Università of Roma “Tor Vergata” Dipartimento di Ingegneria Industriale

Materiali Compositi a Memoria di Forma

Loredana Santo, Fabrizio Quadrini

Dipartimento di Ingegneria IndustrialeUniversità di Roma “Tor Vergata”, Via del Politecnico 1

00133 Roma

Accademia AeronauticaPozzuoli, 17 ottobre 2012

University of Rome “Tor Vergata” Department of Mechanical Engineering

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Outline

L’idea dello studio dei materiali compositi a memoria di forma

L’ambito di ricerca

I polimeri e le schiume a memoria di forma

Il processo innovativo di schiumatura allo stato solido

L’esperimento sulla ISS: principali risultati

Sviluppo compositi a memoria di forma

Conclusioni e sviluppi futuri

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L’idea

Nasce dallo sviluppo di un nuovo processo per la realizzazione di schiume polimeriche a memoria di forma.

In seguito all’approvazione del progetto per realizzare un esperimento sulla Stazione Spaziale Internazionale, si crea un gruppo di lavoro:

Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’ Università di Roma “Tor Vergata”Centro Sperimentale Volo dell’Aeronautica MilitareKayser Italia s.r.l.

con il supporto dell’ASI, NASA, di Altec e Telespazio.

L’esperimento viene eseguito dall’Astronauta Roberto Vittori il 22 Maggio 2011 (Shuttle Mission STS-134 )

Alla luce dei risultati ottenuti si avvia la ricerca per la produzione di compositi a memoria di forma

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L’ambito di ricerca: i materiali polimerici a memoria di forma

Strain

Stress

Temperatura

Capacità di congelare e recuperare una deformazione imposta mediante un ciclo termico

Strutture autodispieganti, attuatori, dispositivi biomedicali Vantaggi rispetto alle leghe a memoria di forma (leggerezza, basso costo,

elevato recupero della forma)

deformazioneNuova configurazioneRecupero

Ciclo Termo-meccanico

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rubberystate

Tg

glassystate

Le schiume polimeriche a memoria di forma

Riduzione della resistenza e rigidezza meccanica, aumento della comprimibilità

Possibile realizzazione di strutture espandibili ed attuatori leggeri

In letteratura: Schiume a celle aperte in poliuretano Processi di schiumatura convenzionali (a partire da liquido)

Packing Recovery

Initial Stored Recovered

Tem

pera

ture

Time

verysmall

volume

verysmall

volume

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Il processo di schiumatura allo stato solido

Nuovo metodo Schiume polimeriche in materiale a celle chiuse con ottime proprietà meccaniche

Polvere termoindurente

Resina Epossidica

(3M ScotchkoteTM 206N)

Stampo per compattazione

polveri

compressa

Stampo in

acciaio

forno

schiuma

Le schiume prodotte con questo metodo mostrano spiccate proprietà di memoria di forma

320°C8 min

125 MPa

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Schiume polimeriche a memoria di forma

Esempio un semplice attuatore

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Lamina spessore ~2 mm

Geometria iniziale

Nuova configurazione

Recupero della forma

Schiume polimeriche a memoria di forma

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L’esperimento FOAM9/16

Obiettivo: mostrare l’ applicabilità di questa nuova classe di materiali in microgravità, valutando il recupero del materiale memorizzato in differenti condizioni di carico (compressione, flessione e torsione)

Descrizione:

Fase 1 Attività pre-volo: scelta delle geometrie ottimali, realizzazione dei campioni, prove di caratterizzazione, prove nell’hardware di terra.

Fase 2 Esperimento a bordo della ISS: riscaldamento dei campioni (110°C per 30 min) per valutare il recupero di forma.

Fase 3: Attività post-volo: analisi e divulgazione dei risultati.

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Il dispositivo

realizzato da Kayser Italia è contenuto nel contenitore BIOKON. E’ autonomo e composto da un sistema di riscaldamento e di controllo della temperatura, da una batteria e da un sistema di acquisizione dei dati.

L’esperimento FOAM

Il dispositivo per le prove di terra è stato acquisito dall’Aeronautica Militare ed è presso il Reparto chimico del Centro Sperimentale Volo di Pratica di Mare.

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L’esperimento FOAM

3 configurazioni: Compressione Flessione Torsione

Esperimenti di terra

Torsione

Flessione

Compressione

20

mm

8 mm8 mm

a) b)

c) d)

e) f)

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Risultati

L’esperimento FOAM

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Video registrato durante l’esperimento in orbita

L’esperimento FOAM

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Risultati

•Non si sono evidenziate sostanziali differenze tra le prove di terra e quelle in orbita per la vite e il cubo. Nel caso della lamina sono state osservate alcune differenze, ma trattandosi di un solo campione l’analisi può essere solo qualitativa. L’ effetto notato potrebbe anche dipendere dalla variabilità del materiale o dal metodo di fissaggio.

•L’esperimento mostra in ogni caso l’applicabilità di questo materiale in condizioni di microgravità.

Prove di terra Prove in orbita

L’esperimento FOAM

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Conclusioni dell’esperimento e nuove ricerche

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L’esperimento ha mostrato che il recupero di forma del materiale, realizzato con il processo innovativo proposto, è stato ottenuto in condizioni di miocrogravità

Ricerche in corso

Ottimizazione del materiale

Valutare il comportamento della schiuma esposta alla radiazione solare

Trovare un modello costitutivo del comportamento termo-meccanico della schiuma

Progettare e realizzare attuatori ad una e due vie

Realizzazione di compositi a memoria di forma

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Ricerche future

Testare la stabilità e durata del materiale e di dispositivi in ambiente spaziale

Progettare un nuovo dispositivo per testare il recupero di forma mediante irraggiamento solare

Realizzare la schiumatura nello spazio

Sviluppi futuri

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Sviluppo dei compositi a memoria di forma

3019HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K

3008HexPly® M49/42%/200P/AS4-3KMateriali:

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Procedura per la realizzazione dei campioni• Stampaggio mediante pressa a piatti caldi• Uso di 2 pre-preg ply (o fabric) con e senza resina a memoria di forma • Utilizzo di un foglio di PA (spessore 15 mm) per evitare l’adesione tra stampo e

campione• Temperatura di stampaggio = 150 °C• Tempo=15 min• Bassa pressione (5 MPa) per evitare disallineamenti ed eccessivo flusso di resina

Post-cura dei campioni per 1 hr a 150°C

Metodi

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2 –ply fabric+ SMP Resin

2-ply 3008 + SMP Resin 2-ply 3019

2-ply 3008

2-ply of 3008 + SMPresin

Alcuni esempi

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Esempi

Recovery

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Resina 3008 Resina 3019

Flessione

3008HexPly® M49/42%/200P/AS4-3K

3019HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K

Test di recupero della forma-Riscaldamento fino a 150 °C-Memorizzazione-Recupero a 150 °C

Campione senza resina SMP Si ottiene il recupero ma con alto danneggiamento

Campione con resina SMP. Nessun danneggiamento evidente anche per piegature di 180°C.

Caratterizzazione del materiale

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0

100

200

300

400

500

0 0.002 0.004 0.006

Strain

Str

ess

, MP

a

CFR laminate withSMP interlayer

CFR laminate

Me

mo

ry s

tep

Flessione

Confronto: prima della memorizzazionee dopo il recupero di forma

Risultati

Span = 40 mmLength = 10 mmThickness about 0.6 mmSpeed = 10 mm/minDisplacement= 2 mm

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

CFR laminate CFRL+SMP

Fle

xura

l mo

du

lus,

GP

a a

aa

Initial

Residual

- 65%

- 56%

Flexure

Misura della variazione di modulo a flessione dopo il recupero della forma (angle di piegatura 90°)

Un test di trazione è necessario per valutare l’effetto della piegatura sul danneggiamento delle fibre.

Alta rigidezza residua è ottenuta per CFR+ resina SMP

Risultati

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Future Experiment

3X

Next mission: BION M1 (Soyuz)

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Conclusioni

Il processo di schiumatura allo stato solido è un nuovo e semplice processo di schiumatura per la produzione di schiume polimeriche a memoria di forma con buone proprietà meccaniche, molto interessanti per applicazioni aerospaziali.

Nuovi materiali compositi a memoria di forma sono stati fabbricati e caratterizzati. Un primo prototipo sarà utilizzato per un futuro esperimento aerospaziale.

Ulteriori studi sono necessari per valutare ad esempio il differente comportamento di fibra e matrice durante lo stadio di memorizzazione all’occorrenza della rottura della matrice.

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Grazie per l’attenzione!