Design and assessment of 3D printed structural smart fabrics activated by shape memory alloys

Un tessuto strutturale è composto da catene interconnesse di celle unitarie specificamente progettate per ottenere peculiari proprietà meccaniche strettamente correlate alla loro forma. La possibilità di integrare tali tessuti strutturali con materiali “reattivi”, come le leghe a memoria di forma, porta a un nuovo concetto di tessuto intelligente caratterizzato dalla capacità di percepire e reagire a stimoli esterni. Questo lavoro è incentrato sull'integrazione di fili in lega a memoria di forma (SMA) in un tessuto simile ad una cotta di maglia, al fine di ottenere una rigidezza variabile della struttura in funzione della temperatura ambientale. L'effetto memoria di forma dei fili è stato utilizzato per comprimere tra loro le celle adiacenti, fornendo irrigidimento strutturale all'intera struttura. La tesi è composta dalla progettazione delle celle unitarie, dalla caratterizzazione del materiale, dal test del prototipo di tessuto e infine dallo sviluppo di un modello ad elementi finiti. Il progetto preliminare della cella è stato ispirato da uno proposto dalla NASA [4]; un'analisi sulla geometria e sulla forza in gioco mediante modelli analitici ha definito la forma finale della cella. La fase di test è iniziata con la caratterizzazione dei fili SMA, in particolare del loro comportamento superelastico per calibrare i parametri del materiale nel modello ad elementi finiti. Alcuni prototipi del tessuto sono stati poi prodotti in Nylon PA12 utilizzando la tecnologia SLS e dopo l'integrazione con i fili, sono stati testati in configurazione di flessione a 3 punti a diverse temperature. Gli esperimenti hanno dimostrato un aumento della rigidezza strutturale ad alta temperatura rispetto alla temperatura ambiente. Un modello ad elementi finiti della prova di flessione è stato infine sviluppato in Abaqus per capire meglio l’effetto dei diversi parametri di design. I risultati finali hanno ampiamente soddisfatto le aspettative del progetto concettuale, avendo raggiunto una rigidità variabile dipendente dalla temperatura. Dai risultati ottenuti emergono anche le principali criticità, unitamente ai necessari futuri miglioramenti.

Un tessuto strutturale è solitamente composto da celle unitarie, in grado di conferire buone proprietà meccaniche grazie alla loro forma [1][2]. Diventa un tessuto strutturale intelligente quando è accoppiato con Materiali Smart; questo nuovo concetto di smart, sta generando un crescente interesse nella comunità scientifica per la capacità di percepire e reagire direttamente a stimoli esterni [3]. Questo lavoro è incentrato sull'integrazione di fili in lega a memoria di forma (SMA) in un tessuto simile ad una cotta di maglia, al fine di ottenere una doppia rigidezza della struttura in funzione della temperatura ambientale. La contrazione dei fili quando attivi, è stata infatti utilizzata per creare forze di contatto e di attrito tra celle adiacenti, in grado di irrigidire l'intera struttura. Il lavoro è composto dalla progettazione delle celle unitarie, dalla caratterizzazione del materiale, dai test sul prototipo di tessuto e infine dallo sviluppo di un modello ad elementi finiti. Il design della cella è stato ispirato da uno proposto dalla NASA [4]; quindi un'analisi sulla geometria e sulla forza in gioco mediante modelli analitici, ha definito la forma finale della cella. La fase di test è iniziata con la caratterizzazione dei fili SMA, in particolare del loro comportamento superelastico per estrarre i parametri che successivamente sono stati utilizzati nelle simulazioni. Alcuni prototipi del tessuto sono stati poi prodotti in Nylon PA12 utilizzando la tecnologia SLS e dopo l'integrazione con i fili, sono stati testati in una configurazione di flessione a 3 punti a diverse temperature. La forza misurata per un valore di spostamento costante, ha mostrato un elevato aumento della rigidezza della struttura ad alta temperatura rispetto alla temperatura ambiente, il risultato ha quindi ampiamente soddisfatto le aspettative del progetto concettuale. Un modello FE della prova di flessione è stato infine sviluppato usando Abaqus, in due diversi approcci per comprendere meglio quale fosse il più adatto a simulare l'attivazione del filo. I risultati hanno fatto emergere le principali criticità, unitamente ai necessari miglioramenti futuri.