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Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Materiali Compositi a Memoria di Forma Loredana Santo, Fabrizio Quadrini Dipartimento.

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Presentazione sul tema: "Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Materiali Compositi a Memoria di Forma Loredana Santo, Fabrizio Quadrini Dipartimento."— Transcript della presentazione:

1 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Materiali Compositi a Memoria di Forma Loredana Santo, Fabrizio Quadrini Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Roma Tor Vergata, Via del Politecnico Roma Accademia Aeronautica Pozzuoli, 17 ottobre 2012

2 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Outline Lidea dello studio dei materiali compositi a memoria di forma Lambito di ricerca I polimeri e le schiume a memoria di forma Il processo innovativo di schiumatura allo stato solido Lesperimento sulla ISS: principali risultati Sviluppo compositi a memoria di forma Conclusioni e sviluppi futuri

3 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Lidea Nasce dallo sviluppo di un nuovo processo per la realizzazione di schiume polimeriche a memoria di forma. In seguito allapprovazione 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 dellAeronautica Militare Kayser Italia s.r.l. con il supporto dellASI, NASA, di Altec e Telespazio. Lesperimento viene eseguito dallAstronauta 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

4 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Lambito 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) deformazione Nuova configurazione Recupero Ciclo Termo- meccanico

5 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 rubbery state T g glassy state 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) PackingRecovery Initial Stored Recovered Temperature Time very small volume

6 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 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°C 8 min 125 MPa

7 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Schiume polimeriche a memoria di forma Esempio un semplice attuatore

8 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Lamina spessore ~2 mm Geometria iniziale Nuova configurazione Recupero della forma Schiume polimeriche a memoria di forma

9 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Lesperimento FOAM 9/16 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 nellhardware 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.

10 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 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. Lesperimento FOAM Il dispositivo per le prove di terra è stato acquisito dallAeronautica Militare ed è presso il Reparto chimico del Centro Sperimentale Volo di Pratica di Mare.

11 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Lesperimento FOAM 3 configurazioni: Compressione Flessione Torsione Esperimenti di terra Torsione Flessione Compressione 20 mm 8 mm a)b) c)d) e)f)

12 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Risultati Lesperimento FOAM

13 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Video registrato durante lesperimento in orbita Lesperimento FOAM

14 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 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 lanalisi può essere solo qualitativa. L effetto notato potrebbe anche dipendere dalla variabilità del materiale o dal metodo di fissaggio. Lesperimento mostra in ogni caso lapplicabilità di questo materiale in condizioni di microgravità. Prove di terraProve in orbita Lesperimento FOAM

15 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Conclusioni dellesperimento e nuove ricerche 15/13 Lesperimento 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

16 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 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

17 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Sviluppo dei compositi a memoria di forma 3019 HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K 3008 HexPly® M49/42%/200P/AS4-3K Materiali:

18 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale 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 ladesione 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

19 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale 2 –ply fabric+ SMP Resin 2-ply SMP Resin 2-ply ply ply of SMPresin Alcuni esempi

20 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Esempi Recovery

21 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Resina 3008 Resina 3019 Flessione 3008 HexPly® M49/42%/200P/AS4-3K 3019 HexPly® 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

22 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Flessione Confronto: prima della memorizzazione e dopo il recupero di forma Risultati Span = 40 mm Length = 10 mm Thickness about 0.6 mm Speed = 10 mm/min Displacement= 2 mm

23 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale 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 leffetto della piegatura sul danneggiamento delle fibre. Alta rigidezza residua è ottenuta per CFR+ resina SMP Risultati

24 Università of Roma Tor Vergata Dipartimento di Ingegneria Industriale Future Experiment 3X Next mission: BION M1 (Soyuz)

25 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 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 alloccorrenza della rottura della matrice.

26 University of Rome Tor Vergata Department of Mechanical Engineering 26/26 Grazie per lattenzione!


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