Твой проект —
твоя профессиональная
Траектория

Исполнительные устройства на основе эффекта памяти формы

Партнер
ВУЗ
Актуальность

Для бионических систем, систем «умный дом», а также для задач робототехники и интеллектуальных автоматических устройств в авионике важным является создание малогабаритных исполнительных устройств, преобразующих изменения параметров окружающей среды или сигнал от управляющей операционной системы в перемещение и силу. Исполнительные устройства могут быть созданы на основе множества физических принципов и в т.ч. на основе эффекта памяти формы в полимерных материалах и металлических сплавах. Учащимся предлагается разработать и создать прототип исполнительного устройства с активным элементом из полимера ПЛА (полилактид), проявляющего эффекта памяти формы, и опробовать его работоспособность.

Некоторые примеры использования исполнительных устройств на основе ЭПФ: 

1. Бионический робот-«подсолнух» - устройство, позволяющее оптимальным образом размещать панели солнечных батарей по отношению к световому потоку. Нагрев солнечным светом рабочего элемента, находящего несоосно нормали к панели солнечной батареи, активирует ЭПФ и формирует механическое усилие, которое вызывает поворот панели вслед за максимальным солнечным потоком.

2. «Умные» жалюзи для затенения или оптимального освещения помещений. Изменение температуры рабочего элемента при нагреве солнечным светом, активирует ЭПФ и формирует механическое усилие, которое вызывает выдвижение затеняющего экрана или, наоборот, его возращение или  поворот лепестков жалюзи вслед за максимальным солнечным потоком.

3. «Умные» жалюзи для вентиляторов. Изменение температуры рабочего элемента при нагреве и охлаждении воздухом, подаваемым вентилятором, активирует ЭПФ и формирует механическое усилие для вращения створок жалюзи и сокращения или увеличения потока воздуха из вентилятора.

4. Неэлектрические механические автоматические системы пожаротушения для сильно загазованных пространств (станции газоснабжения и газонасосные станции). Чувствительные элементы и системы связи автоматических систем пожаротушения даже со слаботочными электрическими контактами и элементами потенциально являются источниками искры и взрыва в сильно загазованных пространствах. Настроенный на активацию ЭПФ при незначительном нагреве (+60 С) исполнительный механизм вызывает механическое усилие для выпуска гасящего вещества из соответствующей ёмкости. 

5. «Умные» уплотнения в системах масляного и водяного охлаждения. Повышение температуры позволяет активировать ЭПФ и открыть резервные магистрали для срочного (аварийного) охлаждения различных систем.

6. «Умные» лопатки вентиляторов охлаждения. Повышение температуры позволяет активировать ЭПФ и активировать систему поворота лопаток в крыльчатках вентилятора для срочного (аварийного) охлаждения различных систем.

ПЛА (полилактид) является хорошо изученным полимером с значительной восстанавливаемой деформацией и температурой активации ЭПФ около +65 oС и может быть использован в различных малонагруженных исполнительных устройствах.


Описание

Цель настоящего проекта — создание прототипа исполнительного устройства с использованием в качестве активного (рабочего) элемента полимера с эффектом памяти формы. Создание прототипа предполагает активное проведение учащимися всех этапов опытно-конструкторской разработки: - постановка задачи, формирование технического задания, разработка концепции, чернового и детального проекта, сборка, отладка и испытание прототипа, анализ недостатков и отказов, написание отчета и рекомендаций по улучшению конструкции и внедрению. Разработанные прототипы исполнительных устройств могут быть предложены для дальнейшего совершенствования и доведения до опытных моделей для испытания в задачах бионических систем, системе «умный дом», а робототехники и авионики.

Учащимся будут выданы готовые активные элементы из полилактида в форме цилиндра, спирали и коромысла. Учащиеся должны будут освоить способы формирования временной формы и измерить восстанавливающую деформацию и восстанавливающее усилие при возвращении из временной формы в постоянную при активации эффекта памяти формы. В дальнейшем учащиеся должны будут разработать и собрать из деталей детского конструктора прототип исполнительного механического устройства (рычаг, блок, эксцентрик, пантограф и т.п.) с активным элементом из полимера с эффектом памяти формы и продемонстрировать работоспособность исполнительного механизма при активации эффекта памяти формы при нагреве. 

Доступное для использования оборудование:

1. Штатив лабораторный 

2. Конструктор детский металлический

3. Динамометр лабораторный

4. Набор слесарного инструмента (отвертка, пассатижи, ключи)

5. Термопарный термометр

6. Пирометр ручной

7. Фен монтажный строительный. 

8. Линейка и рулетка. 

Необходима оценка эффективности предложенных исполнительных устройств в сравнении с другими физическими принципами и выявление преимуществ для конкретных механических систем.


Результат

Ожидаемые результаты решения кейса следующие:

1) Будут оценены и измерены величины восстанавливающих деформаций и усилий при активации эффекта памяти формы;

2) Будут разработаны концепции и изготовлены рабочие эскизы прототипов исполнительных устройств и предложены варианты конкретных механических систем для использования в них исполнительных устройств.

3) Будут собраны, отлажены и опробованы прототипы исполнительных устройств в действии. 

4) Будут проанализированы недостатки и отказы, при написании отчета по работе будут предложены рекомендаций по улучшению конструкций и их внедрению.

Требования

  • Демонстрация работоспособности разработанного прототипа исполнительного устройства. 
  • Наличие в отчете записей о постановке задачи, техническом задании и эскиза прототипа.

Ограничения
  • Реализация решений должна быть рентабельной.
  • Мировая конкурентоспособность предлагаемых технологических решений.