Construcción y prueba de un actuador de memoria de forma magnética 1

CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA DE UN ACTUADOR DE MEMORIA

DE FORMA MAGNÉTICA

Autoras: Itziar Ribacoba Menoyo, Loreto Gutiérrez González Tutores: Víctor Etxebarria Ecenarro y Alfredo García Arribas

RESUMEN: Las aleaciones con memoria de forma magnética (FSMA-s), son materiales que experimentan

una transición de fase estructural cuando se someten a la acción de un campo magnético. La transición

estructural produce cambios en la longitud del material. En este trabajo se va a aprovechar esta propiedad

para construir el prototipo de un actuador accionado por campo magnético. El uso de actuadores FSMA

provee una opción interesante a los métodos convencionales de generación de movimiento.

I. INTRODUCCIÓN

Los materiales inteligentes, activos, también denominados multifuncionales, son materiales capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades.

Algunos de estos materiales son conocidos desde hace muchos años y otros, la mayoría, son de reciente aparición. Se manifiestan en diferentes naturalezas: inorgánicas, metálicas y orgánicas. Su comportamiento es muy diverso, siendo sensibles a una amplia variedad de fenómenos físicos y químicos.

Un tipo de materiales inteligentes son los materiales con memoria de forma. Éstos se definen como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y de volver a esa forma incluso después de haber sido deformados. Este efecto de memoria de forma se puede producir por un cambio térmico o magnético.

Bajo el término de materiales con memoria de forma existen cuatro clases diferentes, según la naturaleza, o del material en si, o del estímulo externo al que responden. Las cuatro clases en las que se pueden dividir son:

• Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys, SMA-s). • Cerámicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics, SMC-s). • Polímeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers, SMP-s). • Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMA-s).

En este trabajo se va a realizar un estudio sobre los FSMA-s, los cuales sufren el efecto de la memoria de

forma bajo la aplicación de un campo magnético presentando grandes elongaciones, aproximadamente del 6%, llegando en ocasiones a un 10%. La gran capacidad de deformación y el hecho de que se pueda producir mediante la aplicación de un campo magnético, son de gran interés para aplicaciones tecnológicas. La Figura 1 muestra una comparativa entre la deformación y la frecuencia de actuación de diferentes elementos activos.

Figura 1: Características comparadas de los diversos materiales activos. Deformación máxima/frecuencia máxima de actuación (ref. [1]).

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En concreto, en este proyecto, se utilizará una aleación ternaria de Ni-Mn-Ga. Este compuesto fue el pionero en la investigación de las FSMA-s, aunque en estos momentos están siendo desarrolladas nuevas aleaciones con memoria de forma magnética.

II. ALEACIONES FERROMAGNÉTICAS CON MEMORIA DE FORMA (FSMA-s)

A principios de la década de los 90 del pasado siglo, se comienza a estudiar el comportamiento de los materiales ferromagnéticos con memoria de forma (FSMA, Ferromagnetic Shape Memory Alloys), que, además de sufrir una transformación martensítica, presentan carácter magnético. El ferromagnetismo de estos materiales posibilita el control de la deformación en la fase martensita y la recuperación de la forma por aplicación de un campo magnético, además de mediante la tensión y la variación de la temperatura.

Al igual que en las aleaciones con memoria de forma, la capacidad de estos materiales de recordar su forma anterior se debe a un tratamiento térmico que produce una transformación de fase estructural. La fase de alta temperatura, normalmente con simetría cúbica, es la denominada fase austenita, mientras que la de baja temperatura, de menor simetría, es la fase martensita.

Estos materiales pueden sufrir grandes deformaciones al ser sometidos a tensiones externas cuando se encuentran en la fase de baja temperatura debido a la propiedad de superelasticidad. Las propiedades de superelasticidad y efecto de memoria de forma, derivan de la transformación martensítica. Esta es una transformación termoelástica en la que intervienen tanto los esfuerzos como la temperatura. La transformación se denomina autoacomodante, porque un solo cristal en fase austenita da origen espontáneamente a varios cristales de martensita con sus ejes orientados en distintas direcciones para acomodar las deformaciones de la red. Estos cristales se denominan “variantes” y su movimiento y cambio de orientación produce la superelasticidad.

Figura 2: Cambio en la estructura cristalina producido durante el cambio de fase en las aleaciones con memoria de forma.

Las aleaciones con memoria de forma magnética presentan significativas ventajas frente a otras tecnologías para la construcción de actuadores. El hecho de que estos materiales produzcan un desplazamiento y fuerza por la acción de un campo magnético, permite, por una parte, un tiempo de respuesta bajo, y por otra, la posibilidad de acción sin contacto.

La principal desventaja consiste en el considerable tamaño del electroimán necesario para la producción del campo magnético y la excesiva fragilidad del cristal activo.

Así pues, los materiales con memoria de forma magnética tienen la habilidad de convertir energía magnética en energía mecánica, lo que permite usarlos como actuadores o sensores.

III. PROTOTIPO DESARROLLADO

El uso de actuadores FSMA supone una opción interesante a los métodos convencionales de generación de movimiento. Estos actuadores basados en aleaciones con memoria de forma magnética pueden proporcionar

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ventajas significativas cuando son usados para reemplazar dispositivos convencionales reduciendo el tamaño de los componentes y la complejidad, así como mejorando la flexibilidad del diseño, la funcionalidad y la fiabilidad.

En este proyecto se ha diseñado un actuador experimental basado en un monocristal de Ni-Mn-Ga, en el que se pueden distinguir los siguientes elementos (Figura 3):

1. Elemento activo (monocristal de Ni-Mn-Ga). 2. Electroimán. 3. Varilla. 4. Sensor LVDT. 5. Muelle. 6. Soporte. 7. Tornillos de ajuste.

Figura 3: Esquema del prototipo de actuador basado en FSMA.

El monocristal de Ni-Mn-Ga está sujeto por dos zapatas de nylon y situado entre los polos del electroimán

que produce el campo magnético necesario para producir la transformación de fase. El movimiento generado en el cristal se transmite por medio de una varilla hasta el sensor de posición (sensor LVDT), cuya salida permite conocer el desplazamiento producido de forma precisa. En el diseño se observa un muelle, cuya función es la de producir la fuerza recuperadora necesaria para revertir la situación del cristal una vez eliminado el campo magnético. Por último, hay que mencionar que el soporte se va a utilizar para ajustar la fuerza ejercida por el muelle. Este ajuste se va a realizar de forma controlada mediante el movimiento de los dos tornillos.

El prototipo construido se utilizará preferentemente para el ensayo de estrategias de control.

Se puede observar que las dimensiones de este prototipo son considerables para su comercialización. Esto se debe a la utilización de un electroimán de laboratorio, claramente sobredimensionado, para proporcionar el campo magnético que produce el cambio de fase deseado en el cristal. Una de las formas de optimizar dicho tamaño se basa en el empleo de imanes permanentes.

Trabajos recientes desarrollados en el MIT, tratan de reducir el valor del campo crítico necesario para producir la reorientación de las variantes, y las correspondientes deformaciones, aplicando al mismo tiempo pulsos mecánicos de compresión / tracción mediante actuadores piezoeléctricos [2]. Estos dispositivos híbridos piezoeléctrico-FSMA pueden reducir considerablemente el volumen del actuador final, por lo que son objeto de intenso estudio. III.A. Monocristal de Ni-Mn-Ga

El monocristal utilizado en este trabajo ha sido fabricado en los laboratorios Ames (EEUU) [5]. A partir de ellos se ha obtenido una muestra adecuada para el actuador. Esta muestra se obtiene mediante corte por electroerosión en la dirección de los planos cristalográficos. Tras el corte, estos monocristales se someten a tratamientos térmicos con el fin de homogeneizarlos y promover la desaparición de posibles defectos

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estructurales durante la transformación martensítica. Los tratamientos térmicos se realizan en atmósfera inerte, evitando así posibles contaminaciones o evaporación de los componentes de la aleación, ya que las propiedades de estos materiales dependen fuertemente de su composición. De esta manera se obtienen monocristales de una única variante en la fase martensita, cuyo eje corto está dispuesto en la dirección de compresión. III.B. Sensor LVDT

Hoy en día resulta habitual en los ambientes industriales el empleo de los transductores o sensores de posición. Dentro del amplio conjunto de alternativas existentes, uno de los más empleados es el transformador diferencial lineal (LVDT).

En este trabajo se ha elegido un sensor LVDT, ya que tienen características y beneficios significativos, algunos de los cuales derivan de los principios fundamentales de la física, de la operación o de los materiales y técnicas usadas en su construcción.

• Operación libre de fricción En uso normal el LVDT no posee contacto mecánico entre el núcleo del LVDT y el bobinado, no hay roce, arrastre u otra fuente de fricción, por lo que esta característica es particularmente usada en prueba de materiales (como es el caso aquí mostrado) y en medición de desplazamiento por vibración, entre otras.

• Resolución infinita Puesto que los LVDT-s operan sobre principios de acoplamiento electromagnético en una estructura de libre fricción, miden cambios infinitamente pequeños en la posición del núcleo. Esta capacidad de resolución infinita es limitada solamente por el acondicionamiento de señal LVDT y por el dispositivo de presentación de la salida.

• Rápida respuesta dinámica La ausencia de fricción durante la operación normal permite al sensor responder muy rápidamente a los cambios de posición del núcleo.

• Alta repetitibilidad

Además de las ventajas señaladas, el LVDT presenta una alta linealidad y una sensibilidad elevada. Su uso está ampliamente extendido, a pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de pequeños desplazamientos.

El sensor LVDT está constituido por un soporte de material no ferromagnético, en el que se encuentran alojados un arrollamiento primario alimentado en alterna y dos arrollamientos secundarios idénticos, pero conectados en oposición de fase. A este sistema se le agrega un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios, haciendo con su movimiento que varíe la inductancia mutua entre ellos.

El principio de funcionamiento del LVDT es muy parecido a cualquier transformador. Una señal alterna conocida como señal portadora se aplica en el bobinado primario. Dicha corriente alterna en el bobinado primario produce un campo magnético variable alrededor del núcleo. Este campo magnético induce un voltaje alterno (CA) en el bobinado secundario que está en la proximidad del núcleo. Cuando el núcleo se desplaza, el número de espiras expuestas en el bobinado secundario cambia de forma lineal. Por lo tanto, la amplitud de la señal inducida cambiará también linealmente con el desplazamiento. Los bobinados secundarios en un LVDT se conectan en contrafase. Así, cuando el núcleo se encuentra en una posición simétrica con respecto a los arrollamientos secundarios, en los extremos de éstos se producen tensiones inducidas iguales pero con diferente fase, siendo entonces la diferencia de tensión nula, ya que las salidas de los bobinados secundarios se suman. En cambio, si el núcleo no ocupa la posición central entre ambos arrollamientos secundarios, los flujos serán diferentes y la tensión de salida resultante será distinta de cero y proporcional al desplazamiento. Cuando el núcleo es desplazado hacia un lado del primario, la salida del LVDT está en fase con la señal de entrada y el demodulador produce una señal positiva. Por otro lado, cuando el núcleo es desplazado hacia el otro lado, la salida del LVDT estará desfasada 180 grados respecto a la señal del primario. La salida del demodulador es entonces una tensión negativa proporcional al desplazamiento. La señal inducida de CA es demodulada para producir un voltaje de CC que sea sensible a la amplitud y a la fase de la señal de CA producida.

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IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES IV.A. Calibración del Electroimán

Para realizar la calibración del electroimán y de esa forma conseguir la curva característica que relaciona la tensión frente al campo magnético, se ha realizado el siguiente montaje

Figura 4: Montaje para la calibración del electroimán.

Este montaje cuenta con estos elementos:

• Un electroimán de laboratorio, refrigerado por agua. • Una fuente de corriente continúa para alimentar las bobinas del electroimán. Marca: Kikusui

Electronics Corp. • Un Sensor Hall, sensible a las densidades de flujo magnético perpendiculares al eje de la sonda (para la

sonda transversal). • Un gaúsmetro que muestra la medida de la sonda (T).

El procedimiento de medida del campo magnético usando un gaúsmetro de efecto hall (con su

correspondiente sonda) se basa en la medida precisa de la tensión hall asociada al vector de inducción magnética de dicho campo. Esta tensión hall es una tensión transversal que aparece en los extremos de un conductor por el que circula una corriente eléctrica (en este caso, sonda hall) sometido a un campo magnético.

Para obtener la gráfica de calibración del electroimán se ha ido variando la tensión de la fuente de corriente continua y con cada variación de voltaje (incrementos de 5V) se ha apuntado el valor del campo magnético, medido por la sonda, dando como resultado la siguiente gráfica.

CALIBRACIÓ N DEL ELECTRO IMÁN

y = 0,0093x + 0,0412

R2 = 0,996

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

-1 9 19 29 39 49 59 69 79

TENSIÓ N APLICADA (V)

CA

MP

O M

AG

NÉ

TIC

O(T

)

Figura 5: Gráfica característica del electroimán. Tensión aplicada/Campo magnético.

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Esta gráfica permitirá conocer con exactitud la relación entre el campo magnético aplicado y la elongación del material. IV.B. Calibración del LVDT

El montaje realizado para conseguir la calibración del LVDT es el que se muestra en la siguiente figura:

Figura 6: Montaje para la calibración del sensor LVDT.

Los elementos utilizados para una correcta calibración son:

• Sensor LVDT. • Fuente de alimentación +/-15V. Marca: Agilent Technologies, Modelo: E3631A. • Tormillo micrométrico. • Electroimán (para la calibración con campo).

Para la calibración del LVDT se une el núcleo del LVDT a un tornillo milimétrico, para poder relacionar el

desplazamiento introducido con la tensión de salida del LVDT.

CALIBRACIÓN DEL LVDT SIN CAMPO MAGNÉT ICO

y = -0,2518x + 4,6563

R 2 = 0,9994

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-15 -5 5 15

DESPLAZAMIENTO (mm)

CALIBRACIÓN DEL LVDT CON CAMPO MAGNÉT ICO

y = -0,2518x + 5,2567

R 2 = 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-15 -5 5 15

DESPLAZAMIENTO (mm)

Figura 7: Gráficas características del sensor LVDT. Desplazamiento/Tensión de salida con campo magnético aplicado y sin él.

En las graficas anteriores se puede ver que tanto en ausencia como en presencia de campo magnético, las pendientes de ambas líneas de tendencia es la misma, por lo que se llega a la conclusión de que el sensor LVDT no es sensible al campo magnético que emite el electroimán.

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IV.C. Medida de la Constante del Muelle

El muelle que se requiere en este actuador debe tener una constante elástica capaz de permitir al material su elongación, y a la vez, la recuperación de su forma. Si la constante elástica del muelle tiene un valor elevado el material no consigue deformarse aun en presencia de campo magnético, mientras que si el valor de la constante es pequeño, el cristal no logra alcanzar su forma original al eliminar el campo.

La constante elástica de los diferentes muelles se ha obtenido mediante una máquina de tracción (Figura 9). Esta máquina va comprimiendo el muelle a medida que ejerce presión sobre él y mediante dos canales recoge los datos de la fuerza y el desplazamiento. Estos datos se almacenan en un PC, para poder obtener posteriormente las gráficas deseadas.

En la siguiente tabla se muestran las constantes elásticas de los muelles ensayados (Figura 8):

Nº1 Nº2 Nº3 Nº4 Nº5 Nº6 Nº7 Nº8 Nº9

K(N/mm) 1,297 0,076 0,075 1,034 0,750 0,871 1,088 1,123 1,123

Figura 8: Tabla con las características elásticas de los diferentes muelles ensayados.

Tras la realización de diferentes pruebas se ha seleccionado el muelle nº4 cuya constante elástica es

k=1,034. Este muelle cumple los dos requisitos necesarios, es decir, la elongación del material en presencia de campo magnético y la recuperación de la forma en ausencia de dicho campo.

CO NSTANTE DEL MUELLE

y = 1,034x - 0,1729

R2 = 0,9999

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5

DEFO RMACIÓ N (mm)

FU

ER

ZA

(N

)

Figura 9: Máquina de tracción y gráfica característica del muelle seleccionado. IV.D. Medida del Actuador

El objetivo de este trabajo es probar que un material con memoria de forma magnética tiene una elongación al aplicarle un campo magnético y una recuperación de la forma cuando se suprime el campo.

Una vez hechas todas las calibraciones necesarias para la correcta medición del actuador, se va a proceder a explicar cómo se han tomado las medidas para poder demostrar el objeto del trabajo. El montaje que se ha realizado es el que se muestra en la Figura 10.

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Figura 10: Montaje para la medida del actuador.

En la parte derecha de la fotografía se encuentra el prototipo desarrollado y en la parte izquierda, se pueden observar las fuentes de alimentación necesarias para alimentar al electroimán y al LVDT. Se utilizan además, dos multímetros (Marca: Hewlett Packard, Modelo: 30401A) para recoger los datos de tensión que se le aplica al electroimán y el voltaje de salida que proporciona el LVDT. Estos datos se almacenarán en un PC mediante un programa en LabVIEW (realizado por Jorge Feuchtwanger, investigador del grupo de magnetismo y materiales magnéticos), el cual acumulará todos los datos en un archivo de texto.

Para conseguir la gráfica deseada de desplazamiento frente a campo, con los datos recogidos se ha multiplicado la pendiente de calibración del electroimán por la de tensión introducida en éste, obteniéndose el campo magnético aplicado al actuador. El desplazamiento se ha conseguido multiplicando la tensión de salida del LVDT por la pendiente de calibración del sensor para conseguir la elongación real que se produce en el material frente al campo aplicado. La gráfica obtenida es la siguiente (Figura 11):

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

DESPLAZAMIENTO (mm)

CA

MP

O M

AG

NÉ

TIC

O (

T)

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Figura 11: Gráfica Campo magnético/Desplazamiento y programa en LabVIEW. En esta gráfica se puede observar que la máxima elongación se produce cuando el campo aplicado es de

0,5T. Esta elongación es de 0,1mm, lo que supone un porcentaje del 0,8%. Este valor no es tan grande como los que se han conseguido con estos materiales, que puede llegar a ser del 6% debido a que las características del cristal no son las adecuadas.

V. CONCLUSIONES

El desarrollo de los FSMA se debe, fundamentalmente, a que la aplicación de un campo magnético externo

permite actuar sobre el material sin contacto. Además, es posible obtener una respuesta inmediata, en milisegundos, lo que les confiere gran ventaja respecto a las aleaciones con memoria de forma usuales, que están limitadas a la velocidad del proceso de calentamiento y enfriamiento, que exige tiempos del orden del segundo para la respuesta. Los materiales ferromagnéticos presentan la ventaja de su gran deformación, aunque todavía no se ha podido superar su excesiva facilidad a quebrarse.

En este trabajo se ha desarrollado un prototipo de actuador de memoria de forma magnética, obteniendo con las medidas realizadas una curva campo-elongación, y demostrando con ella, la funcionalidad del dispositivo. Aunque la deformación del material ha sido un éxito, se puede mejorar este resultado con un cristal de mayor calidad.

Las líneas de futuro que se pueden proponer son, por un lado, la disminución del tamaño del prototipo desarrollado y por otro, el control de la deformación del material, mediante el uso de estrategias que minimicen los efectos no lineales y de histéresis.

VI. AGRADECIMIENTOS

Queremos agradecer este trabajo dirigido a Alfredo García Arribas y Víctor Etxebarria Ecenarro, profesores del departamento de Electricidad y Electrónica de la Universidad del País Vasco y en especial a Jorge Feuchtwanger, investigador del grupo de magnetismo y materiales magnéticos, sin cuya colaboración y ayuda no hubiese sido posible la realización del mismo.

VII. BIBLIOGRAFÍA

[1] J.M Barandiarán, P. Lázpita, J. Gutiérrez, A. García Arribas y J. Feuchtwanger “Materiales y Dispositivos con Memoria de Forma Magnética” Boletín externo ACTIMAT nº 15. Abril 2007.. [2] B.W. Peterson “Acoustic Assisted Actuation of Ni-Mn-Ga Ferromagnetic Shape Memory Alloys” Tesis Doctoral, año 2006, Massachusetts Institute of Technology. [3] Ullakko K, Huang J K, Kantner C, O’Handley R C and Kokorin “Large magnetic-field-induced strains in Ni2MnGa single crystals” Appl. Phys. Lett., 69:1966-1968,1996 [4] www.idm-instrumentos.es/Sensores [5] www.ameslab.gov