Omogenizzazione computazionale nella magneto-meccanica
I MSE sono una nuova classe di materiali che modificano il proprio comportamento meccanico in risposta all’applicazione di un campo magnetico esterno. Negli ultimi anni, questi materiali intelligenti sono stati oggetto di grande attenzione in virtù del loro straordinario potenziale d’uso in applicazioni ingegneristiche, tra cui attuatori a rigidezza variabile a risposta rapida e ammortizzatori per sistemi meccanici dotati di comandi elettronici e muscoli artificiali destinati a dispositivi robotici e biomeccanici. Un prerequisito per la progettazione di dispositivi industriali che utilizzano i MSE consiste nella gestione delle numerose sfide correlate alla fabbricazione, al collaudo e alla modellizzazione informatica di questi materiali. Per far fronte a tali esigenze, il progetto MOCOPOLY, finanziato dall’UE, ha offerto il proprio contributo in oltre 40 pubblicazioni sottoposte a valutazione “inter pares” che andranno ad arricchire la letteratura scientifica su numerosi argomenti correlati agli elastomeri magneto-sensibili. “Uno dei principali risultati raggiunti grazie agli intensi sforzi multinazionali compiuti nell’ambito del progetto consisteva nello sviluppo di una metodologia per la fabbricazione ripetuta di MSE nell’ambito della realizzazione di test di sperimentazione”, afferma Paul Steinmann, coordinatore di MOCOPOLY. Esperimenti avvincenti I ricercatori del progetto si sono procurati due dispositivi per la realizzazione dei test di sperimentazione, vale a dire un reometro rotazionale e una macchina per prove di trazione. Grazie all’utilizzo di questi dispositivi, i ricercatori hanno potuto sviluppare protocolli sperimentali in grado di garantire risultati affidabili e ripetibili. Inoltre, la conduzione di ulteriori studi sperimentali basati sull’utilizzo di tecnologie all’avanguardia ha fornito ai ricercatori un quadro più chiaro della struttura interna dei MSE e della loro struttura complessa a livello macro e microscopico. Prendendo spunto dai dati sperimentali estratti per il MSE sia nello stato polimerizzato che nello stato non polimerizzato, il progetto è stato in grado di ricavare un modello matematico delle caratteristiche di deformazione macroscopica degli elastomeri magneto-sensibili sottoposti a forti tensioni e in presenza di un campo magnetico. “Abbiamo adottato un metodo straordinario in grado di integrare la meccanica di strutture a catena imperfette sviluppate dalle particelle nel momento in cui il materiale viene polimerizzato sotto l’effetto di un campo magnetico,” spiega Steinmann. I ricercatori hanno anche sviluppato un quadro computazionale finalizzato alla simulazione del processo di polimerizzazione dei MSE magneto-viscoelastici sotto l’effetto di un carico magneto-meccanico, insieme a un quadro unificato per l’analisi computazionale degli elastomeri magneto-sensibili attraverso l’utilizzo di un software open-source e a elevate prestazioni. Alcuni aspetti di questa risorsa e dei lavori ricavati sono stati condivisi con la comunità open-source. A integrazione dei lavori condotti su ampie scale di lunghezza, sono state realizzate analisi microstrutturali al fine di determinare l’influenza delle particelle nei MSE. “Abbiamo prodotto un modello computazionale in grado di catturare gli effetti sia sulla macro che sulla nanoscala e questo progresso ci ha consentito di rappresentare caratteristiche osservabili esclusivamente su questa scala di lunghezza,” afferma Steinmann. Inoltre, il processo di omogenizzazione ha consentito al team di effettuare una stima delle effettive proprietà su ampia scala di un materiale eterogeneo a partire dalla risposta della microstruttura sottostante. Grazie all’utilizzo di metodi computazionali, i ricercatori sono stati in grado di estendere le tecniche già consolidate allo scopo di integrare fenomeni osservati solo all’interno degli elastomeri magneto-sensibili, come ad esempio la presenza e l’interazione di particelle magnetizzabili. “Ciò ci ha consentito di sviluppare e di utilizzare approcci per l’esecuzione di studi che hanno prodotto una quantificazione statistica delle incertezze indicate nei dati sperimentali,” afferma Steinmann. “Ai fini dell’integrazione e della convalida di tali studi, abbiamo sviluppato un metodo efficace per identificare i parametri dei materiali microscopici attraverso l’utilizzo di esperimenti macroscopici.” Risultati di vasta portata Grazie a questi esperimenti, il progetto MOCOPOLY ha compiuto importanti passi avanti verso una maggiore comprensione degli elastomeri magneto-sensibili. Inoltre, grazie alle equazioni matematiche fondamentali alla base della magneto-elasticità e alle condizioni in cui sono stati condotti gli studi, gran parte della teoria sviluppata per la magnetomeccanica può essere applicata direttamente anche all’elettromeccanica e viceversa. “Questo approccio interdisciplinare ci ha consentito di applicare i risultati ottenuti anche ad altri interessanti materiali intelligenti elettro-meccanici,” aggiunge Steinmann.
Parole chiave
MOCOPOLY, elastomeri magneto-sensibili, MSE, campo magnetico esterno, robotica, magneto-meccanica
