Bundling shape memory alloy wires to improve frequency response and payload lifting capability

Şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA), adından da anlaşılacağı üzere, yaklaşık 700°C'de verilmiş, ilk şekillerini hatırlayan alaşımlardır. Alaşım, elastik olmayan ve bir limite kadar olan şekil değişimlerini aynen korur. Fakat ısıtıldığında, gerçekleşen bu deformasyonlar ortadan kaybolur ve alaşım ilk şeklini alır. Alaşımın, martenzit ve östenit olarak adlandırılan ve şekil değişimlerine sebep olan iki ana fazı bulunmaktadır. Bu iki ana faz arasındaki geçişler sıcaklık değişimiyle sağlanır. Martenzit fazı, malzeme soğukken içinde bulunduğu fazdır ve malzeme bu fazda deforme edilir. Malzemenin ısıtılmasıyla, martenzit fazından östenit fazına geçiş başlar. Östenit fazında ise, malzemenin kristal yapısı ilk halini alır ve malzeme deformasyondan önceki şekline dönmüş olur. Dolayısıyla, alaşımın şeklini değiştirmenin yolu, dışardan bir ısı kaynağıyla ya da malzemenin içinden akım geçirerek malzemeyi ısıtmaktır. Bu da, alaşımın içinden geçen akımı kontrol ederek malzemenin şeklini kontrol etme olanağı sağlar. Son yıllarda, hafif ve küçük eyleyici teknolojisi gereksinimi, şekil hafızalı alaşımların da öne çıkmasına olanak sağladı. Bu alaşımlar, gürültüsüz çalışma, istenilen ebatta hazırlanabilme, kütlesine oranla yüksek güç sağlayabilme gibi önemli avantajlara sahiptir. Ayrıca fiyatının uygun olması ve basit bir yapıya sahip olması da avantajları arasındadır. En önemli dezavantajlarından bazıları ise, verimliliğinin düşük olması, çalışabildiği frekans aralığının dar olması ve düşük yük taşıma kapasitesidir, bununla birlikte gösteridiği histerizis davranış, alaşmın kontrolünü zorlaştırmaktadır.Yapay kas veya kas benzeri eyleyiciler gibi biyomedikal ve robotik alanlarında kullanılabilmesi için, bu dezavantajlardan bazılarını ortadan kaldırmak amacıyla; taşınabilecek yükü, frekans cevabını kötüleştirmeden artırmak bu çalışmanın hedefini oluşturmaktadır. Bu doğrultuda, iki temel yaklaşım baz alınabilir: ilki, tel sayısını artırmak taşınabilecek yük kapasitesini de artırmaktadır. Fakat bu, aynı zamanda daha fazla ısı ve ısıdaki artışa nispeten daha küçük bir yüzey alanı genişlemesi olduğundan, soğuma süresi artacak ve tellerde, bir sonraki etkinleştirme için daha fazla gecikmeye neden olacaktır. Dolayısıyla, frekans cevabı kötüleşecektir. Taşınabilecek yükün artırılmasının bir diğer yolu, aynı zamanda bu çalışmada da izlenen yol, ise küçük çaplı alaşım teli sayısını artırmaktır. Tel sayısının artırılması kaldırılabilecek yükün artırılması demek olduğu gibi, aynı zamanda daha geniş yüzey alanı demektir. Bu da daha kısa soğuma süresi ve daha iyi bir frekans cevabı olarak alaşımın davranışına yansımaktadır. Bu çalışmada da incelenen, ince tellerin demet haline getirilerek daha fazla yükü frekans cevabını kötüleştirmeden kaldırabilmesini sağlamaktır. Bu çalışma, mekanik, elektronik ve yazılım kısımları olmak üzere, üç ana kısımdan oluşmaktadır.Elektronik kısmında, daha önce başka bir çalışmada tasarlanmış ve kullanılmış olan, iki şekil hafızalı alaşım sürücü devresi ve bir tane veri toplama kartı bulunmaktadır. Tel sürücü, veri toplama kartından gelen sinyali referans alarak bir akım çıkışı üretir ve bu akımla teli sürer. Teli gönderilen akımın referans sinyalini takip edebilmesi için, devre üzerinde bir PI kontrol gerçekleştirilmiştir. Devre çıkışı, 10 volt girişe karşılık, 1 amper çıkış üretmektedir, yani çıkışın girişe oranı 1/10'dur. Her ne kadar devre kendi içerisinde kapalı çevrim çalışsa da yazılıma akım takibi konusunda herhangi bir geri besleme gelmediğinden genel olarak açık çevrim çalışmaktadır. Akım bilgisi geri besleme olarak yazılıma gönderilmek yerine, tel üzerindeki gerilim düşümü kart tarafından algılanmakta ve yazılıma gönderilmektedir. Bunun yanısıra, referans sinyali de yazılım tarafından belirlendiğinden ve tele gönderilen akım bu sinyalin 1/10'u olduğundan, bu iki verinin birbirine bölünmesiyle telin direnci hesaplanabilmektedir. Elektronik kısmının bir diğer elemanı olan veri toplama kartı ise, konum okuyucudan aldığı konum bilgisini ve tel üzerindeki gerilim düşümü bilgisini yazılıma göndermekle sorumludur. Ayrıca, akım referans sinyalini de tel sürücüye iletmekle görevlidir. Mekanik kısım, şekil hafızalı alaşım tellerinden, 150 gramlık bir yükten ve yükün konumunu ölçmek için kullanılmış olan, doğrusal değişimli diferansiyel transformatörden (DDDT) oluşmaktadır. Yük, dikey konumlandırılmış tellerin ucuna bağlı olup, diferansiyel transformatöre de mekanik olarak monte edilmiştir. Dolayısıyla, alaşım etkinleştirildiğinde, telin boyu değişecek, yük hareket edecektir. Konumu değişen yük ile konum ölçer birlikte hareket ettiğinden, yükün son konumu konum ölçer tarafından okunmuş olacaktır. Kullanılan yük 150 gram olup, sırasıyla iki adet 76 µm, bir adet 100 µm ve bir adet 150 µm çaplı tellerin ucuna bağlanmıştır. Tellerin, her birinin boyu yaklaşık 30 cm'dir. Sistemin yazılımı, National Instruments firması tarafından piyasaya sürülmüş olan, LabVIEW ortamında grafik arayüz kullanılarak hazırlanmıştır. DDDT'yi beslemek ve referans voltajını göndermek için iki analog çıkış; konumu ve tel üzerindeki voltaj düşüşünü okumak için de iki analog giriş kullanılmıştır. Bu giriş ve çıkışlar kullanılarak, farklı frekanslardaki (0.1-7 Hz arasında) sinüs sinyalleri, tel sürücüye referans sinyali olarak gönderilmiştir. Yükün konum değişimi, sistemin çıkışı olarak okunmuş ve hem açık çevrim, hem de kapalı çevrimde bode grafikleri elde edilmiştir. Her tel için bu grafikler hazırlanmış ve frekans cevaplarının karşılaştırılması yapılmıştır.Giriş sinyali genlikleri, teller farklı akımlarda etkinleştirildiğinden, üretici firmanın vermiş olduğu verilere göre belirlenmiştir. Açık çevrim frekans cevabı sonuçları aşağıdaki gibidir: - Telin çapının genişletilmesi, telin soğuması daha çok zaman aldığından, daha yavaş bir etkinleşmeye neden olmuştur. - Daha ağır yüklerde, yükün yer değiştirmesi daha fazla olmuştur. Fakat buna bağlı olarak, daha fazla yük, sisteme daha fazla gecikme getirmiştir. - 76 µm çaplı bir tel, 80 gram yük taşıyabilmektedir. Tel sayısı ikiye katlandığında taşınabilecek yük de 160 grama çıktığından, 150 gram taşıyabilen 100 µm'lik bir alaşım telinden daha fazla yük taşınmış olacaktır. Diğer yandan, 76 µm'lik tel soğumak için 0.8 saniyeye ihtiyaç duymaktadır, ki bu süre, 100 µm'lik telin soğuma süresinin % 72'sini, 150 µm'lik telin soğuma süresinin ise % 40'ını teşkil etmektedir. Çaptaki, 24 µm'lik bir artış bile, yüksek frekanslarda daha belirginleşen, yaklaşık % 30'luk bir geç soğumayla sonuçlanmaktadır. - Fazda 180 derecelik bir gecikme, 76 µm'lik telde 5 Hz'de, 100 µm çaplı telde 2 Hz'de gerçekleşmektedir. 150 µm çaplı telde ise 1.2 Hz'de yük, 0.05 mm yer değiştirmiştir. Tellerin boylarındaki değişim ise, tel ikiye katlanarak kullanıldığından, bu yer değiştirmelerin iki katıdır. Dolayısıyla çapı genişletmek, zaten dar olan, telin çalışabildiği frekans aralığını da daraltmaktadır. - 2 Hz'lik bir giriş sinyaline karşılık, ucunda 150 gramlık yük bağlanmış olan tellerden, 76 µm'lik iki tel, yükün konumunu 4.3 mm, 100 µm'lik tek tel 5 mm ve 150 µm'lik tel ise 0.8 mm değiştirmiştir. Yaklaşık 300 gramlık bir yük kullanılması durumunda ise, 150 µm'lik tel 0.8 mm yerine 1.6 mm yer değiştirmiştir ki bu da yük arttıkça konum değişiminin belli bir limite kadar arttığının göstergesidir. - Daha önce de belirtildiği gibi, iki 76 µm'lik ŞHA teli, tek 100 µm'lik ŞHA telinin taşıyabileceği yükü taşımış ve yüksek frekanslarda daha hızlı soğuma gerçekleştirmiştir. Teorik olarak, 76 µm'lik telin, 150 µm'lik telin taşıyabileceği maksimum yükü taşıyabilmesi için ise, iki adet daha 76 µm'lik ŞHA teline ihtiyaç vardır. Teller, kapalı çevrim kontrol edildiğinde ise sonuçlar aşağıdaki gibi olmaktadır: - Kontrolör, tellerin daha hızlı ısınmasını sağladığından ve hata azaldıkça etkinleştirme akımını da azalttığından, tellerin kasılma süresi kısalmıştır. Soğuma süresince herhangi bir akım gönderilmediğinden, kontrolörün soğuma kısmında etkisi olmamıştır. - Açık çevrimde, 0.2 hertz frekansta, 76 µm ve 100 µm teller yaklaşık 50 derecelik bir gecikme ile kasılmışlardır. Aynı durum 150 µm'lik telde 70 derecelik gecikmeyle gerçekleşmiştir. Çevrim kapalı hale getirildiğinde ise, bu gecikmeler 0.2 hertz yerine 2 hertzde gerçekleşmiştir. Kapalı çevrimde, 0.2 hertz frekansında herhangi bir gecikme olmadan, teller, giriş sinyalini takip etmiştir. - 1 hertzde, mutlak genlik değeri, 76 ve 100 µm çaplı teller için 0.5'ten az iken, 150 µm çaplı tel için bu değer 0 civarındadır. Çevrim kapalı hale getirildiğinde, genlik değeri ince teller için 0.5 civarından 1'e yükselirken, 0 civarı olan kalın telin genlik değeri 0.3'e yükselmiştir. - Kapalı çevrim kontrollü telin kalınlığının az bir miktar artırılması frekans cevabını etkilemezken, çap iki katına çıkarıldığında, demet olarak kullanım hem genlik değerini iyileştirmekte hem de gecikmeyi azaltmaktadır. Fakat 76 µm çaplı telin, iki katı çaptaki tel ile aynı yükü kaldırabilmesi için, demetteki tel sayısını da 4'e çıkarmak gerekmektedir. - Yükün etkisi, genliği artırma olarak açık çevrimde hissedilirken, kapalı çevrimde etkisi oldukça azdır. Şekil hafızalı alaşımların, yapay kas gibi biyomedikal uygulamalarda kullanımında, kalın tel yerine, ince tellerin demet olarak kullanılmasının, frekans cevabını kötüleştirmeden daha fazla yük taşıyabilmek adına, daha efektif olduğu sonucuna varılmıştır. Demet haline getirilen tellerin, makaralarla paralelleştirmek yerine, mekanik olarak paralel kullanımı, eyleyicinin uzun ömürlü olması açısından, faydalı olduğu da varılan sonuçlar arasındadır.