I materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazione nel mondo dell'automazione

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato studiare le caratteristiche, le proprietà, le applicazioni con conseguenti vantaggi e svantaggi di un particolare tipo di smart materials: i materiali a memoria di forma. Il capitolo 1 tratterà delle leghe metalliche a memoria di forma, il successivo si concentrerà invece sui polimeri a memoria di forma. In ognuno di questi, relativamente al materiale affrontato, si presterà particolare attenzione agli “effetti” che contraddistinguono tali materiali da quelli più comuni, come l’effetto memoria di forma o la superelasticità. Successivamente, nei vari sottoparagrafi, l’attenzione si sposterà sulle tecniche di caratterizzazione, utili per capire le proprietà di una lega o di un polimero rispetto ad un altro, e sulle conseguenti classificazioni di entrambi. Per quanto riguarda i polimeri, si accenneranno certi parametri fondamentali di cui è necessario tener conto per conoscere bene il polimero considerato. La trattazione, in ambedue i casi, terminerà con un focus sulle applicazioni più diffuse e su quelle più interessanti di tali materiali, fornendo dettagli sulle tecnologie utilizzate e sugli stimoli dettati per eccitare i sistemi.

Materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazioni nel campo dei beni culturali

Questo lavoro di tesi nasce da un progetto di ricerca promosso nel 2001 dal Prof. Leonardo Seccia (Seconda Facoltà di Ingegneria, sede di Forlì, e C.I.R.A.M., Università di Bologna), dal Prof. Nicola Santopuoli (Facoltà di Architettura Valle Giulia, Sapienza Università di Roma), dal Prof. Ingo Muller e dal Dott. André Musolff (Technical University Berlin, Facultat III, Thermodynamics). Tale progetto ha avuto come obiettivo lo studio, la progettazione e la realizzazione di un dispositivo di ancoraggio in lega a memoria di forma per il restauro di affreschi e mosaici parietali, che presentino distacchi più o meno evidenti fra gli strati di intonaco di supporto, proponendosi come mezzo efficace per la salvaguardia strutturale di tali zone variamente ammalorate. In particolare, è stata programmata una serie di prove di laboratorio per caratterizzare in modo preciso il comportamento del materiale prescelto, al fine di realizzare un prototipo rispondente alle caratteristiche di progetto ed anche per implementare un modello numerico sufficientemente realistico. A questo proposito, è stato anche approfondito il problema della scelta del modello costitutivo più adeguato. Successivamente, i risultati ottenuti sono stati impiegati nella progettazione e realizzazione di nuovi dispositivi in lega a memoria di forma da impiegare nel campo dei beni culturali, fra cui sistemi reversibili per il ricongiungimento di parti fratturate e sistemi di movimentazione intelligenti sia per lastre di protezione di superfici affrescate, sia per finestre da inserire in contesti museali per il controllo del microclima.

Monitoring static shape memory polymers using a fiber Bragg grating as a vector-bending sensor

We propose and demonstrate a technique for monitoring the recovery deformation of the shape-memory polymers (SMP) using a surface-attached fiber Bragg grating (FBG) as a vector-bending sensor. The proposed sensing scheme could monitor the pure bending deformation for the SMP sample. When the SMP sample undergoes concave or convex bending, the resonance wavelength of the FBG will have red-shift or blue-shift according to the tensile or compressive stress gradient along the FBG. As the results show, the bending sensitivity is around 4.07  nm/cm−1. The experimental results clearly indicate that the deformation of such an SMP sample can be effectively monitored by the attached FBG not just for the bending curvature but also the bending direction.

Monitoring of deployment process of shape memory polymers for morphing structures with embedded fibre Bragg grating sensors

This article demonstrates the use of embedded fibre Bragg gratings as vector bending sensor to monitor two-dimensional shape deformation of a shape memory polymer plate. The shape memory polymer plate was made by using thermal-responsive epoxy-based shape memory polymer materials, and the two fibre Bragg grating sensors were orthogonally embedded, one on the top and the other on the bottom layer of the plate, in order to measure the strain distribution in both longitudinal and transverse directions separately and also with temperature reference. When the shape memory polymer plate was bent at different angles, the Bragg wavelengths of the embedded fibre Bragg gratings showed a red-shift of 50 pm/°caused by the bent-induced tensile strain on the plate surface. The finite element method was used to analyse the stress distribution for the whole shape recovery process. The strain transfer rate between the shape memory polymer and optical fibre was also calculated from the finite element method and determined by experimental results, which was around 0.25. During the experiment, the embedded fibre Bragg gratings showed very high temperature sensitivity due to the high thermal expansion coefficient of the shape memory polymer, which was around 108.24 pm/°C below the glass transition temperature (Tg) and 47.29 pm/°C above Tg. Therefore, the orthogonal arrangement of the two fibre Bragg grating sensors could provide a temperature compensation function, as one of the fibre Bragg gratings only measures the temperature while the other is subjected to the directional deformation. © The Author(s) 2013.

Effect of Knotting on the Shape of Polymers

Momentary configurations of long polymers at thermal equilibrium usually deviate from spherical symmetry and can be better described, on average, by a prolate ellipsoid. The asphericity and nature of asphericity (or prolateness) that describe these momentary ellipsoidal shapes of a polymer are determined by specific expressions involving the three principal moments of inertia calculated for configurations of the polymer. Earlier theoretical studies and numerical simulations have established that as the length of the polymer increases, the average shape for the statistical ensemble of random configurations asymptotically approaches a characteristic universal shape that depends on the solvent quality. It has been established, however, that these universal shapes differ for linear, circular, and branched chains. We investigate here the effect of knotting on the shape of cyclic polymers modeled as random isosegmental polygons. We observe that random polygons forming different knot types reach asymptotic shapes that are distinct from the ensemble average shape. For the same chain length, more complex knots are, on average, more spherical than less complex knots.

Land's Memory. Lapis Specularis, memoria recobrada de una Comarca

Tres ciudades romanas Segobriga, Valeria y Ercávica vinculadas a la produccion del Lapis Specularis

Desarrollo de un dispositivo de liberación para la industria aeroespacial basado en una aleación con memoria de forma de NiTi.

Los dispositivos liberadores son utilizados en los satélites para desplegar los paneles solares, antenas y otros apéndices en las etapas iniciales de su puesta en órbita. En la actualidad, muchos de estos dispositivos tienen actuadores activados con cargas pirotécnicas. Esto trae algunas desventajas: niveles de shock elevados sobre los componentes cercanos, no son reutilizables y no son seguros de manipular. Por ello, es que desde hace unos años se están realizando importantes esfuerzos para desarrollar dispositivos no-pirotécnicos. En este trabajo se realiza el desarrollo de un dispositivo liberador que utiliza como actuador un cilindro tubular de una Aleación de Memoria de Forma (SMA, del inglés Shape Memory Alloys) de NiTi. Las SMAs tienen la posibilidad de deformarse por debajo de determinada temperatura y luego al calentarse, recuperar su forma original. Al restringir mecánicamente la trayectoria de recuperación, la aleación genera un esfuerzo mecánico. En el presente trabajo se caracteriza esta aleación, recurriendo a diversos tratamientos térmicos para obtener las propiedades deseadas. La liberación del conjunto se produce cuando el elemento de unión entre las piezas, el cual consiste en un bulón con una entalla circunferencial, se fractura debido al estiramiento de un actuador de NiTi previamente comprimido. Dada la importancia del bulón, se estudiaron diversos materiales para el mismo. Además se analizó el efecto de la geometría de la entalla y la profundidad de la misma. Finalmente, se realizaron pruebas de integración entre el actuador de SMA, el bulón y otros elementos auxiliares. Se pudo probar el funcionamiento del conjunto con éxito.

Desarrollo de un dispositivo de liberación para la industria aeroespacial basado en una aleación con memoria de forma de NiTi.

Los dispositivos liberadores son utilizados en los satélites para desplegar los paneles solares, antenas y otros apéndices en las etapas iniciales de su puesta en órbita. En la actualidad, muchos de estos dispositivos tienen actuadores activados con cargas pirotécnicas. Esto trae algunas desventajas: niveles de shock elevados sobre los componentes cercanos, no son reutilizables y no son seguros de manipular. Por ello, es que desde hace unos años se están realizando importantes esfuerzos para desarrollar dispositivos no-pirotécnicos. En este trabajo se realiza el desarrollo de un dispositivo liberador que utiliza como actuador un cilindro tubular de una Aleación de Memoria de Forma (SMA, del inglés Shape Memory Alloys) de NiTi. Las SMAs tienen la posibilidad de deformarse por debajo de determinada temperatura y luego al calentarse, recuperar su forma original. Al restringir mecánicamente la trayectoria de recuperación, la aleación genera un esfuerzo mecánico. En el presente trabajo se caracteriza esta aleación, recurriendo a diversos tratamientos térmicos para obtener las propiedades deseadas. La liberación del conjunto se produce cuando el elemento de unión entre las piezas, el cual consiste en un bulón con una entalla circunferencial, se fractura debido al estiramiento de un actuador de NiTi previamente comprimido. Dada la importancia del bulón, se estudiaron diversos materiales para el mismo. Además se analizó el efecto de la geometría de la entalla y la profundidad de la misma. Finalmente, se realizaron pruebas de integración entre el actuador de SMA, el bulón y otros elementos auxiliares. Se pudo probar el funcionamiento del conjunto con éxito.

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.

Elaboración de películas delgadas en modalidad multicapa a partir de materiales en bulto para el desarrollo de la propiedad de memoria de forma.

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2012.

Síntesis y caracterización de nanopartículas y películas delgadas por métodos físicos a partir de aleaciones con efecto de memoria de forma.

Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2011.

Il linguaggio Alloy come ausilio nella specifica formale di modelli UML

UML è ampiamente considerato lo standard de facto nella fase iniziale di modellazione di sistemi software basati sul paradigma Object-Oriented; il suo diagramma delle classi è utilizzato per la rappresentazione statica strutturale di entità e relazioni che concorrono alla definizione delle specifiche del sistema; in questa fase viene utilizzato il linguaggio OCL per esprimere vincoli semantici sugli elementi del diagramma. Il linguaggio OCL però soffre della mancanza di una verifica formale sui vincoli che sono stati definiti. Il linguaggio di modellazione Alloy, inserendosi in questa fase, concettualmente può sopperire a questa mancanza perchè può descrivere con le sue entità e relazioni un diagramma delle classi UML e, tramite propri costrutti molto vicini all'espressività di OCL, può specificare vincoli semantici sul modello che verranno analizzati dal suo ambiente l'Alloy Analyzer per verificarne la consistenza. In questo lavoro di tesi dopo aver dato una panoramica generale sui costrutti principali del linguaggio Alloy, si mostrerà come è possibile creare una corrispondenza tra un diagramma delle classi UML e un modello Alloy equivalente. Si mostreranno in seguito le analogie che vi sono tra i costrutti Alloy e OCL per la definizione di vincoli formali, e le differenze, offrendo nel complesso soluzioni e tecniche che il modellatore può utilizzare per sfruttare al meglio questo nuovo approccio di verifica formale. Verranno mostrati anche i casi di incompatibilità. Infine, come complemento al lavoro svolto verrà mostrata, una tecnica per donare una dinamicità ai modelli statici Alloy.

Effect of Paramuricea clavata (Risso, 1826) "forest" on the benthic populations of Tremiti Islands Effetto "foresta" di Paramuricea clavata (Risso, 1826) sui popolamenti bentonici delle Isole Tremiti

Mediterranean coralligenous habitats are biogenic reefs characterised by high species diversity and built mainly by encrusting calcareous red algae, growing in dim light conditions. The global climate change and several human activities may threaten species living in these habitats, especially some of those that are considered particularly relevant in structuring and in maintaining the complexity and diversity of the benthic assemblages. Among them, the red gorgonian, Paramuricea clavata (Risso, 1826), which can form dense populations, in the last decades showed worrying mass mortality events. Understand the role of this “animal forests” in the coralligenous assemblages is of fundamental importance in order to design appropriate monitoring programs and conservation policies, especially in the marine protected areas. For this purpose, benthic assemblages were studied in presence and absence of red gorgonians at two sites at the Tremiti islands. Overall, the benthic assemblages significantly differed among sites, nevertheless in both places, clear differences between assemblages associated and not associated to the gorgonian forests were found. In particular, encrusting corallinered algae were significantly more abundant in the gorgonian understories at both sites. This result indicates that the gorgonians may promote the development of calcareous algae, which are the main builders of the coralligenous habitats. Moreover species diversity resulted higher in the assemblages associated to the gorgonians. The present study highlights the role of Paramuricea clavata as a relevant ecosystem engineer in the coralligenous habitats.