produciei n mas, const n dezvoltarea de familii de produse. O familie de produse reprezint un set de produse derivate dintr-o platforma comun, astfel nct s se obin o mare varietate de parametri de ieire, cu o platform comun minimal. Dezvoltarea unei familii de produse are la baz modularizarea acestora.

Modularizarea actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei este un caz particular al modularizrii sistemelor tehnice. Acest demers permite realizarea varietii diferiilor actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei, prin combinarea simplitii setului de elemente modularizate. Modularizarea i realizarea n mai multe tipodimensiuni a produselor, n general, i a actuatorilor pe baz de aliaje cu memoria formei, n special, ofer urmtoarele avantaje:

prin modularizare, proiectarea sistemelor i proceselor complexe este abordata mult mai eficient, prin descompunerea acestora n componente mult mai simple;

Fig. 4.1 Stategii bazate pe nivelul cererii unui produs i pe cel al customizrii sale


37

proiectantul poate opta ntre diferite combinaii de componente pentru a dezvolta o serie mare de produse, adaptate la nevoile utilizatorilor;

simplificarea proiectrii; reducerea cheltuielilor de proiectare i fabricaie; derularea unitar a metodologiei de testare; dezvoltarea unei familii de actuatori din care potenialii utilizatori, sa poat alege cel

mai potrivit actuator pentru o anumit aplicaie. Modularizarea propus este constructiv i funcional. Necesitatea este determinat de

nevoia de acionare, tot mai diversificat, utiliznd actuatori pe baz de aliaje cu memoria formei. Astfel, sunt necesari actuatori liniari de tip electric-piston sau de tip translation stage ,

precum i actuatori rotativi sau oscilani (fig. 4.3).

Fig. 4.3 Actuatori liniari i rotativi realizai n mai multe tipodimensiuni

Un anumit actuator poate fi conceput prin nlnuirea cte unui modul component al urmtoarelor sistem modulare: a. Sistemul modular al elementelor active

b. Sistemul modular al structurii mecanice asociate;

c. Sistemul modular de comand i control; d. Sistemul modular de ncapsulare i carcasa. e. Sistem modular pentru rcire forat (eventual).

Fig. 4.5 Conceperea unui actuator pe baz de aliaje cu memoria formei

n structura modular


38

4.2 Actuatori liniari pe baz de fire din aliaje cu memoria formei Actuatorii liniari au fost concepui astfel nct s aib o form simpl i pentru a deservi o

gama larg de aplicaii. S-au dezvoltat trei tipodimensiuni ale actuatorilor liniari. Principiul de funcionare este bazat pe axul principal 1 ce este ghidat n bucele 2. Axul principal este antrenat de firul din aliaj cu memoria formei 4, iar revenirea acestuia la forma iniial se realizeaz cu ajutorul arcului elicoidal 3. Firul din aliaj cu memoria formei este ghidat dup rolele 6 pentru a avea o lungime mai mare i implicit o contracie mai mare. Acesta este fixat de axul de fixare 5 prin cleme metalice. Rolele de ghidare a firului 6 sunt realizate din material termoizolant i electroizolant, de exemplu textolit. S-a impus aceast condiie pentru ca firul s nu intre n scurt circuit i pentru a nu pierde din temperatura de activare. Axul de fixare este prevzut cu un tub de protecie din plastic pe zona de prindere a firului pentru aceleai condiii invocate mai sus. De asemenea orificiul axului de antrenare prin care trece firul din aliaj cu memoria formei are nevoie

de un tub termo i electroizolant.

Fig. 4.7 Principiul de funcionarea al actuatorului liniar

Pentru calculul lungimii firului i a celorlali parametrii s-a utilizat schema din figura 4.8 i ecuaiile de calcul de mai jos.

Fig. 4.8 Actuatorul liniar cu AMF. Schia de calcul


39

sd

ll firt 2476

2

++= (4.1) Cunoscnd lungimea total a firului se poate determina contracia firului i deplasarea

exercitat de actuator utiliznd relaia (4.2).

205.0...03.0 t

lf = (4.2)

Pentru determinarea forei efective s-a folosit ecuaia (4.3), iar fora maxim dezvoltat de actuator se poate calcula cu relaia (4.4).

afir

ef

dF =

42

2

(4.3)

Deformarea firului din aliaj cu memoria formei se realizeaz cu ajutorul unui arc elicoidal. tiind acestea pentru fiecare diametru diferit al firului de aliaj cu memorie trebuie calculat arcul elicoidal de deformare corespunztor. Calculul acestuia s-a realizat utiliznd literatura de specialitate [47] i s-a analizat influena acestor parametrii asupra performanelor actuatorului.

n figura 4.9.b s-a analizat variaia numrului de spire a arcului de deformare pentru cele trei ansamble. Acestea au o cretere aproximativ exponenial cu creterea diametrului firelor din aliaj cu memoria formei. Astfel cu aceast analiz teoretic s-a trecut la proiectarea familiei de actuatori liniari cu aliaje cu memoria formei. Aceast familie este conceput pe principiul prezentat mai sus i poate fi modificat uor datorit proiectrii modularizate pentru componentele mecanice i electronice.

a) b)

Fig. 4.9 Analiza parametrilor actuatorilor liniari

Ansambul actuatorului are urmtoarea structur i funcionare: n interiorul carcasei 1 se monteaz axul de ieire 2, prin intermediul bucei 3, precum i reperele ax lung 8 i ax scurt 10,


40

pe care se monteaz rolele 7, cu rol de ghidare a firului din aliaj cu memorie 6. Acesta este trecut printr-o prelucrare a axului de ieire 2, capetele fiind fixate prin intermediul axului de fixare 13. Axul de ieire 2 are suprimat micarea de rotaie prin tiftul 5. Reperele ax lung 10 servesc i la montarea plcii electronice 15. Capacele 12, prevzute cu fante, sunt fixate prin uruburile 11. S-au mai notat: 9 inel de siguran, 14 aib, 16 piuli. La activarea firului din aliaj cu memorie 6, acesta se nclzete rezistiv pn la o temperatur ce depete temperatura de transformare de faz, astfel c revine la o lungime mai scurt; capetele fiind fixate, firul din aliaj cu memorie 6 va exercita o traciune asupra axului 2 care se va deplasa nspre interiorul carcasei, comprimnd arcul elicoidal 4. Cnd firul din aliaj cu memorie 6 este dezactivat, temperatura lui

scade sub cea de transformare de faz i sub aciunea arcului 4, firul este ntins la lungimea corespunztoare relurii unui nou ciclu iar axul 2 este deplasat n afar. Micarea liniar produs de actuator este controlat pe cursa sa activ, la tragerea axului 2 nspre interiorul carcasei, revenirea n sens invers fiind asigurat de arcul 4. Prin modificarea distanei dintre role i a numrului de role, se modific lungimea firului din aliaj cu memoria formei, i astfel, cursa actuatorului. Prin modificarea diametrului firului sau prin legarea mai multor fire, n paralel, din

punct de vedere mecanic, se modific fora dezvoltat.

a) b)

Fig. 4. 10 Ansamblul actuatorului liniar cu fir din aliaj cu memoria formei

n figura 4.10.a este prezentat ansamblul actuatorului liniar MAMF-01-00 n varianta

montat, iar n figura 4.10.b se poate vedea varianta explodat a ansamblului. n acelai mod sunt


41

proiectate i ansamblurile MAMF-02-00 i MAMF-03-00 dup cum se poate observa n figura 4.11. Cele trei tipodimensiuni permit obinerea unor parametri de ieire diferii: curse liniare i fore.

Fig. 4. 11 Familia de actuatorii liniari cu fir din aliaj cu memoria formei

Parametrii electrici de acionare a unor asemenea actuatori s-au analizat pornind de la proprietatea firelor din aliaj cu memoria formei de a fi activate rezistiv prin efectul Joule.

Utiliznd relaiile specifice calcului electric al firelor s-au calculat rezistena de limitare, rezistena de comand, puterile disipate pe acestea i curenii efectivi pentru toat gama de diametre ale firelor din aliaj cu memoria formei folosite n actuatorii liniari (tabelul 4.4).

Folosirea unor tensiuni de alimentare mici a dus la eliminarea rezistenei de limitare i respectiv a puterii disipate pe aceasta. Se observ o cretere exponenial a puterii disipate pe firul din aliaj cu memoria formei i pstrarea curentului efectiv ct mai aproape de curentul recomandat de productor. Aceste observaii se pot vedea cu uurin n figura 4.13, unde sunt reprezentate grafic variaiile curenilor i variaia puterilor disipate pe fir.

a) b)

Fig. 4.13 Variaia curentului i a puterii disipate pe firul AMF la actuatorii liniari


42

De asemenea pentru controlul actuatorului a fost implementat un senzor de curent.Senzorul

de curent este conceput dintr-un amplificator operaional utilizat n regim diferenial. Acesta poate amplifica semnalul preluat de la cderea de tensiune pe rezistena de precizie Rs.

Aceste semnale sunt preluate de microcontroler n care este implementat controlul firului

din aliaj de memoria formei. Firul este acionat cu impulsuri modulate n lime (pulse width modulation PWM).

Schema electronic a actuatorului liniar (fig. 4.16) este compus dintr-un microcontroler de tip AVR ATmega8 care comand firele din aliaj cu memoria formei prin impulsuri modulate n lime. Aceste impulsuri sunt aplicate n baza tranzistorului Darlington Q1, TIP122. Firul din aliaj cu memoria formei se conecteaz la cablaj prin conectorul J3. Curentul ce strbate firul este msurat prin rezistena R7. Cderea de tensiune pe rezisten este amplificat de amplificatorul U2, uA741, fiind conceput ca i amplificator diferenial. Tensiunea amplificat de U2 este aplicat convertorului analog-digital al microcontrolerului prin pinul PC02(ADC02). Valoarea curentului msurat este aplicat algoritmului de control al actuatorului pentru al controla n bucl nchis . Totodat n algoritmul de control este inclus i msurarea temperatului firului printr-un termistor ce se conecteaz la cablaj prin conectorul J1. Semnalul electric preluat de la termistor este aplicat microcontrolerului prin pinul PC04(ADC04). Schema electronic a actuatorului este conceput astfel nct se pot aplica la intrare semnale analogice (PC04-ADC04) ct i digitale

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V +5V

+5V

+5V

+5V

Reset

MISOMOSI

Reset

SCK

MISOSCK

Reset

MOSI

J4

STK200

13579

246810

+++++

+++++

D15V1

J3SMA wire

21

R1 1k

C133p

C233p

J2CON4

1234

4MHz

R410

R5 0ATmega8

1234567

91011121314 15

161718192021

232425262728

822

RESETPD0(RXD)PD1(TXD)PD2(INT0)PD3(INT1)PD4(XCK/T0)VCC

PB6(XTAL1/TOSC1)PB7(XTAL2/TOSC2)PD5(T1)PD6(AIN0)PD7(AIN1)PD8(ICP1) PB1(OC1A)

PB2(SS/OC1B)PB3(MOSI/OC2)

PB4(MISO)PB5(SCK)

AVCCAREF

PC0(ADC0)PC1(ADC1)PC2(ADC2)PC3(ADC3)

PC4(ADC4/SDA)PC6(ADC5/SCL)

GNDGND

R10 1k

R2 0

R6 1k

R3 10k

D2LED

R81k

R121k

R7

1

R910k

Q1TIP122

+

-

U2UA741

3

26

7145

C41n

R1122k

J5

Reset

12

C3100n

J1Termistor

2 1

Fig. 4.16 Schema electronic de acionare a actuatorului liniar

(Rxd, Txd). Alegerea tipului de semnal se realizeaz prin intermediul rezistenelor R2 i R5 ce sunt folosite pe post de jumper. Algoritmul de comand este astfel conceput nct pentru o intrare analogic de 5V s rezulte la ieirea actuatorului o deplasare de 5mm. Semnalele de intrare sunt


43

aplicate circuitului prin conectorul J2. Alimentarea actuatorului se poate face ntre 5V i 10V. Acesta este prevzut i cu un LED de semnalizare D3 a prezenei tensiunii n circuit. Microcontrolerul funcioneaz cu o frecven de lucru de 8MHz i se poate programa utiliznd un programator STK200.

Fig. 4.18 Integrarea cablajul electronic n carcasa actuatorului liniar

Cablajul electronic a fost realizat folosind softul de proiectare electronic ORCAD. Pentru ca dimensiunile cablajului s poat fi comparate cu dimensiunile carcasei i pentru a analiza dac componentele electronice se ncadreaz n structura mecanic cablajul electronic se export n Solidworks Circuits. Se folosete formatul de proiectare integrat electro-mecanic .idf (the intermediate data format) pentru a realiza acest transfer (fig. 4.19). Odat importat n Solidworks Circuits este creat placa de cablaj 3D iar componentele electronice sunt importate din librria softului sau din librriile online prin folosirea funciei 3D ContentCentral [124, 125].

4.3 Actuatori rotativi pe baz de fire din aliaje cu memoria formei Actuatorii rotativi cu fire din aliaj cu memoria formei au o structur similar cu actuatorii

liniari prezentai anterior. Principiul de funcionare este bazat pe nfurarea firului din aliaj cu memoria formei 3 pe rola de antrenare 2 ce este solidarizat de axul principal 1 al actuatorului prin tiftul 4. Firul din aliaj cu memoria formei este ghidat dup rolele 9 i fixat de axul de fixare 11. Schema de principiu a actuatorului rotativ este prezentat n figura 4.20.a.

a) b)

Fig. 4. 20 Schema de funcionare a actuatorilor rotativi


44

Calculul actuatorilor rotativi s-a realizat dup schema de funcionare prezentat n figura 4. 20.b. S-au dezvoltat trei tipuri de actuatori cu lungima dintre rolele de ghidare l de 16mm, 32mm

i 48mm. Lungimea total a firului a fost calculat cu relaia 4.17, iar contracia firului folosind relaia 4.2.

422 Ddll rt

++= (4.17) Analiznd calculele de mai sus s-a conceput actuatorul rotativ. Un actuator rotativ, n

concordan cu cele prezentate n figurile 4.22 i 4.23, are urmtoarea structur i funcionare: n carcasa 12, se monteaz axul de ieire 1, prin intermediul bucei 7. De axul 1 se solidarizeaz rola de antrenare 2, cu ajutorul tiftului 4. Acesta are i rolul de a fixa cte o extremitate a fi

Rezumat Teza Lungu Ion

Documents

Transcript of Rezumat Teza Lungu Ion