Materiali avanzati per la Meccatronica

I materiali meccatronici sono materiali in grado di cambiare vistosamente le proprie caratteristiche reologiche (forma, rigidezza, viscosità) se sottoposti ad uno stimolo fisico (campo termico, campo elettrico, campo magnetico…).
Lo stimolo fisico può provenire dall’ambiente esterno (funzionamento come sensore o sensore/attuatore) oppure essere prodotto da una alimentazione controllata, spesso di natura elettrica (funzionamento come attuatore).
I materiali meccatronici si prestano alla costruzione di dispositivi allo stato solido silenziosi, controllabili elettronicamente, muniti di bassa inerzia meccanica e dotati di buona leggerezza e compattezza in rapporto alle forze esercitate. MECTRON ha dato vita al Laboratorio per i Materiali Meccatronici (LAMM), coordinato dal Prof. Eugenio Dragoni ed insediato presso il Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
I materiali/tecnologie attualmente in fase di studio presso il DISMI sono:

I fluidi magnetoreologici sono sospensioni di particelle ferromagnetiche di dimensione micrometrica (0.1 a 10 ?m) in oli minerali, fluidi siliconici o a base acquosa. La quantità di particelle ferromagnetiche può raggiungere il 70-80% in volume e sono presenti altre sostanze che impediscono la sedimentazione delle particelle quando il fluido è a riposo. In presenza di un campo magnetico i fluidi magnetoreologici variano in modo istantaneo (millisecondi) e reversibile la loro viscosità. Il comportamento del fluido cambia drasticamente, fino a comportarsi come un solido viscoelastico. La loro applicazione spazia dagli ammortizzatori semiattivi, utilizzabili ad esempio nel settore automotive o per il controllo delle vibrazioni fino ai freni e alle frizioni intelligenti.
Le leghe a memoria di forma (SMA) sono composti intermetallici binari (più comunemente a base di Nichel e Titanio) che cambiano rapidamente la propria struttura cristallina se portati al di sopra di una temperatura critica dipendente dalla composizione della lega. Nello stato trasformato, la loro rigidezza elastica aumenta ed essi tendono a riprendere una forma originaria “memorizzata” da un opportuno trattamento termico. Posseggono inoltre proprietà superelastiche, ovvero consentono (caso più unico che raro per una lega metallica) deformazioni in campo elastico anche del 10%.
Gli elastomeri elettroattivi sono materiali elastici (polimeri acrilici o siliconi) che esibiscono grandi deformazioni quando immersi in campi elettrici d’intensità rilevante e che alterano sensibilmente il campo elettrico quando soggetti a deformazioni cospicue. I materiali che mostrano tali proprietà elettroattive sono dielettrici dal punto di vista elettrico, elastici ed incomprimibili dal punto di vista meccanico ed isotropi sia dal punto di vista elettrico sia da quello meccanico. In pratica, dal punto di vista elettrico, tali polimeri si comportano come condensatori la cui capacità varia in funzione delle forze, di natura meccanica e/o elettrica, che agiscono su di essi. Per quanto concerne il loro impiego, gli elastomeri eletroattivi sono utilizzati sotto forma di film sottili nei quali il campo elettrico viene applicato nella direzione dello spessore del film.
I MEMS (acronimo di Micro Electro-Mechanical Systems) sono vere e proprie strutture integrate meccaniche ed elettroniche in silicio monocristallino, su scala micrometrica. Con le tecnologie di microfabbricazione del tutto simili a quelle normalmente impiegate per la realizzazione dei tradizionali dispositivi a semiconduttore è possibile realizzare sensori e attuatori integrati con la loro elettronica di controllo su un singolo chip di silicio. Attraverso il LAMM, MECTRON si propone come centro di competenza per lo studio delle proprietà ingegneristiche dei materiali meccatronici e per lo sviluppo di dispositivi basati sull’impiego di materiali meccatronici. Obiettivi delle attività scientifiche di LAMM sono l’allestimento di apparecchiature per la caratterizzazione dei materiali, finalizzata alla progettazione di dispositivi, e la costruzione di dimostratori prototipali funzionanti, controllati elettronicamente.
I dimostratori in corso di sviluppo sono: