Materiali Compositi a Memoria di Forma Loredana Santo, Fabrizio Quadrini Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Roma “Tor Vergata”, Via del Politecnico 1 00133 Roma Accademia Aeronautica Pozzuoli, 17 ottobre 2012

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

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 Militare Kayser 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

L’ambito di ricerca: i materiali polimerici a memoria di forma 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) Strain Stress Temperatura Recupero deformazione Nuova configurazione Ciclo Termo- meccanico

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) Temperature Time rubbery state Tg glassy state very small volume Packing Recovery Initial Recovered Stored 5

Il processo di schiumatura allo stato solido Nuovo metodo Schiume polimeriche in materiale a celle chiuse con ottime proprietà meccaniche forno Le schiume prodotte con questo metodo mostrano spiccate proprietà di memoria di forma 320°C 8 min compressa Stampo in acciaio 125 MPa Polvere termoindurente Resina Epossidica (3M ScotchkoteTM 206N) Stampo per compattazione polveri schiuma

Schiume polimeriche a memoria di forma Esempio un semplice attuatore

Schiume polimeriche a memoria di forma Lamina spessore ~2 mm Geometria iniziale Nuova configurazione Recupero della forma

L’esperimento 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 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.

L’esperimento FOAM 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. 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.

L’esperimento FOAM 3 configurazioni: Esperimenti di terra Compressione Flessione Torsione Esperimenti di terra Torsione Flessione Compressione 20 mm 8 mm a) b) c) d) e) f)

L’esperimento FOAM Risultati

Video registrato durante l’esperimento in orbita L’esperimento FOAM Video registrato durante l’esperimento in orbita

L’esperimento FOAM Risultati Prove di terra Prove in orbita 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.

Conclusioni dell’esperimento e nuove ricerche 15/13 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

Sviluppi futuri 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

Sviluppo dei compositi a memoria di forma 3019 HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K 3008 HexPly® M49/42%/200P/AS4-3K Materiali:

Metodi 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

Alcuni esempi 2-ply 3008 2-ply 3019 2-ply 3008 + SMP Resin 2-ply of 3008 + SMPresin 2 –ply fabric+ SMP Resin

Esempi Recovery

Caratterizzazione del materiale Flessione Caratterizzazione del materiale 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. Test di recupero della forma Riscaldamento fino a 150 °C Memorizzazione Recupero a 150 °C Resina 3008 Resina 3019 3008 HexPly® M49/42%/200P/AS4-3K 3019 HexPly® M49/42%/200T2X2/CHS-3K

Risultati Flessione Confronto: prima della memorizzazione Span = 40 mm Length = 10 mm Thickness about 0.6 mm Speed = 10 mm/min Displacement= 2 mm Confronto: prima della memorizzazione e dopo il recupero di forma

Risultati 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

Future Experiment Next mission: BION M1 (Soyuz) 3X

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.

Grazie per l’attenzione!