SMART STRUCTURES: Tipologie, tecnologie ed applicazioni

1. Milano - 12 dicembre 2007 SMART STRUCTURES: Tipologie, tecnologie ed applicazioni Paolo Bettini Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano

2. Influenza dell’Industria Aeronautica • Materiali compositi Nuove filosofie di progettazione (SAFELIFE, FAIL SAFE) Damagetolerance STRUCTURAL WEIGHT Current technology Strutture più leggere ed efficienti COST Ispezioni più frequenti Obbiettivi • Sviluppo di nuovi materiali e tecnologie

3. Convertiplano Agusta BA 609 Largo impiego di composito in fibra di carbonio • Materiali compositi STRUCTURAL WEIGHT Current technology COST Obbiettivi

4. Boeing 787 Primo aereo civile con fusoliera in carbonio • Materiali compositi

5. Formula 1 Telaio e superfici aerodinamiche in carbonio • Materiali compositi

6. GLARE su Airbus A380 • Materiali compositi • Materiali ibridi (FML) Pannelli di rivestimento fusoliera

7. Smart Structures SMART STRUCTURE Proprietà meccaniche + Composite Proprietà funzionali Host material Sensor Actuator Controllo di forma Smorzamento vibrazioni Health monitoring

8. Corpo umano Materiale ospite • Smart Structures Nervi Muscoli Attuatori Sensori Proprietà meccaniche + Proprietà funzionali Sistema elaborazione dati Cervello Controllo di forma Smorzamento vibrazioni Health monitoring Monitorare le grandezze interessate Elaborare le informazioni ricevute Reagire tramite un sistema di attuazione ANALOGIA COL CORPO UMANO

9. Sensori • Attuatori Come sono fatti, come funzionano? Realizzati sfruttando le proprietà di alcuni materiali in grado di reagire a degli stimoli esterni variando alcune proprie caratteristiche Input, stimolo Output, risposta SMART MATERIALS

10. SENSORI SMART MATERIALS ATTUATORI Esempio: L’effetto piezoelettrico diretto Curie scoprì che il quarzo sottoposto ad uno stress meccanico esibisce una carica elettrica in superficie. Accoppiamento meccanico-elettrico: sensore Input (stress) Output (DV) F>0

11. SENSORI SMART MATERIALS ATTUATORI Esempio: L’effetto piezoelettrico inverso Accoppiamento elettro-meccanico: attuatore Stimolo (DV) Risposta (e)

12. SENSORI SMART MATERIALS ATTUATORI Esistono molteplici tipologie: classificazione Classificazione in base al principio di funzionamento Trasformazione di energia Cambiamento di una o più proprietà

13. SENSORI ATTUATORI SMART MATERIALS CLASSIFICAZIONE Esistono molteplici tipologie: classificazione Classificazione in base al principio di funzionamento Trasformazione di energia Cambiamento di una o più proprietà

14. CLASSIFICAZIONE Cambiamento di una o più proprietà Trasformazione di energia Tipologia Input/stimolo Output/risposta Termocromici D temperatura Variazione colore Esempi: Vetri fotocromatici Termografia Termometri

15. SENSORI CLASSIFICAZIONE Cambiamento di una o più proprietà Trasformazione di energia Tipologia Input/stimolo Output/risposta Termocromici D temperatura Variazione colore Meccanocromici Deformazione Variazione colore Chemocromici D concentrazione ch. Variazione colore Fotocromici Radiazione (luce) Variazione colore Variazione proprietà segnale ottico Fibre ottiche Deformazione

16. SENSORI CLASSIFICAZIONE ATTUATORI Cambiamento di una o più proprietà Trasformazione di energia Tipologia Input/stimolo Output/risposta Elettro/Magneto reologici D Campo Elettrico/Magnetico Variazione viscosità Esempi: Assorbitori - smorzatori Giunti anti-vibrazione

17. CLASSIFICAZIONE ATTUATORI Cambiamento di una o più proprietà Trasformazione di energia Tipologia Input/stimolo Output/risposta Termo-luminescenti D temperatura Emissione luce Elettro-luminescenti D campo elettrico Emissione luce Chemo-luminescenti D concentrazione ch. Emissione luce Foto-luminescenti Foto-voltaici Leghe a memoria di forma Radiazione (luce) Emissione luce D Potenziale elettrico Radiazione (luce) D temperatura, D sforzo Deformazione

18. SENSORI CLASSIFICAZIONE ATTUATORI Cambiamento di una o più proprietà Trasformazione di energia Tipologia Input/stimolo Output/risposta Piezoelettrici Deformazione D Potenziale elettrico Piroelettrici D temperatura D Potenziale elettrico Termoelettrici D temperatura D Potenziale elettrico Magnetostrittivi Elettrostrittivi Deformazione Deformazione Campo magnetico D Potenziale elettrico

19. Smart Structures SMART STRUCTURE Perché inglobare sensori ed attuatori? Composite Host material Invasività sul materiale ospite Sensor Actuator Accuratezza delle misure dei trasduttori Autorità degli attuatori

20. Smart Structures SMART STRUCTURE Quali sono i sensori e gli attuatori adatti ad essere inglobati? Composite Host material Sensor Actuator Quali sono le problematiche tecnologiche connesse al loro inglobamento?

21. LA SCELTA • Smart Structures dipende da molti fattori: • Morfologia • Compatibilità con materiale • ospite • Invasività (passiva e attiva) • Prestazioni • (dipendenti da applicazione) INGLOBABILITA’

22. LA SCELTA • Smart Structures dipende da molti fattori: Sensori Scelta materiale ospite Fibre ottiche, Piezoelettrici Grafite/Vetro/Kevlar + Resina epoxy (Tp 130÷180 C) PRE-PREG Attuatori Leghe a memoria di forma, Piezoelettrici

23. Le Fibre Ottiche Coating Core Cladding Diametro esterno 140÷250 micron Funzionamento Core e Cladding con indici di rifrazione diversi Waveguide per propagazione segnale luminoso Variazione delle caratteristiche segnale ottico Deformazione

24. Le Fibre Ottiche Esistono più architetture ottiche: • a modulazione di ampiezza • a modulazione di fase • a modulazione di frequenza FBGS (Fibre BraggGratingSensor) • misure puntuali • elevata accuratezza e precisione • ottima risluzione e sensibilità (3-5me) • multiplexing • misure non risentono dei disturbi elettro-magnetici

25. FBGS (Fibre BraggGratingSensor) Cold-writting technique Lunghezza d’onda a riposo 1550 nm Dimensione reticolo 5 mm

26. FBGS (Fibre BraggGratingSensor) Variano passo reticolare e indice rifrazione Se reticolo si deforma Varia lunghezza d’onda luce riflessa

27. FBGS (Fibre BraggGratingSensor) Sorgente infrarossa a banda larga

28. I Piezoelettrici Si utilizzano ceramiche sinterizzate con struttura policristallina Piombo Zirconato-Titanato Piombo Titanato Piombo Zirconato Bario Titanato (PZT) Microdomìni Polarizzazione Materiale polarizzato Momenti di dipolo elettrico a risultante nulla Momenti di dipolo elettrico rimangono orientati grazie elevata costante dielettrica E costante per tempo fissato

29. I Piezoelettrici (PZT) Esistono più tipologie: Fascio di fibre parallele Monolitici Sfruttano effetto d31 Spessore 127 micron Sfruttano effetto d33 Flessibili

30. I Piezoelettrici (PZT) Fascio di fibre parallele

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

32. Le Leghe a Memoria di Forma Struttura cristallina 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°) TWINNED (martensite non orientata; 24 possibili orientazioni) DETWINNED (martensite orientata) FASE-R Fase intermedia: struttura romboedrica R, presente solo dopo determinati trattamenti termici (α,β,γ≠90°)

33. Isteresi: energia dissipata in un ciclo MF As Ms AF Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento microscopico Trasformazione martensitica: sforzo e temperatura influenzano la trasformazione enucleazione e propagazione localizzata di microscopici piani di interfaccia tra le fasi (habitplane) => reversibile non diffusiva con movimento coordinato degli atomi => istantanea Temperature di trasformazione As temperatura di inizio austenite AF temperatura di fine austenite Ms temperatura di inizio martensite MF temperatura di fine martensite

34. Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento macroscopico MEMORIA DI FORMA A 1 VIA Deformazione Riscaldamento Raffreddamento T < Mf T < Mf T > Af T < Mf

35. Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento macroscopico MEMORIA DI FORMA A 2 VIA Raffreddamento Riscaldamento Deformazione Riscaldamento T < Mf T < Mf T > Af T < Mf

36. Le Leghe a Memoria di Forma Comportamento macroscopico 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)

37. ASPETTI TECNOLOGICI • Smart Structures • Preparazione sensori/attuatori all’inglobamento • Sviluppo tecniche di inglobamento • Capacità di trasferimento del carico • Invasività • Sviluppo strumenti di simulazione numerica per la • progettazione • Caratterizzazione per validazione tecnologia

38. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) PZT necessità di averli delle dimensioni in pianta necessarie. SALDATURA TAGLIO ECHING

39. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) PZT necessità di averli delle dimensioni in pianta necessarie. SALDATURA TAGLIO ECHING

40. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) PZT necessità di averli delle dimensioni in pianta necessarie. SALDATURA TAGLIO ECHING

41. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) NiTiNOL necessità cicli di allenamento per 1a via e 2a via OWSM Training • Dare al materiale la forma desiderata; • Trattamento termico (circa 450°C per 3 minuti) mantenendo i fili nella forma desiderata ma liberi di allungarsi/accorciarsi. Risultato: Per essere inglobati in un pannello piano I fili devono essere dritti prima dopo

42. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) NiTiNOL necessità cicli di allenamento per 1a via e 2a via TWSM Training • Scaldare (105°C) sopra Af per portare il materiale in fase austenite; • Deformare (max 6%) per ottenere martensite indotta da sforzo; • Raffreddare (25°C) sotto Mf vincolando I fili allo stato deformato; • Scaldare per recuperare la forma originaria indeformata; • Ripetere la sequenza almeno 10 volte.

43. Heating Cooling 8 AS AF 3 Flow [mW] (exo down) 0 20 40 60 80 100 120 140 -2 MS MF -7 T [°C] -12 Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) 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) per ottenere le temperature di trasformazione OWSM AS=53°C AF=62°C TWSM MS=44°C MF=32°C

44. Aspetti tecnologici (preparazione all’inglobamento) Dopo l’allenamento le temperature di trasformazione e le proprietà meccaniche possono essere cambiate Necessità di prove caratterizzazione Prove statiche di trazione (ASTM E111-97) EA=61GPa EM=19GPa

45. Aspetti tecnologici (inglobamento FO) Laminato composito 1° Problema: bassa resistenza a sforzi di taglio Zona critica: uscita dal pannello resina fluida scorre per capillarità Fibra Resina polimerizza attorno alla fibra pressione elevata vincolo meccanico fibra resa fragile

46. Aspetti tecnologici (inglobamento FO) Soluzione: Tubetti in teflon (diametro interno 0,2mm) + Resina bi-componente

47. Aspetti tecnologici (inglobamento FO)

48. Aspetti tecnologici (inglobamento FO)

49. Aspetti tecnologici (inglobamento FO) 2° Problema: 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

50. Aspetti tecnologici (inglobamento FO) Soluzione adottata: Stampo con tassello