SMART STRUCTURES: Tipologie, tecnologie ed applicazioni

SMART STRUCTURES: Tipologie, tecnologie ed applicazioni

Paolo Bettini

Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Politecnico di Milano

Milano - 12 dicembre 2007

SMART STRUCTURES: Tipologie, Tecnologie ed Applicazioni

Milano – 12 dicembre 2007 2

Influenza dell’Industria Aeronautica

COST

STRUCTURAL WEIGHT

Current technology

Obbiettivi

Nuove filosofie di progettazione(SAFELIFE, FAIL SAFE)

Damage tolerance

Ispezioni più frequenti

Strutture più leggere ed efficienti

Materiali compositi

Sviluppo di nuovi materiali e tecnologie



COST

STRUCTURAL WEIGHT

Current technology

Obbiettivi

Materiali compositiConvertiplano Agusta BA 609Largo impiego di composito in fibra di carbonio



Materiali compositiBoeing 787Primo aereo civile con fusoliera in carbonio



Materiali compositiFormula 1Telaio e superfici aerodinamiche in carbonio



Materiali compositiMateriali ibridi (FML)GLARE su Airbus A380Pannelli di rivestimento fusoliera


Milano – 12 dicembre 2007

Smart Structures

7

Actuator

Host material

Composite

Sensor

SMART STRUCTURE

Proprietà meccaniche

Proprietà funzionali+

Controllo di forma

Smorzamento vibrazioni

Health monitoring



Corpo umano

Nervi

Cervello

Muscoli

Smart Structures

Proprietà meccaniche

Proprietà funzionali+

Controllo di forma

Smorzamento vibrazioni

Health monitoring

8

AttuatoriSensori

Materiale ospite

Sistema elaborazione dati

Monitorare le grandezze interessateElaborare le informazioni ricevute

Reagire tramite un sistema di attuazione

ANALOGIA COL CORPO UMANO



Realizzati sfruttando le proprietà di alcuni materiali in grado di reagire a degli stimoli esterni variando

alcune proprie caratteristiche

AttuatoriSensori

Input, stimolo Output, risposta

SMART MATERIALS

Come sono fatti, come funzionano?



Accoppiamento meccanico-elettrico: sensore

10

SMART MATERIALSSENSORI ATTUATORI

Esempio: L’effetto piezoelettrico

Curie scoprì che il quarzo sottoposto ad uno stress meccanico esibisce una carica elettrica in superficie.

Input (stress) Output (V)

F>0

diretto




Esempio: L’effetto piezoelettrico

Stimolo (V) Risposta ()

Accoppiamento elettro-meccanico: attuatore

inverso




Esistono molteplici tipologie: classificazione

Classificazione in base al principio di funzionamento

Cambiamento di una o più proprietà

Trasformazione di energia



SMART MATERIALSCLASSIFICAZIONE

13

SENSORI ATTUATORI



Esistono molteplici tipologie: classificazione

Classificazione in base al principio di funzionamento



CLASSIFICAZIONE

14



Tipologia Input/stimolo Output/risposta

Termocromici temperatura Variazione colore

Esempi:

Termografia Vetri fotocromaticiTermometri



CLASSIFICAZIONE

15




Termocromici temperatura Variazione colore

Meccanocromici Deformazione Variazione colore

Chemocromici concentrazione ch. Variazione colore

Fotocromici Radiazione (luce) Variazione colore

Fibre ottiche DeformazioneVariazione proprietà

segnale ottico

SENSORI



CLASSIFICAZIONE

16




Elettro/Magneto reologici

Campo Elettrico/Magnetico

Variazione viscosità

Giunti anti-vibrazione Assorbitori - smorzatori

Esempi:

ATTUATORISENSORI



CLASSIFICAZIONE

17




ATTUATORI

Termo-luminescenti temperatura Emissione luce

Elettro-luminescenti campo elettrico Emissione luce

Chemo-luminescenti concentrazione ch. Emissione luce

Foto-luminescenti Radiazione (luce) Emissione luce

Foto-voltaici Radiazione (luce) Potenziale elettrico

Leghe a memoria di forma

temperatura, sforzo Deformazione



CLASSIFICAZIONE

18




ATTUATORI

Piezoelettrici Deformazione Potenziale elettrico

Piroelettrici temperatura Potenziale elettrico

Termoelettrici temperatura Potenziale elettrico

Magnetostrittivi Deformazione Campo magnetico

Elettrostrittivi Deformazione Potenziale elettrico

SENSORI



Smart Structures

Actuator

Host material

Composite

Sensor

SMART STRUCTURE

Perché inglobare sensori ed attuatori?

Invasività sul materiale

ospite

Accuratezza delle misure dei

trasduttori

Autorità degli

attuatori



Smart Structures

20

Actuator

Host material

Composite

Sensor

SMART STRUCTURE

Quali sono i sensori e gli attuatori adatti ad essere

inglobati?

Quali sono le problematiche tecnologiche connesse al

loro inglobamento?



Smart Structures

21

LA SCELTA

MorfologiaCompatibilità con materiale

ospiteInvasività (passiva e attiva)

Prestazioni

(dipendenti da applicazione)

INGLOBABILITA’

dipende da molti fattori:



Smart Structures

22

LA SCELTA

dipende da molti fattori:

Sensori

Attuatori

Fibre ottiche, Piezoelettrici

Leghe a memoria di forma, Piezoelettrici

Scelta materiale ospite

Grafite/Vetro/Kevlar

+

Resina epoxy

(Tp 130÷180 C)

PRE-PREG



Le Fibre Ottiche

Coating

Core

Cladding

Diametro esterno 140÷250 micron

Funzionamento

DeformazioneVariazione delle

caratteristiche segnale ottico

Core e Cladding con indici di rifrazione diversi

Waveguide per propagazione segnale luminoso



Le Fibre OtticheEsistono più architetture ottiche: a modulazione di ampiezza

a modulazione di fase a modulazione di frequenza

misure puntuali elevata accuratezza e precisione ottima risluzione e sensibilità (3-5) multiplexing misure non risentono dei disturbi elettro-magnetici

FBGS (Fibre Bragg Grating Sensor)




Cold-writting technique

Lunghezza d’onda a riposo

1550 nm

Dimensione reticolo

5 mm




Se reticolo si deformaVariano passo reticolare

e indice rifrazione

Varia lunghezza d’onda luce riflessa




Lunghezza sensibile

LED

Accoppiatore

Fibra ottica

Analizzatore

Spettro del segnale di Bragg trasmesso

di spettro

Spettro del segnale di Bragg riflesso Bragg grating realizzato nel core

Sorgente infrarossa a banda larga



I PiezoelettriciSi utilizzano ceramiche sinterizzate con struttura policristallina Piombo Zirconato-Titanato Piombo Titanato Piombo Zirconato Bario Titanato

(PZT)

E

(b)

Microdomìni

Momenti di dipolo elettrico a risultante nulla

PolarizzazioneMomenti di dipolo elettrico rimangono orientati grazie elevata costante dielettrica

Materiale polarizzato

E costante per tempo fissato



I Piezoelettrici (PZT)Esistono più tipologie:

Monolitici Fascio di fibre parallele

Sfruttano effetto d31

Spessore 127 micron

Sfruttano effetto d33

Flessibili



I Piezoelettrici (PZT)Fascio di fibre parallele



I Piezoelettrici (PZT)Elettrodi per effetto d31 Elettrodi per effetto d33



Le Leghe a Memoria di Forma

AUSTENITE Fase genitrice: struttura cubica B2 a corpo centrato, stabile ad alte temperature

MARTENSITE Fase prodotto: struttura monoclina B19’, stabile a basse temperature (α≠90°, β=γ=90°)

FASE-R Fase intermedia: struttura romboedrica R, presente solo dopo determinati trattamenti termici (α,β,γ≠90°)

TWINNED (martensite non orientata; 24 possibili orientazioni)

DETWINNED (martensite orientata)

Struttura cristallina



sforzo e temperatura influenzano la trasformazione

enucleazione e propagazione localizzatadi microscopici piani di interfaccia tra le fasi (habit plane) => reversibile

non diffusiva con movimento coordinato degli atomi => istantanea

Trasformazione martensitica:

Temperature di trasformazione

As

AF

Ms

MF temperatura di fine martensite

temperatura di inizio austenite

temperatura di inizio martensite

temperatura di fine austenite

As

AFMs

MF

Isteresi:

energia dissipata in un ciclo

Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento microscopico



MEMORIA DI FORMA A 1 VIA

Deformazione RaffreddamentoRiscaldamento

T < Mf T < Mf T < MfT > Af

Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento macroscopico



MEMORIA DI FORMA A 2 VIA

DeformazioneRaffreddamento

Riscaldamento

T < Mf T < Mf T < MfT > AfRiscaldamento




SUPERELASTICITA’

Carico Scarico

T > Af T > Af T > Af

Esistono 2 tipologie inglobabili:

Fili (diametro 0,01÷0,5 mm)

Strisce (dimens. 0,1x2,5 mm)




Smart Structures

37

ASPETTI TECNOLOGICI

Preparazione sensori/attuatori all’inglobamentoSviluppo tecniche di inglobamentoCapacità di trasferimento del caricoInvasività

Sviluppo strumenti di simulazione numerica per la

progettazioneCaratterizzazione per validazione tecnologia



Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento)

PZT necessità di averli delle dimensioni in pianta necessarie.

TAGLIO ECHING SALDATURA




ECHING SALDATURA


TAGLIO




ECHING SALDATURA


TAGLIO



NiTiNOL necessità cicli di allenamento per 1a via e 2a via

OWSM Training

Per essere inglobati in un pannello piano I fili devono

essere dritti

Risultato:

prima dopo

1. Dare al materiale la forma desiderata;2. Trattamento termico (circa 450°C per 3 minuti)

mantenendo i fili nella forma desiderata ma liberi di allungarsi/accorciarsi.




TWSM Training

1. Scaldare (105°C) sopra Af per portare il materiale in fase austenite;

2. Deformare (max 6%) per ottenere martensite indotta da sforzo;3. Raffreddare (25°C) sotto Mf vincolando I fili allo stato deformato;

4. Scaldare per recuperare la forma originaria indeformata;5. Ripetere la sequenza almeno 10 volte.

NiTiNOL necessità cicli di allenamento per 1a via e 2a via




Dopo l’allenamento le temperature di trasformazione e le proprietà meccaniche

possono essere cambiate

Necessità di prove caratterizzazione

Differential Scanning Calorimeter Analysis (ASTM F2004-03)

AS=53°C AF=62°C

MS=44°CMF=32°C

per ottenere le temperature di trasformazione

OWSM

TWSM

-12

-7

-2

3

8

0 20 40 60 80 100 120 140

T [°C]

Flo

w [

mW

] (e

xo d

ow

n)

Heating Cooling

AFAS

MSMF




Prove statiche di trazione (ASTM E111-97)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

Strain [mm/mm]

Str

es

s [

MP

a]

Martensite Austenite

EA=61GPaEM=19GPa

Dopo l’allenamento le temperature di trasformazione e le proprietà meccaniche

possono essere cambiate

Necessità di prove caratterizzazione




Laminato composito

Resina Fibra

1° Problema:

bassa resistenza a sforzi di taglio

Zona critica: uscita dal pannello

resina fluida scorre per capillaritàpolimerizza attorno alla fibra

pressione elevata

fibra resa fragile

vincolo meccanico

Aspetti tecnologici (inglobamento FO)



Soluzione:

Tubetti in teflon

(diametro interno 0,2mm)+

Resina bi-componente










Fibra ottica esce dal bordo del laminato

Soluzione difficilmente praticabile nelle applicazioni

Necessità di sviluppare una tecnica di inglobamento con Fibra

Ottica che esce da faccia superiore/inferiore

2° Problema:




Soluzione adottata:

Stampo con tassello




Soluzione adottata:







Angle ply

Ciò altera lo spettro del segnale

Il non allineamento della FO con le fibre di rinforzo può deformare il sensore.

3° Problema:




Una pelle a 0°

FO inglobata nella pelle a 0°

NO deformazione

[±45°]

[0°]

Quick-Pack

FO inglobata tra 2 sottili pelli di tessuto

polimerizzato a bassa pressione

Soluzioni adottate:

Cuscini Elastomerici

FBGS GFRP tessuto 0,1mm

Quick-Pack




Standard FO ha coating in acrilico.

Tg circa 86°C

Incompatibilità con i cicli di

polimerizzazione

Per garantire la capacità di trasferimento del carico non devono esserci deformazioni del coating

4° Problema:




FO con poly-imide coating

Tg circa 187°CSpessore

inferiore coating

Quick-Pack

Soluzioni adottate:




Presenza saldature e fili elettrici

Picco di pressione localizzato

Rottura della piastrina

Locale aumento della temperatura

Parziale depolarizzazione

Conduzione con materiale ospite in fibra di carbonio

Problemi:

Aspetti tecnologici (inglobamento PZT monolitiche)



Cuscini in gomma

PZT GFRP

Sottile film di adesivo conduttivo

Saldatura esterna al PZT

Polimerizzazione tra cuscini in gomma

Pressione uniforme

Quick-Pack in GFRP isola elettricamente

Soluzioni adottate:




Cuscini in gomma

PZT GFRP

Sottile film di adesivo conduttivo

Saldatura esterna al PZT

Polimerizzazione tra cuscini in gomma

Pressione uniforme

Quick-Pack in GFRP isola elettricamente

Soluzioni adottate:







Il limite dei PZT monolitici è la non inglobabilità in laminati curvi

PZT in fibra (Micro Fibre Composite)

Aspetti tecnologici (inglobamento PZT in fibre)



PZT in fibra (Micro Fibre Composite)

Messa a punto tecniche inglobamento in pannelli a

semplice curvatura

Adattate tecniche sviluppate per PZT monolitici

Attività in corso:

Aspetti tecnologici (inglobamento PZT in fibre)



Durante laminazioneFilo predeformato a trazione e tenuto in trazione durante polimerizzazione

Problema:

Interfaccia debole

Filo NiTiNOL

ManicottoComposito

Post polimerizzazioneMediante inglobamento di

manicotti in gomma vulcanizzata

Problema:

Trasferimento carico mediante struttura esterna

Aspetti tecnologici (inglobamento NiTiNOL)



Durante laminazione

Filo predeformato a trazione e tenuto in trazione durante

polimerizzazione

Necessità attrezzatura dedicata

- Morsetti x Pre-tensionare i fili

- Cornice x finitura superficiale




Attualmente sviluppo Tecnica mista con terminali inglobati all’estemità del pannello




Interfaccia (sensori/attuatori – materiale ospite)Determinazione del massimo carico trasferibile senza degrado dell’interfaccia

NiTiNOL Fibra ottica

Pull out



Interfaccia (NiTiNOL – materiale ospite)Determinazione del massimo carico trasferibile senza degrado dell’interfaccia

Curve forza-spostamento:cedimento progressivo (a) e subitaneo (b) dell’interfaccia

Curva forza-spostamento

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

spost [mm]

forz

a [N

]

Pull-out prova 2

Curva forza-spostamento

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

spost [mm]

forz

a [N

]

Pull-out prova 13

Curva (a): rottura progressiva dell’interfaccia, seguita da uno sfilamento completo

Curva (b): cedimento subitaneo dell’interfaccia, che precede un lento sfilamento



Sforzo di taglio all’interfaccia ISS o IFSS (Interfacial Shear Stress):

ld

FMAXISS

Curva globale forza massima di cedimento interfacciale-lunghezza di inglobamento

Curva finale sforzo medio di taglio di rottura all’interfaccia-lunghezza di

inglobamento

Forza massima-lunghezza inglobata

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11LINGL [mm]

FMAX [N]

Pull-out Resina-NiTiNOL

Sforzo medio-lunghezza inglobata

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

LINGL [mm]

sfo

rzo

med

io [

MP

a]

2,5 MPa

Interfaccia (NiTiNOL – materiale ospite)



25 N 4,3 N

Rottura subitanea

Rottura subitanea

FO coating poly-imide FO coating acrilico

R=64MPa R=11MPa

Interfaccia (Fibre ottiche – materiale ospite)



Ruota di reazione

Supporto

Applicazioni Mediante realizzazione dimostratoritecnologici



Applicazioni Supporto ruota reazione satellite HIPSEO

Smorzatore passivo esterno

Smorzatore attivi PZT inglobati nel

supporto









Interfaccia con EXPA

Bersaglio

camera

Motori elettrici

Applicazioni Manipolatore flessibile per esperimento su EXPA della stazione spaziale internazionale



Prestazioni migliorano con controllo attivo

Sensori FBGS

Attuatori PZT

Applicazioni Manipolatore flessibile per esperimento su EXPA della stazione spaziale internazionale



Monitoraggio strutturale pale di elicotteroApplicazioni



Sensori FBGS inglobati nel longherone e nel bordo d’uscita







Applicazioni Monitoraggio ciclo produttivo

Monitoraggio provino bordo d’uscita pala

Fase inglobamento Quick-Pack



Polimerizzazione Quick-Pack

Incollaggio talloni




-500

0

500

1000

1500

2000

FO liber

a

Tubetti

Inglo

b. FO

Vuoto

Polim. s

tart

Polim. m

ant.

Polim. e

nd

Rilass

amen

to Q

P

Inglo

b. QP

Inco

llaggio

sta

rt

Inco

llaggio

man

t.

Inco

llaggio

end

Mic

roep

silo

n

0

20

40

60

80

100

120

140

Tem

per

atu

ra [

°C]

Deformazioni

Temperatura

Andamento deformazioni – fasi di

lavorazione


Possibilità di valutare stress residui



Applicazioni Controllo di forma e attuazione mediante attuatori in NiTiNOL

In corso collaborazione FERRARI GS Controllo di forma paratie per apertura-chiusura prese di raffreddamento Attuatore per apertura portello carburante

L’idea è quella di avere attuazione sfruttando

le fonti di calore presenti sulla vettura



Applicazioni Controllo di forma e attuazione mediante attuatori in NiTiNOL

Documents

SMART STRUCTURES: Tipologie, tecnologie ed applicazioni