DISPOSITIVO DE ENSAIO DE LIGAS COM EFEITO DE MEMÓRIA DE FORMA Leonardo Leite Pereira, IC ([email protected])
Sérgio Frascino Muller de Almeida, PQ Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica Pça. Mal. Eduardo Gomes, no 50, Vila das Acácias
CEP 12228-901, São José dos Campos – SP
RESUMO
O projeto e a fabricação de um dispositivo para ensaiar ligas com efeito de memória de forma é o objetivo deste trabalho. O efeito de memória de forma pode ser definido como a capacidade de um material, após ter sido deformado plasticamente em seu estado martensítico, voltar ao estado ou forma originais através de aquecimento a temperaturas superiores à temperatura de transformação martensítica. Isso acontece através de uma transformação da sua estrutura cristalina de martensita para austenita via processos térmicos, resultando grandes deformações. A principal idéia é criar um dispositivo que seja capaz de realizar vários ensaios com diversos tipos de fios de Nitinol, a fim de caracterizar experime ntalmente as propriedades da liga com memória de forma. Dessa forma o
dispositivo será usado para caracterizar a força e deslocamento que o fio produz no processo de
recuperação de forma atuando contra um elemento elástico de rigidez variável. Tal recuperação de forma pode ser usada para projetar dispositivos baseados no trabalho mecânico produzido; para tanto, é fundamental a caracterização do comportamento termo -mecânico da liga com vários graus de restrição.
ABSTRACT
The objective of this work is the design and manufacturing of a device for the experimental characterization of shape memory alloys. The shape memory effect can be defined as the capacity of a material, after been plastically deformed in its martensitic state, recover its original state or form by heating the material above the martensític transformation temperature. The basic mechanism for the shape memory effect is a transformation of its crystalline structure from martensite to austenite through thermal processes, resulting great deformations. The main idea is to conceive a device that is capable to carry out characterization experiments for a wide range of Nitinol wires, in order to experimentally determine the thermo -mechanical properties of the shape memory alloy. The device may be used to measure the force and displacement that the wire produces in the process of shape recovery acting against an elastic element of variable stiffness. The shape memory effect may be used in the design of devices that take advantage of the mechanical work performed during shape recovery; therefore, it is essential to characterize the material properties of the alloy.
1. INTRODUÇÃO
O efeito de memória de forma pode ser definido como a capacidade de um material, após ter sido deformado plasticamente em seu estado martensítico, voltar ao estado ou forma original através de aquecimento a temperaturas superiores à temperatura de transformação martensítica. Isso acontece através de uma transformação da sua estrutura cristalina de martensita para austenita via processos térmicos, resultando grandes deformações.
As ligas de NiTi (nitinol) são os materiais com efeito de memória de forma mais usados em aplicações práticas. O nome nitinol vem do acrônimo de Nickel-Titanium Naval Ordinance Laboratory.
O interessante desses materiais, é que na sua reconstituição à forma original, as ligas com efeito de memória de forma podem realizar trabalho mecânico. Um fio pode ser tensionado a partir de sua forma memorizada; o seu comprimento diminui sob aquecimento podendo ser utilizado, por exemplo, como atuador em aplicações de robótica ou biomecânica. Nesse caso, o atuador se comporta de forma análoga a um músculo, ora contraindo ora relaxando. Resultados experimentais mostram que o fio de Nitinol pode fazer uma forca de recuperação bastante elevada (Otubo, 1997; Silva, 1999).
A maioria desses projetos utiliza o efeito de memória de forma visando que o material ao voltar a sua forma memorizada produza alguma ação desejada sobre o sistema. Como exemplo, pode-se aplicar esse conceito na vedação de uma junta de tubos, ou no projeto de dispositivo de liberação de painéis solares de um satélite. Nesse último caso, um atuador cilíndrico de NiTi é comprimido a partir de sua forma memorizada; o alongamento do atuador quando aquecido é utilizado para romper um pino de retenção (Acosta, 2000; Nunes, 1998).
A obtenção do EMF se deve ao tratamento térmico ao qual a liga é submetida. Primeiramente o material é obtido com a forma adequada à sua utilização. Em seguida a peça é moldada com a forma que se deseja memorizar. Após isso vem o tratamento térmico. A peça é aquecida a uma temperatura acima de uma faixa de temperatura onde só existe a fase austenita. Então a liga é bruscamente resfriada, com sua temperatura caindo para um valor a baixo de uma faixa de temperatura onde só existe a fase martensita. Neste momento a peça é deformada plasticamente. Caso a peça seja aquecida a uma temperatura acima da faixa de temperatura onde só existe a fase austenita então esta retorna ao formato memorizado. O material então se resfria, bastando deformá -lo e aquecê-lo mais uma vez para que seja obtido o EMF. O tratamento de memorização é feito apenas uma vez.
2. DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL 2.1 Descrição do Dispositivo
O dispositivo, esquematicamente mostrado na figura 1, visa a realização de ensaios de caracterização do fio de NiTi. Foram usados neste dispositivo um medidor de força, um medidor de deslocamento, um carro sobre trilho, uma mola de constante elástica conhecida, e um vínculo. O vínculo do sistema de alavanca é móvel de modo que se tenha uma mola com constante elástica equivalente variável. Isso evita o trabalho desnecessário de se ter várias molas ou de se ter que variar a constante elástica da mola através de suas propriedades.
O encurtamento do fio faz com que o carro se desloque e assim o sistema de alavancas crie uma deformação na mola. Dessa forma, pode-se medir tanto a força como o deslocamento do carrinho para cada valor de temperatura em função da pré-carga (necessária para eliminar folgas) e constante elástica do sistema.
O fio de nitinol é preso no medidor de força e no carro através de uma pequena roldana de material isolante. Assim, quando a corrente elétrica passar pelo fio, o ponto de fixação não será um ponto de acúmulo de tensões evitando que o fio se quebre. Como a roldana é de material isolante, o dispositivo não será carregado eletricamente. Isso é necessário, pois o fio poderia se romper caso ele fosse preso de outra maneira.
A base de funcionamento do dispositivo vem de uma teoria muito simples. A figura1 mostra o desenho esquemático do dispositivo. O sistema de alavancas é móvel de forma que se possa variar o braço de alavanca para criar cargas resistivas maiores ou menores conforme desejado. A base do sistema de alavancas é móvel também, para que a mola fique sempre reta, mesmo quando se muda o comprimento do braço de alavancas. Quando o fio encurta, por causa do EMF, o carrinho é deslocado no sentido do medidor de força. Isso faz com que o braço da alavanca que está encostado no carrinho, que possui tamanho D1, incline um pouco. Isso faz com que o outro braço da alavanca, que possui comprmento D2, se incline também distendendo a mola. Seja θ o ângulo que o braço de alavancas faz com o eixo horizontal,
F1 a força que o medidor de força está medindo e F2 a força da mola. Na prática, θ é muito pequeno, pois o deslocamento causado pelo EMF é pequeno comparado ao comprimento do braço da alavanca. A figura 2 descreve a situação.
Figura 2: Dispositivo já ativado pelo EMF carro
Figura 1: Vista superior do dispositivo mola Fio de Nitinol Sist. de alavanca Medidor de força Relógio Comparador
Do equilíbrio estático sabe-se que se uma barra está em repouso, então a resultante das forças que agem sobre ela é nula e a soma de todos os momentos em relação a um ponto qualquer dela também é nula. Logo:
ΣMo =0 (somatório dos momentos nulo em relação ao apoio da alavanca)
F1 .D1 .cos θ = F2 . D2 .cosθ
F1 = F2 ( D2 / D1 )
F2 = K d (K: constante elástica da mola; d: deformação da mola)
Como o ângulo θ é pequeno, temos que sen θ = tan θ = θ e cos θ = 1. Assim temos: F1 = K d ( D2 / D1 ) d = D2 sen θ d = D2 θ F1 = K θ ( D2 ) 2 / D1
Como o valor da força F1 será medido pelo medidor de força podemos ter o valor do deslocamento calculando θ. Esse valor para o ângulo θ pode ser obtido da seguinte forma: o deslocamento dn do nitinol está sendo medido pelo relógio comparador. Logo dn = D1 sen θ.
De maneira análoga podemos ter o valor das outras variáveis.
O fio de Nitinol, que está preso no medidor de força e no carrinho, é aquecido para que assim se tenha a sua recuperação de forma. O aquecimento é feito por efeito Joule, passando-se uma corrente elétrica pelo fio. Inicialmente é dada uma pré-carga no fio para eliminar folgas e caracterizar seu comportamento sob pré-cargas. A corrente que utilizamos tem um valor médio de 2 A.
2.2 Sistema de Aquisição de Dados
A aquisição de dados será feita mediante um computador e alguns circuitos. Os dados enviados pelo medidor de força passam por um amplificador, pois o sinal que o medidor produz é muito baixo. O sinal, já amplificado, passa por um circuito que tem a finalidade de transformar o sinal analógico em digital, para que ele possa ser lido pelo computador. Todos os dados recebidos pelo computador chegam por uma porta serial. A porta paralela é usada apenas para acionar o dispositivo. É dali que vêm os comandos para o dispositivo.
Na porta serial chegam três dados: A força produzida pelo fio, o deslocamento do fio e o valor da voltagem entre as pontas do fio.
Com os dados no computador podemos montar gráficos de deslocamento em função da carga entre outros.
2.3 Ensaios de validação
Após a conclusão da fabricação do dispositivo, foram feitos alguns ensaios para sua validação. Usamos o fio de nitinol que estava disponível para a realização dos experimentos. O fio era muito fino e isso fez com que tivéssemos alguns problemas na hora de aquecê-lo. Não o aquecemos até completar sua transformação de austenita para martensita pois com essa temperatura o fio provavelmente teria se rompido. Então usamos uma temperatura menor que seria capaz de mostrar o efeito de memória de forma sem danificar o fio.
O fato de o fio ser fino foi bom em um aspecto. Ele permitiu uma maior praticidade na hora de esquentá-lo e resfriá -lo Os dois processos foram muito rápidos, facilitando os ensaios. Isso ocorreu pois a inércia térmica do fio era muito baixa.
O efeito de memória de forma ocorreu como esperado: com um pouco menos de restituiç ão por causa da temperatura inferior à temperatura de transformação total de austenita para martensita. Os valores para deslocamento estavam dentro do previsto, em média de 3%. Já o valor para a força de restituição da liga não pode ser mensurado, uma vez que o fundo de escala do medidor de força era muito maior que a força produzida pelo fio. Isso ocorreu pois o fio era muito fino, como foi explicado anteriormente.
3.CONCLUSÕES
Com o dispositivo pronto, pode-se ensaiar esse tipo de material de várias formas, como, por exemplo, usando vários fios juntos, controlando o aquecimento de cada um deles. Podemos também ensaiar o fio em outra configuração, como enrolado em material isolante, para controle de torção no material.
O ensaio foi bastante interessante. A recuperação da forma do fio foi surpreendente pela rapidez do fenômeno, uma vez que o fio era bastante fino. Um toque na chave de corrente e o fio já se contraía. E era só ser aberta a chave para que ele voltasse ao normal. O comportamento do fio é muito semelhante a um músculo. Isso inspira aplicações na área de biomecânica. Já existe um trabalho onde o fio foi usado em uma garra mecânica que abria e fechava a garra de maneira análoga ao ensaio feito. Talvez projetos mais ousados possam até criar membros artificiais utilizando a liga como músculo artific ial.
Os ensaios realizados tinham a função de demonstrar o EMF e validar o dispositivo. Como percebemos, o fio não foi o mais adequado, mas serviu perfeitamente para seu objetivo. Futuramente iremos realizar novos ensaios com outros tipos de fio, para que possamos fazer outros testes sobre a liga.
Espera-se que este trabalho sirva de incentivo para que outros ensaios, como os já descritos, sejam feitos em materiais com memória de forma, para que outras aplicações úteis sejam concebidas.
BIBLIOGRAFIA:
1. ACOSTA, L.O.; Estudo de um mecanismo de retenção / liberação utilizando liga com efeito de
memória de forma. Tese de mestrado. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos campos, SP, 2000.
2. NUNES, A.L.L.V.; Projeto de um mecanismo de retenção e liberação para apêndice de satélite.
Trabalho de graduação. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos campos, SP, 1998.
3. OTUBO, J,; Materiais com memória de forma, 14 º Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Bauru, SP, 1997
4. SILVA, E.P.; Ligas com memória de forma e suas aplicações, Technische Universität Berlin, Institut für Verfahrenstechnik, 1999.
