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

The ongoing employment of Shape Memory Alloys (SMAs) as solid-state actuators results from the Shape Memory Effect (SME) and the unique mechanical characteristics of these materials, including high reversible strain (up to 10 %), high-power to weight ratio and the ability to generate high recoverable stresses (up to 800 MPa). SMAs are frequently combined within polymeric materials, also reinforced with embedded fibres, to produce adaptive structures whose properties could be tuned in response to external stimuli. The integration of smart materials in actuation systems represents an excellent technological opportunity and an alternative solution to conventional mechanical systems for the development of mechanisms with improved simplicity and reliability. The possibility to use SMA elements for morphing structures is particularly attractive for aerodynamic applications where this actuation solution prevents the introduction of flow-disturbing control elements. The notion of smart advanced blades, which can control themselves and reduce (or eliminate) the need for an active control system, is a highly attractive solution in blade technology. Despite a large number of publications and patents relating to the employment of SMAs for enhancing aerodynamic and structural efficiency of automotive applications, specific studies on the behaviour of SMA-based morphing blades are not available in literature. The aim of this work is the development and the experimental characterisation of a novel concept of morphing blade, intended for cooling fan of internal combustion engines for earth moving machines. The variable-geometry blade comprises a composite structure made up of a polymeric compound, for the elastically deformable body of the blade, with embedded SMA strips as active elements. To assess the reliability of the SMA strip to provide the proper bending behaviour in the composite structure of the blade, the first phase of the work concerned the experimental characterisation of the NiTi material. The thermal characterisation allows to study the best shape setting parameters (temperature, time and strain) which were experimentally tuned to maximise the SME in the NiTi strip. The recovery behaviour of the SMA material, as a result of the thermally activated solid to solid phase transformations, was assessed by considering the percentage of shape recovery with the increasing number of thermal cycles. The experimental findings enabled to set the proper thermomechanical treatment related to the bending recovery performance of the strip. Starting from the need to evaluate the actuation ability of the NiTi strip when it is indirectly embedded into a polymeric matrix, a proof of concept of composite structure, comprising a single strip and a polymeric compound was design on purpose. The bending ability of the structure was evaluated by means of repeated recovery cycles. Thermal activations were achieved by means of a fluid flow and an airstream flow heating/cooling systems. Acknoledgments The experiments performed on the concept of the single strip composite structure were useful for the development of the morphing blade. The study of its morphing capability was conducted by comparing the behaviour of four different polymeric compounds in order to establish the best compromise between stiffness and deflection behaviour for the intended application. The shape changes of the blade, arising from the SME behaviour of the embedded thermomechanically treated NiTi strips, were experimentally evaluated through a purpose-built wind tunnel, developed to reproduce the actual automotive thermal ramps of the heat exchanger. Experimental findings highlighted the opportunity to generate an innovative passive control system applied to an automotive cooling axial fan wherein the SMA driven activation enables the production of favourable aerodynamic shape changes.

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