Shape-memory materials as control elements used in dot Braille actuator

Abstract

The objective of this paper is to show a designing process for actuators that utilizes shape-memory materials. Analytical studies are carried out to design a dot actuator to be used in an electronic Braille display. Shape-memory materials are a relatively new group of smart materials that exhibit the transformation of their internal structures in solid state phases resulting from external mechanical or thermal excitation. This unique property shows up as three phenomena: one- and two-way memory effects as well as superelasticity, which all significantly influence the change of both the material properties and geometry. Hence, shape-memory materials are used as actuators effectively controlled by the above-mentioned types of excitation. The work presents the design guidelines for a proposed technical solution as well as the phenomenon utilized in the elaborated model of the actuator. The authors derived the mathematical descriptions for the proposed design configuration and an example of the calculations is shown. Moreover, the characteristics of the elaborated configuration are also discussed, taking into account the range of application areas.

W artykule przedstawiono proces projektowania siłowników zbudowanych z materiałów z pamięcią kształtu z zastosowaniem metod analitycznych na przykładzie członu wykonawczego punktu Braille'a stosowanego w elektronicznych wyświetlaczach alfabetu Braille'a. Materiały z pamięcią kształtu są stosunkowo nową grupą materiałów inteligentnych, które charakteryzują się przebudową struktury wewnętrznej w fazach stałych na skutek zewnętrznego wymuszenia mechanicznego lub termicznego. Ta szczególna własność widoczna jest w trzech zjawiskach: jednokierunkowego oraz dwukierunkowego efektu pamięci kształtu oraz supersprężystości, które istotnie wpływają na zmianę wartości parametrów materiałowych oraz geometrię. W efekcie materiały z pamięcią kształtu znajdują zastosowanie jako napędy w członach wykonawczych, w których skok siłownika jest funkcją jednego z wyżej wymienionych wymuszeń. W artykule przedstawiono założenia projektowe zaproponowanego rozwiązania technicznego oraz omówiono zjawisko wykorzystywane w opracowanym modelu. Autorzy wyprowadzili odpowiednie zależności ilościowe dla przyjętej konfiguracji siłownika, których użycie zaprezentowano na przykładzie obliczeniowym. Poddano dyskusji charakterystyki zaproponowanej konfiguracji projektowej, z uwzględnieniem obszaru jej zastosowania.