ITMI20071283A1 - Attuatore comprendente elementi in lega a memoria di forma ad ampliato intervallo di temperature di utilizzo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un attuatore comprendente elementi in lega a memoria di forma, che mantiene la sua funzionalità in un intervallo di temperature più ampio rispetto ad analoghi attuatori noti.

Le leghe a memoria di forma sono comunemente note nel settore come “SMA”, acronimo di “Shape Memory Alloy”. Anche se sono note varie composizioni di leghe SMA, le uniche leghe praticamente impiegate sono quelle di composizione Ni-Ti, preferibilmente contenenti dal 54 al 55,5% in peso di nichel ed il resto titanio (sono ammesse tracce di altri componenti).

Come noto, una parte meccanica realizzata con una lega Ni-Ti è in grado di transire tra due forme, predefinite al momento della produzione, in seguito ad un cambiamento di temperatura che causa una transizione di fase nella miscrostruttura della lega. La fase stabile alle temperature più elevate è detta austenitica, mentre quella stabile a temperature inferiori è detta martensitica. La trasformazione tra le due fasi avviene secondo un ciclo di isteresi in un diagramma temperatura-deformazione, caratterizzato da quattro valori di temperatura: durante il riscaldamento, a partire dalle basse temperature alle quali é stabile la fase martensitica, si raggiunge una temperatura Asalla quale inizia la trasformazione nella fase austenitica, e poi una temperatura Af(Af> As) alla quale la trasformazione in austenite è completa; durante il raffreddamento, a partire da una temperatura in cui é stabile la fase austenitica, si raggiunge una temperatura Msalla quale inizia la trasformazione nella fase martensitica, e quindi una temperatura Mf(Mf< Ms) a cui tale trasformazione è completa. Diagrammi di questi cicli di isteresi sono riportati, ad esempio, nei brevetti US 4.896.955 ed EP 807276.

Dispositivi o componenti comprendenti elementi attivi realizzati in lega SMA (definiti per brevità nel seguito attuatori SMA) sono noti e studiati soprattutto nel settore automobilistico per sostituire attuatori che impiegano motorini elettrici, per esempio nelle serrature delle automobili; nel seguito della descrizione si farà riferimento in particolare a elementi SMA in forma di filo, ma gli attuatori dell’invenzione potrebbero anche impiegare tali elementi in forma di piattine o simili. Negli attuatori SMA fin qui proposti, il riscaldamento del filo viene generalmente ottenuto per passaggio di corrente elettrica nello stesso; la transizione conseguente è spontanea ed esercita una forza apprezzabile, in grado di trasmettere un moto ad una parte mobile collegata. La transizione inversa alla fase martensitica avviene in seguito al raffreddamento naturale del filo, conseguente all’interruzione del passaggio di corrente, ed il ritorno alle condizioni iniziali di forma viene favorito dall’applicazione di una forza (per esempio con una molla di richiamo o metodi simili).

L’impiego di attuatori SMA nell’industria automobilistica è stato finora limitato dalle specifiche imposte da questa, che richiedono alle parti mobili una vita di almeno 50.000 cicli (per esempio, di apertura-chiusura nel caso di un meccanismo di serratura) a temperature comprese nell’intervallo che va da - 20 a 80 °C. Fili SMA realizzati in leghe Ni-Ti hanno tipicamente Mf< 80 °C, con la conseguenza che la transizione alla fase martensitica avviene solo con molta difficoltà o non avviene affatto e l’attuatore non può effettuare un ciclo di funzionamento completo.

E noto che, aumentando il carico applicato ad un filo SMA, è possibile traslare la sua curva di isteresi verso temperature più alte; in linea di principio sarebbe quindi possibile, pretensionando opportunamente il filo, ottenere un attuatore SMA in grado di operare correttamente anche ad 80 °C; un carico elevato costante avrebbe però lo svantaggio di snervare velocemente il filo, causando la rottura dello stesso o comunque la perdita di funzionalità dell’ attuatore dopo poche migliaia di cicli.

Scopo della presente invenzione è di fornire un attuatore SMA in grado di superare i problemi sopra esposti.

Questo scopo viene ottenuto con un attuatore comprendente:

- un primo elemento in lega a memoria di forma in grado di variare la sua forma in seguito a riscaldamento, avente una prima estremità fissa ed una seconda estremità collegata ad una parte meccanica controllata;

- mezzi per riscaldare detto primo elemento in lega a memoria di forma; e - mezzi di richiamo per consentire il ritorno di detto primo elemento alla sua forma originale durante il raffreddamento, aventi una prima estremità collegata alla seconda estremità di detto primo elemento ed una seconda estremità collegata ad un vincolo interno dell’ attuatore,

caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi adatti a muovere detto vincolo interno dell’ attuatore e aumentare il carico applicato su detti mezzi di richiamo quando la temperatura esterna supera il valore Mfdi detto primo elemento in lega a memoria di forma.

L’invenzione è basata sull’osservazione che, anche nei casi in cui le specifiche dell’applicazione finale impongono temperature di prova relativamente elevate, queste non sono le temperature costanti di esercizio degli attuatori SMA; nell’applicazione finale, normalmente un attuatore dovrà compiere solo parte dei suoi cicli a temperature elevate, e parte a temperature più ridotte. E quindi possibile impiegare un attuatore in cui il carico applicato all’elemento SMA funzionale possa variare con la temperatura, in modo tale che il suo ciclo di isteresi si svolga sopra la temperatura ambiente per ogni valore di questa. Secondo l’invenzione, sull’elemento SMA funzionale è applicato un carico basso a temperature esterne relativamente basse per non stressare eccessivamente ed inutilmente detto elemento, e un carico più elevato quando la temperatura ambiente supera un valore di soglia, per esempio di 80 °C.

I mezzi per aumentare il carico applicato sui mezzi di richiamo e quindi, indirettamente, sull’ elemento SMA funzionale, possono essere i più svariati. In linea di principio si potrebbero prevedere anche mezzi manuali, per esempio una leva mossa da un operatore quando questo osserva che 1 ’ attuatore non opera più correttamente. Più comunemente, i mezzi per aumentare il carico sono tali da reagire autonomamente all’aumento di temperatura esterna; è possibile impiegare per esempio un motorino collegato ad un sensore di temperatura; una parte metallica di sufficiente lunghezza (per esempio, avvolta a spirale) che si dilata all’ aumentare della temperatura; o una parte bimetallica, che al raggiungimento della sua temperatura di soglia varia la sua forma.

Nella forma di realizzazione preferita dell’invenzione, i mezzi per muovere il vincolo interno dell’ attuatore e aumentare il carico applicato sui mezzi di richiamo sono costituiti da un secondo elemento a memoria di forma in equilibrio termico con l’ambiente circostante, avente un’estremità fissa e un’estremità collegata al vincolo interno; questo secondo elemento SMA deve essere dimensionato in modo tale da esercitare durante la transizione conseguente al riscaldamento una forza maggiore di detto primo elemento SMA. Nel seguito del testo si farà riferimento all’invenzione in questa sua modalità di realizzazione preferita.

L’invenzione verrà illustrata nel seguito con riferimento alle figure, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente un attuatore dell’invenzione in una sua prima forma di realizzazione; in particolare la parte a) della figura mostra l’ attuatore nella condizione a bassa temperatura, la parte b) l’ attuatore nella condizione ad alta temperatura;

- la figura 2 mostra schematicamente una possibile forma di realizzazione alternativa di un attuatore dell’invenzione; anche in questo caso la parte a) della figura mostra Γ attuatore nella condizione a bassa temperatura, la parte b) Γ attuatore nella condizione ad alta temperatura.

La figura la mostra schematicamente 1 ’ attuatore dell’invenzione nella condizione a bassa temperatura, cioè quando opera ad una temperatura Tai dall’ambiente esterno relativamente bassa, per esempio inferiore a 50 °C.

L’attuatore, 10, è formato da un filo SMA, 11, che costituisce il primo elemento in lega SMA precedentemente definito ed ha una prima estremità (a sinistra in figura) collegata ad una parte fissa schematizzata dalla parete 12 in figura, e una seconda estremità collegata a una parte meccanica controllata (non mostrata), per esempio attraverso un gancio 13; la parte meccanica controllata può essere di qualunque tipo che svolga la sua funzione attraverso un movimento che può essere di traslazione o rotazione, per esempio una parte di una serratura; in figura è esemplificato il caso in cui il gancio 13 effettua la sua azione per movimento verso sinistra, come indicato dalla freccia. La seconda estremità del filo 11 è collegata ad una prima estremità di mezzi di richiamo, che, durante il raffreddamento, favoriscono il ritorno del filo 11 alla forma o dimensione stabile a bassa temperatura; in figura è esemplificato il caso in cui questi mezzi di richiamo siano costituiti da una normale molla, 14. La seconda estremità della molla è fissata ad cursore 15, che costituisce un vincolo interno dell’ attuatore. Il cursore 15 è alloggiato in un cilindro 16, a sua volta fissato ad una parete 17 esterna all’attuatore e che costituisce un vincolo fisso esterno all’attuatore stesso. Alla parte opposta del cursore 15 rispetto alla molla 14 è fissato un secondo elemento in lega SMA, 18, alloggiato nel cilindro; in particolare, il secondo elemento SMA ha una prima estremità fissata al cursore 15 e la seconda estremità fissata al fondo del cilindro; l’elemento 18 è rappresentato in figura come una molla, ma potrebbe assumere qualunque forma, per esempio potrebbe essere una piattina o a sua volta un filo di diametro maggiore di quello del filo 11. Nell’attuatore 10, entrambi gli elementi SMA, cioè il filo Il e l’elemento 18, sono stati educati in sede di produzione a contrarsi in seguito a riscaldamento. Di questi, il filo 11 è collegato a mezzi per il suo riscaldamento; in figura detti mezzi sono rappresentati dai conduttori 19, 19’ collegati ad una sorgente di alimentazione elettrica (non mostrata) per poter riscaldare il filo 11 per passaggio di corrente e causarne quindi la transizione di fase. L’elemento 18 è invece in equilibrio termico con l’ambiente circostante. Il filo 11, la molla 14 e l’elemento 18 sono dimensionati in modo tale che la forza di trazione esercitata dall’elemento 18 è maggiore di quella del filo 11, che a sua volta è maggiore di quella esercitata dalla molla 14. Il carico sul filo 11 corrisponde alla forza della molla 14; poiché con bassi carichi applicati il valore della temperatura Mfper un filo di lega Ni-Ti è di circa 65 °C, alla temperatura Tai indicata tutto il ciclo di isteresi si svolge sopra la temperatura esterna e l’attuatore è in grado di funzionare correttamente, col riscaldamento del filo 11 per passaggio di corrente nel filo stesso e raffreddamento naturale.

La figura lb mostra l’attuatore 10 quando la temperatura esterna aumenta, e per esempio raggiunge un valore di circa 80 °C. A questa temperatura l’elemento 18, in equilibrio termico con l’esterno, effettua la transizione di fase e modifica la sua forma, contraendosi; il cursore 15 viene spostato verso destra in figura (la posizione originale del cursore è indicata dalle linee tratteggiate), aumentando la tensione sulla molla 14; ciò comporta un aumento del carico sul filo 11, con conseguente traslazione verso le alte temperature del ciclo di isteresi di quest’ultimo, ma non il movimento della parte controllata a causa dell’inestensibilità del filo 11. Dimensionando opportunamente l’elemento 18 e la molla 14, questa traslazione è tale che Mf> 80 °C, riportando quindi il sistema in una condizione in cui tutto il ciclo di isteresi si svolge sopra la temperatura esterna e il filo 11 può effettuare la transizione da fase austenitica a martensitica per raffreddamento naturale, così da permettere la corretta funzionalità dell’attuatore 10 anche a 80 °C.

Quando la temperatura esterna si abbassa, l’elemento 18 torna in fase martensitica e tutto il sistema toma alla configurazione mostrata in figura la, allentando così il carico sul filo 11 ed evitandone lo snervamento o rottura che sarebbero causati dal carico elevato costante se l’attuatore rimanesse sempre nella configurazione della figura lb.

La figura 2 mostra una possibile forma di realizzazione alternativa dell’attuatore dell’invenzione. In figura 2a è mostrato l’attuatore nella sua configurazione a bassa temperatura. L’attuatore 20 è fissato rigidamente ad un vincolo fisso 27 (una parete esterna al sistema), e comprende un filo 21 in lega SMA avente la prima estremità fissa (per esempio collegata ad una parete 22) e la seconda estremità collegata ad un cursore 25’ a sua volta collegato a una parte meccanica controllata 23. Il filo 21 può essere riscaldato tramite mezzi 29, 29’ (nel disegno esemplificati come conduttori elettrici per alimentare il passaggio di corrente nel filo 21 stesso), ed è stato educato in sede di produzione a contrarsi in seguito a riscaldamento. Il cursore 25’ è anche collegato alla prima estremità di una molla 24 che costituisce i mezzi di richiamo del sistema (per chiarezza di disegno, la molla 24 in questo caso è rappresentata in sezione). Ad ogni data temperatura il cursore 25’ ha una posizione fissa e determinata dalla forza della molla 24, che lavora in compressione. L’attuatore comprende inoltre un secondo elemento in lega SMA, rappresentato in figura come una seconda molla, 28 (mostrata in sezione per chiarezza di disegno), ma che potrebbe assumere qualunque forma funzionalmente equivalente. Il secondo elemento SMA, 28, ha una prima estremità fissata alla parete interna di un cilindro 26 solidale con il vincolo 27 e una seconda estremità fissata ad un secondo cursore, 25, libero di traslare all’interno del cilindro 26 e a cui è anche fissata la seconda estremità della molla 24. Il secondo cursore 25 costituisce il vincolo interno dell’attuatore. Il cilindro 26 alloggia l’insieme degli elementi 24, 25, 25’ e 28. L’elemento 28 è stato educato in sede di produzione ad espandersi in seguito a riscaldamento. Anche in questo caso, gli elementi 21, 24 e 28 sono dimensionati in modo tale che la forza esercitata dall’elemento 28 è maggiore di quella del filo 21, che a sua volta è maggiore di quella esercitata dalla molla 24. Quando la temperatura esterna all’attuatore è tale che il filo 21 possa compiere un ciclo completo di isteresi, il sistema lavora semplicemente in base alla contrazione del filo 21 in seguito al suo riscaldamento tramite i mezzi 29, 29’, e alla sua dilatazione in seguito a raffreddam ento naturai e .

La figura 2b rappresenta la configurazione dell’attuatore 20 all’ aumentare della temperatura esterna, e in particolare a valori di T per cui il filo 21 non sarebbe più in grado di tornare in fase martensitica per raffreddamento naturale. In questa situazione, il secondo elemento SMA 28 effettua la sua transizione di fase espandendosi e spingendo il secondo cursore 25 verso destra in figura; ciò determina la compressione della molla 24 che a sua volta sposta verso destra il primo cursore 25’, aumentando così il carico sul filo 21 riportandolo nella condizione in cui tutto il suo ciclo di isteresi si svolge sopra la temperatura esterna, così da permettere la corretta funzionalità dell’attuatore 20 anche in questa seconda condizione di temperatura, più elevata.

L’invenzione è stata qui descritta in due sue possibili forme di realizzazione, ma risulterà evidente agli esperti del ramo che sono possibili numerose varianti che rimangono comunque nell’ambito dell’invenzione stessa; per esempio, a seconda della specifica costruzione dell’attuatore, ognuno dei due elementi SMA, indipendentemente dall’altro, può essere educato a contrarsi o espandersi durante il riscaldamento; ognuno dei due elementi SMA, indipendentemente dall’altro, può assumere la forma di un filo, una piattina, una molla, o altre forme funzionali adatte allo specifico scopo; i mezzi di richiamo, qui sempre illustrati come normali molle, possono assumere qualunque forma funzionalmente adatta allo scopo; e la relazione geometrica tra le varie parti dell’attuatore può essere variata a piacere purché vengano rispettate le condizioni generali indicate nella definizione più ampia dell’ invenzione corrispondente alla prima rivendicazione.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore (10; 20) che impiega elementi in lega a memoria di forma, comprendente: - un primo elemento (11; 21) in lega a memoria di forma in grado di variare la sua forma in seguito a riscaldamento, avente una prima estremità collegata ad una parte meccanica controllata ed una seconda estremità fissa; - mezzi (19, 19’; 29, 29’) per riscaldare detto primo elemento in lega a memoria di forma; e - mezzi di richiamo (14; 24) per consentire il ritorno di detto primo elemento alla sua forma originale durante il raffreddamento, aventi una prima estremità collegata a detta prima estremità di detto primo elemento ed una seconda estremità collegata ad un vincolo interno (15; 25) dell’ attuatore; caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi adatti a muovere detto vincolo interno dell’ attuatore e aumentare il carico applicato su detti mezzi di richiamo quando la temperatura esterna supera il valore Mfdi trasformazione completa in fase martensitica di detto primo elemento in lega a memoria di forma.
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi adatti a muovere il vincolo interno sono scelti tra mezzi mossi manualmente, parti metalliche che si dilatano in seguito a riscaldamento o elementi bimetallici.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 1 in cui i mezzi adatti a muovere il vincolo interno sono costituiti da un secondo elemento (18; 28) in lega a memoria di forma in equilibrio termico con l’ambiente circostante, dimensionato in modo tale da esercitare durante la transizione conseguente al riscaldamento una forza maggiore di quella esercitata da detto primo elemento in lega a memoria di forma, e avente una prima estremità fissa e una seconda estremità collegata a detto vincolo interno dell’attuatore.