Design of an innovative shape memory actuator for fluidic applications

Nowadays, the field of micro-technology is being increasingly explored. Regardless the particular type of technology, production is pushed toward designing smaller and more efficient products. Especially today, every kind of actuator has to be both more energy efficient and smaller than its previous versions. Therefore, materials play an outstanding role in the design process, especially those defined as smart materials. Amongst them, Shape Memory Alloys (SMA), play a remarkable role, since they have the largest output energy density and can provide the greatest displacements and strokes [1]. Fluid-o-tech, a company delivering innovation in the field of valves and pumps, proposed the case study of this work consisting in designing a valve with outstanding performance. The aforementioned SMA technology is used in the following research, brought about by Acquandas, a German company specialized in microsystem technology and sputtering process, that produced the NiTi thin film prototypes for the valve. In order to gain a better understanding of solenoid valve’s technology the first step is to perform a thorough patent analysis, so as to understand if technology is ready for a leap in terms of innovation. Then, after searching through old and new catalogues and studying the performance gathered from them, a target is chosen based on the desired flow rate and overall volume of the new valve. The SMA’s technology is embedded in the actuation part of the valve, which eliminates the volume occupied by the solenoid, maintaining the fluidic part. This allows reducing the occupied space while maintaining the original performances. An optimization process is provided via finite element simulation with different models, to achieve the best performance in terms of the shape of the actuator. The experimental setup, intended to test the material and to asses the capability of the valve is described in the final part of this thesis.

Al giorno d’oggi, il campo delle micro tecnologie è sempre più esplorato. A prescindere dal particolare tipo di tecnologia, l’industria è spinta a progettare prodotti con sempre più ridotte dimensioni e minori consumi energetici. In particolare, tutti i tipi di attuatore devono essere sempre più efficienti e miniaturizzati. Per raggiungere questi obiettivi i materiali svolgono un ruolo fondamentale nel processo di progettazione, specialmente quelli definiti materiali intelligenti. Tra questi si distinguono le leghe a memoria di forma (SMA), dato che posseggono la maggiore densità di energia e possono fornire le maggiori corse di attuazione [1]. Fluid-o-tech, un’azienda innovatrice del settore di valvole e pompe, propone il caso studio di questo elaborato, che consiste nel progettare una valvola innovativa con prestazioni superiori rispetto a quelle del mercato attuale. La tecnologia SMA è messa a disposizione per questa ricerca da Acquandas, un’azienda tedesca specializzata in microsystem technology e nel processo di sputtering, che produce i prototipi di film di NiTi per la valvola. Per capire meglio lo stato attuale delle valvole a solenoide, si esegue, per prima cosa, una ricerca brevettuale per verificare se la tecnologia è sufficientemente matura per compiere un salto in termini di innovazione. Successivamente, dopo una ricerca attraverso cataloghi attuali e passati ed uno studio delle performance estrapolate dagli stessi, si sceglie un target basato sul flusso ed il volume totale che deve possedere la nuova valvola. La tecnologia SMA, incorporata nella parte di attuazione della valvola, permette di eliminare il volume occupato dal solenoide pur mantenendo intatte le prestazioni della parte fluidica. In tal modo si riduce lo spazio occupato, mantenendo le performance originali. Successivamente si è eseguito, un processo di ottimizzazione attraverso simulazioni ad elementi finiti, per ottenere la forma dell’attuatore che garantisce i migliori risultati. Nella parte finale dell’elaborato è descritto un setup sperimentale per testare il materiale e le capacità della valvola.