Diseño de dispositivo para la caracterización funcional de aleaciones de NiTi con memoria de forma / Desing of a device for the functional characterization of NiTi shape memory alloys

Escudero, Estanislao (2023) Diseño de dispositivo para la caracterización funcional de aleaciones de NiTi con memoria de forma / Desing of a device for the functional characterization of NiTi shape memory alloys. Integration Project in Mechanical Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

[img]
Preview
PDF (Tesis)
Spanish
15Mb

Abstract in Spanish

En el presente trabajo se expone el desarrollo de un dispositivo para la caracterización funcional de aleaciones de NiTi con memoria de forma. Se trata de una máquina de ensayos uniaxiales que permitirá estudiar las propiedades funcionales de las aleaciones, así como también su evolución frente a distintos esquemas de ciclado termomecánico. Luego de un estudio teórico del comportamiento de las aleaciones, se fijaron los requerimientos objetivo a satisfacer por la máquina. Se determinó que esta debe ser capaz de aplicar ciclos de carga termomecánica sobre muestras de ensayo de hasta 5 cm de longitud; ejerciendo fuerzas de hasta 1 kN en tracción y compresión, permitiendo elongaciones y contracciones de hasta 5 mm e imponiendo variaciones de temperaturas entre la temperatura ambiente y 100 °C. En el trabajo se presenta el desarrollo de la ingeniería de detalle de la máquina y su sistema de actuación. Se incluyen también el diseño de un sistema de sensado y adquisición de datos y uno de control de temperatura de la muestra. Se llevó a cabo un estudio de múltiples sistemas de actuación hasta finalmente seleccionar y luego desarrollar el más adecuado para esta máquina en particular. Se plantea un dispositivo capaz de aplicar fuerzas en un rango de desplazamientos dado independientemente de la posición de aquello sobre lo que se aplica la fuerza. Se diseñó y construyó un prototipo físico funcional del sistema de actuación que demostró la factibilidad práctica de la solución propuesta. En base a este prototipo se diseño el sistema de actuación final de la máquina de este trabajo. El diseño final resulta en un dispositivo capaz de satisfacer los requerimientos objetivos inicialmente propuestos.

Abstract in English

In the present work, it is described the design process of a machine that can characterize the functional behaviour of NiTi shape memory alloys. It is a uniaxial testing machine that will allow studying the functional properties of the alloys, as well as their evolution under different thermomechanical cycling conditions. The requirements for this machine were established after a theoretical study of the alloys’ behaviour. It was determined that the machine must be capable of applying thermomechanical loading cycles on test samples up to 5 cm in length, exerting forces up to 1 kN in tension and compression, allowing elongations and contractions up to 5 mm, and imposing temperature variations between room temperature and 100 °C. The work describes the detailed engineering development of the machine and its actuation system. Additionally, it includes the design of a sensing system, as well as a sample temperature control system. In order to develop the actuation system, a study of multiple actuation mechanisms was carried out until finally selecting and developing the most suitable one for this particular application. It is proposed a device capable of applying forces within a given range of displacements independently of the position of the object on which the force is being applied. A functional prototype of the actuation system was designed and constructed to demonstrate the practical feasibility of the proposed solution. Based on this prototype, the final actuation system for the machine in this work was designed. The final machine is capable of satisfying the initially proposed target requirements.

Item Type:Thesis (Integration Project in Mechanical Engineering)
Keywords:Alloys; Aleaciones;[Testing machine; Máquina de ensayo; Fuctional fatigue; Fatiga funcional; Actuation system; Actuador; Constant force; Fuerza constante]
References:[1] Duerig, T. W., Melton, K. N., Stokel, D., M., W. C. Engineering aspects of shape memory alloys. Primera edici´on. Reino Unido: Butterworth-Heinemann, 1990. 1, 4, 7 [2] Espinoza Torres, C. A. Transformación martensítica y efecto memoria de forma en materiales micro y nanoestructurados. Tesis de Maestría en Ciencias Físicas, 2007. 2 [3] Carracedo, R. C. Desarrollo de un dispositivo para la realización de ensayos mecánicos in-situ en probetas de dimensiones reducidas. Proyecto Integrador de la carrera de Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo., 2014. 3, 5, 6, 7, 9, 10 [4] Lopez de San Mart´ın Zapata, R. Diseño de un actuador de un material con memoria de forma de niti para una máquina de creep-fatiga. Proyecto Integrador de la carrera de Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo., 2014. 9, 10 [5] Price Torrendell, S. Aplicaci´on de materiales con memoria de forma a sistemas bio-inspirados. Proyecto Integrador de la carrera de Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo., 2014. 3, 7 [6] Karakoca, O., Atlia, K., Evirgen, A., Pons, J., Santamarta, R., Benafan, O., et al. Effects of training on the thermomechanical behavior of nitihf and nitizr high temperature shape memory alloys. Materials Science and Engineering, 2020. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320309291. 9 [7] Padula II, S., Bigelow, G., Noebe, R., Gaydosh, D., Garg, A. Challenges and progress in the development of high-temperature shape memory alloys based on nitix compositions for high-force actuator applications. NASA Glenn Research Center, 2020. 9 [8] Siemens. (2022). Solid Edge versión estudiantil [Software]. Recuperado de: http: //www.siemens.com/solidedgestudent. 13 [9] Laricchia, G., Armitage, S., Kover, A., Murtagh, D. J. Conductividad térmica del acero al carbono. En: Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics, tomo 56, pág. 3. Academic Press, Inc., 2009. 17 [10] Incropera, DeWitt, Bergman, edición, L. S. Fundamentals of heat and mass transfer. Estados Unidos: John Wiley and Sons, 2007. 17, 18, 36, 37, 103, 104, 105, 106 [11] Briggs, J. S., Macek, J. H. The theory of fast ion-atom collisions. En: Canductividad térmica del adamite, tomo 28, p´ags. 1–74. Academic Press, Inc., 1991. 19 [12] Budynas, R. G. Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley. Octava edición. México: McGraw-Hill Interamericana, 2008. 20, 21, 25, 30, 31, 61, 63, 91, 93 [13] Edición, R. L. N. S. Diseño de máquinas. México: Pearson, 1999. 20, 21, 22, 24, 25 [14] Agudelo, D., Díaz, D., Ibarra, A., Cruel, C., Montoya, M., Hernández, C. Caracterización mecánica a tensión de impresiones 3d de pla y abs modeladas por deposición fundida. Recuperado el 02 de julio de 2023, de https://repositorio.escuelaing.edu.co/bitstream/handle/001/1703/Caracterizaci%C3%B3n%20mec%C3%A1nica%20a%20tensi%C3%B3n%20de%20impresiones%203D%20de%20PLA%20y%20ABS%20modeladas%20por%20deposici%C3%B3n%20fundida.pdf?sequence=2&isAllowed=y, 2019. 24 [15] Troglia, G. R., Troglia, D., M., B. L. G. Perfiles laminados y tubos estructurales para aplicaci´on de los reglamentos cirsoc 301/2005 y cirsoc 301/2005, 2005. 27, 31 [16] Arduino. www.arduino.cc/es/. 33 [17] HBM: Test and Measurment. www.hbm.com. 33 [18] Omega Engineering. www.omega.com. 34 [19] Schaevitz: Measurement Specialties. www.meas-spec.com. 34 [20] National Instruments: Engineer Ambitiously. https://www.ni.com/es-cr.html.34 [21] Cabrera Blanch, R. Diseño y optimización de una ortesis activa para la rehabilitación neurológica del miembro inferior. Tesis de grado. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo, 2021. 36 [22] Chapman, S. J. T. e. Máquinas eléctricas. Mexica: McGraw Hill, 2000. 48, 116 [23] edición., H. C. R. S. Electromagnetic Devices. Estados Unidos: John Wiley and Sons, 1941. 49, 50, 116 [24] Meeker, D. C. Finite element method magnetics. https://www.femm.info, 2018. Version 4.2 (28Feb2018 Build). 49 [25] Lewis Weight, B. Development and design of constant-force mechanisms. Tesis de Maestr´ıa. Brigham Young University, 2001. 55 [26] Ohtsuki, A., Ohshima, S., Itoh, D. Analysis on characteristics of a c-shaped constant force spring with a guide. JSME International Journal Series C, 44 (2), 383–390, 2001. 56 [27] Liu, C.-H., Hsu, M.-C., Chen, T.-L., Chen, Y. Optimal design of a compliant constant-force mechanism to deliver a nearly constant output force over a range of input displacements. Soft Robotics, 7 (6), 104819, 2020. [28] Chen, Z., Chen, Z., Wei, Y. Quasi-zero stiffness-based synchronous vibration isolation and energy harvesting: A comprehensive review, 2022. 56 [29] Li, M., Cheng, W., Xie, R. Design and experimental validation of a cam-based constant-force compression mechanism with friction considered. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 233 (11), 3873–3887, 2019. 57 [30] Sánchez-Salinas, S., Garcıa-Agundez, A., Lopez-Martınez, J., García-Vallejo, D. Experimental validation of a constant-force mechanism and analysis of its performance with a calibrated multibody model. Mechanisms and Machine Theory, 173, 104819, 2022. [31] Yang-Liu, J. Y., De-ping-Yu. Design of an adjustable cam based constant force mechanism. Mechanisms and Machine Theory, 103, 85–97, 2016. 55, 57 [32] Soul, H. Aleaciones con memoria de forma, propiedades mecánicas y microestructura. desarrollo de sistemas de amortiguamiento basados en el efecto superelastico. Tesis de Doctorado. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo, 2011. 81, 82, 83 [33] Hibbeler, R. O. e. Mecánica de Materiales. México: Pearson Education, 2011. 90 [34] Grupo SKF. Catálogo de rodamientos de SKF, 2019. Recuperado el [02/07/2023] de https://www.skf.com/. 91
Subjects:Mechanical engineering
Divisions:Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Física de metales
ID Code:1213
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:25 Aug 2023 10:07
Last Modified:25 Aug 2023 10:07

Repository Staff Only: item control page