Post on 15-Jul-2020
Motores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para
Explorar Calor Residual
Lucas de Oliveira Cunha
Projeto de Graduacao apresentado ao
Curso de Engenharia Mecanica da Escola
Politecnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos ne-
cessarios a obtencao do tıtulo de Engenheiro.
Orientador: Marcelo Amorim Savi
Rio de Janeiro
Agosto de 2019
Motores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para
Explorar Calor Residual
Lucas de Oliveira Cunha
PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA MECANICA DA ESCOLA POLITECNICA DA UNIVERSI-
DADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NE-
CESSARIOS PARA A OBTENCAO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECANICO
Autor:
Lucas de Oliveira Cunha
Orientador:
Prof. Marcelo Amorim Savi
Examinador:
Prof. Fernando Pereira Duda
Examinador:
Prof. Gustavo Rabello dos Anjos
Rio de Janeiro
Agosto de 2019
ii
Declaracao de Autoria e de Direitos
Eu, Lucas de Oliveira Cunha CPF 132.352.137-24, autor da monografia Mo-
tores Termicos Utilizando Ligas com Memoria de Forma para Explorar Calor Resi-
dual, subscrevo para os devidos fins, as seguintes informacoes:
1. O autor declara que o trabalho apresentado na disciplina de Projeto de Gra-
duacao da Escola Politecnica da UFRJ e de sua autoria, sendo original em forma e
conteudo.
2. Excetuam-se do item 1. eventuais transcricoes de texto, figuras, tabelas, conceitos
e ideias, que identifiquem claramente a fonte original, explicitando as autorizacoes
obtidas dos respectivos proprietarios, quando necessarias.
3. O autor permite que a UFRJ, por um prazo indeterminado, efetue em qualquer
mıdia de divulgacao, a publicacao do trabalho academico em sua totalidade, ou em
parte. Essa autorizacao nao envolve onus de qualquer natureza a UFRJ, ou aos seus
representantes.
4. O autor pode, excepcionalmente, encaminhar a Comissao de Projeto de Gra-
duacao, a nao divulgacao do material, por um prazo maximo de 01 (um) ano,
improrrogavel, a contar da data de defesa, desde que o pedido seja justificado, e
solicitado antecipadamente, por escrito, a Congregacao da Escola Politecnica.
5. O autor declara, ainda, ter a capacidade jurıdica para a pratica do presente ato,
assim como ter conhecimento do teor da presente Declaracao, estando ciente das
sancoes e punicoes legais, no que tange a copia parcial, ou total, de obra intelectual,
o que se configura como violacao do direito autoral previsto no Codigo Penal Bra-
sileiro no art.184 e art.299, bem como na Lei 9.610.
6. O autor e o unico responsavel pelo conteudo apresentado nos trabalhos academicos
publicados, nao cabendo a UFRJ, aos seus representantes, ou ao(s) orientador(es),
qualquer responsabilizacao/ indenizacao nesse sentido.
7. Por ser verdade, firmo a presente declaracao.
Lucas de Oliveira Cunha
iii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politecnica - Departamento de Engenharia Mecanica
Centro de Tecnologia, bloco G, Cidade Universitaria
Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900
Este exemplar e de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
podera incluı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
E permitida a mencao, reproducao parcial ou integral e a transmissao entre bibli-
otecas deste trabalho, sem modificacao de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa academica, comentarios e citacoes, desde que
sem finalidade comercial e que seja feita a referencia bibliografica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho sao de responsabilidade do(s) autor(es).
iv
A Mara, Eci, Larissa e Jessica.
v
AGRADECIMENTO
Comeco pelo comeco. Agradeco aos meus pais, Mara e Eci, pelo berco e por todo
o carinho e amor, toda a dedicacao desde entao. Tambem a minha irma, Larissa.
Sem voces, seu constante apoio e confianca, jamais poderia ser quem sou. Obrigado
por serem um lar, em todos os momentos.
A Jessica, agradeco por me mostrar o que sao amor e companheirismo. Obrigado
por estar sempre la, sempre sorridente, sendo amiga nos bons momentos e conforto
e apoio naqueles em que mais precisei. Obrigado tambem Roberta e Marcelo, por
serem uma segunda famılia, na qual eu encontrei e encontro tanto carinho quanto
em casa.
Aos meus amigos, mesmo aqueles que a rotina possa por vezes ter distanciado
fisicamente, agradeco pelas grandes historias e momentos que compartilhamos. Ro-
lezinho roots, voces foram, sao e serao pra sempre parte de mim. O que o espetiscos
uniu, nenhuma piada nao-tao-aceitavel pode separar.
Aos membros do grandioso DT, e tambem aos Europeuszinhos, obrigado por terem
aliviado o cotidiano na faculdade. Espero que possamos bandeirar por muito tempo,
unidos e, talvez, em chamas.
A galera do Solar, obrigado por conseguirem fazer da ilha o melhor lugar que
eu poderia ter morado nesses anos. A amizade de voces compensa qualquer coisa.
Em especial, Vettore, obrigado por nao ter surtado mesmo tendo que dividir quarto
comigo por 4 anos. Eu nao conseguiria.
Em especial, gostaria de agradecer ao Raphael, que foi como um orientador para
mim ao longo desse projeto. Tambem a Vinicius e Caiopa, por terem salvado muitas
horas da minha vida ajudando-me a finalizar este trabalho. Sem voces, eu prova-
velmente estaria me formando em fevereiro. Voces foram fundamentais.
vi
Um agradecimento especial a FortWayne Metals, por ter fornecido o fio essencial
a este projeto. Em especial, Patricia Wasserman e Johannes Schlesier. Sem sua
ajuda, este trabalho nao teria saıdo do papel.
Por fim, agradeco ao meu orientador, Marcelo, por toda a estrutura que me for-
neceu, pelos ensinamentos, apoio, confianca e orientacao. Obrigado principalmente
por apoiar-me neste fim um tanto quanto inesperado e corrido.
Muito obrigado a todos.
vii
RESUMO
O presente trabalho dedica-se ao estudo de motores termicos utilizando ligas de
memoria de forma, e tem por objetivo avaliar sua capacidade de extrair energia de
fontes de calor residual. Atualmente, o calor residual e encontrado como subproduto
de diversas operacoes e ainda buscam-se maneiras de aproveita-lo eficientemente.
Estes motores possuem potencial para tal, e podem ser reproduzidos com baixos
custos de fabricacao. Para avaliar a factibilidade do uso destes motores, e realizada
uma revisao bibliografica, onde sao apresentados e sumarizados trabalhos sobre o
assunto. Alem disso, e construıdo um prototipo para avaliar experimentalmente
suas caracterısticas de saıda. Documenta-se o processo de fabricacao e discutem-
se os resultados observados. O motor aqui reproduzido utiliza uma mola de liga
de memoria de forma e e fabricado por manufatura aditiva. As caracterısticas de
saıda do motor sao avaliadas por sensores em conjunto com uma placa Arduino, e
sao analisadas graficamente. Os resultados obtidos mostram que o potencial destes
motores aplica-se apenas a nichos especıficos nos quais podem competir com outras
tecnologias em desenvolvimento, pois evidenciam baixas eficiencias e potencias de
saıda, mas apresentam vantagens de custo e dimensoes.
Palavras-Chave: Motor termico de liga de memoria de forma, SMA, liga de
memoria de forma, colheita de energia, calor residual.
viii
ABSTRACT
The present work is dedicated to the study of heat engines using shape memory
alloys, and aims to evaluate their capacity to extract energy from waste heat sources.
Currently, waste heat is found as a byproduct of various operations and ways are still
being sought to efficiently utilize it. These engines have the potential to do so, and
can be reproduced at low manufacturing costs. To evaluate the feasibility of using
these engines, a literature review is performed, where are presented and summarized
works on the subject. In addition, a prototype is built to experimentally evaluate its
output characteristics. The manufacturing process is documented and the observed
results are discussed. The engine reproduced herein utilizes a shape memory alloy
spring and is manufactured by additive manufacturing. Motor output characteristics
are evaluated by sensors in conjunction with an Arduino board, and are graphically
analyzed. The results show that the potential of these engines only applies to specific
niches in which they can compete with other developing technologies, as they show
low efficiencies and output power, but have cost and size advantages.
Key-words: Shape memory alloy heat engine, SMA, shape memory alloy, energy
harvesting, waste heat.
ix
SIGLAS
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
NiTinol - Liga de Nıquel e Titanio
SMA - Shape Memory Alloy
M t - Martensita Maclada
Md - Martensita Nao-Maclada
Ms - Temperatura de inıcio da transformacao martensıtica
Mf - Temperatura de termino da transformacao martensıtica
As - Temperatura de inıcio da transformacao austenıtica
Af - Temperatura de termino da transformacao austenıtica
CM - Coeficiente angular da relacao de Ms e Mf com a temperatura
CA - Coeficiente angular da relacao de As e Af com a temperatura
σs - Tensao de inıcio da transformacao de martensita maclada para nao-maclada
σMs - Tensao de inıcio da transformacao de austenita para martensita nao maclada
σMf - Tensao de termino da transformacao de austenita para martensita nao
maclada
σAs - Tensao de inıcio da transformacao de martensita nao maclada para austenita
σAf - Tensao de inıcio da transformacao de martensita nao maclada para austenita
DSC - Differential Scanning Calorimeter
x
Sumario
1 Introducao 1
1.1 Motores Termicos Utilizando Ligas com
Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Organizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Ligas com Memoria de Forma 6
2.1 Transformacoes de Fase nas Ligas com
Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Efeito de Memoria de Forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Superelasticidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Aplicacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Motores Termicos de SMA 20
3.1 Trabalhos Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Progresso Historico e Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1 Motores de Polia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2 Motores de Manivela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Motores de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.4 Outros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Resultados Alcancados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 Construcao do Prototipo e seu Aparato Experimental 36
4.1 O Prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.1 O Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.2 Manufatura dos Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.3 Fabricacao da Mola de SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
xi
4.1.4 Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.5 Resultado da Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 O Aparato Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 Sensores e Medicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2 Estrutura para o Experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 O Resultado Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Analise dos Resultados Experimentais 53
5.1 Definicoes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6 Conclusao e Trabalhos Futuros 58
Bibliografia 60
A Codigos Utilizados 66
A.1 Codigo para Aquisicao de Dados dos
Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
xii
Lista de Figuras
2.1 Diagrama de fases do SMA para as variaveis de controle tensao e tempe-
ratura. Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . 7
2.2 Grafico tensao-deformacao representativo do efeito de memoria de forma.
Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 A microestrutura no efeito pseudoelastico de ligas com memoria de forma.
Fonte: Adaptado de LAGOUDAS E KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Grafico de histerese representativo do efeito de superelasticidade. Fonte:
Adaptado de PAIVA e SAVI [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Diagrama tensao-deformacao-temperatura para ambos os efeitos encontra-
dos nas ligas com memoria de forma. Fonte: SANTANA [3]. . . . . . . . 13
2.6 Percentual de patentes registradas nos EUA por area de interesse, entre
janeiro de 1990 e junho de 2013. Fonte: adaptado de MOHD et al. [4]. . . 14
2.7 Protese de mao atuada por liga com memoria de forma. Fonte: CHEE
SIONG et al [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.8 Roda metamorfa de origami atuada por liga com memoria de forma. Fonte:
adaptado de FONSECA et al [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.9 Sistema para avaliacao da capacidade de amortecimento e de alteracao de
rigidez de molas com memoria de forma. Fonte: adaptado de ENEMARK
et al [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.10 Uso de molas de tracao e torcao na morfagem de winglets. Fonte: SAN-
TANA. [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.11 Uso de fios de SMA na odontologia. Fonte: adaptado de PETRINI e
MIGLIAVACCA. [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
xiii
2.12 (a) Dispositivo de oclusao do septo atrial. (b) Filtro de Simon. (c)
Stent auto-extensıvel de SMA. Fonte: adaptado de PETRINI e MI-
GLIAVACCA [8] e LAGOUDAS e KUMAR [1]. . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Desenho esquematico do motor termico de Ridgway M. Banks. Vista su-
perior. Fonte: adaptado de US03913326. [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 (a) Modelo de motor de sincronizado por engrenagens. (b) Versao mo-
dificada do projeto a, sincronizando as polias por compartilhamento
de eixo. Fonte: adaptado de WAKJIRA [10]. . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Desenho esquematico de um motor de SMA de polia simples. Fonte: adap-
tado de US4117680. [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 (a) Esquema de torques sem inclinacao do conjunto de polias. (b)
Esquema de torques com inclinacao do conjunto de polias. Fonte:
adaptado de AKAGI et al [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5 Esquema de dispositivo com polia intermediaria. Fonte: adaptado de
AKAGI et al. [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6 Esquema de dispositivo com polias sincronizadas. Fonte: adaptado de
BROWNE et al. [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.7 Esquema de dispositivo de manivela sincronizado. Fonte: adaptado de
SCHILLER. [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.8 Esquema de motor de campo magnetico. Fonte: adaptado de US4027479.
[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.9 Esquema de motor alternativo de SMA. Fonte: adaptado de US4434618.
[16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.10 Esquema de motor de placas oscilantes. Fonte: adaptado de TOBUSHI et
al. [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.11 Esquema de motor sequencial. Fonte: adaptado de US5901554. [18]. . . . 30
3.12 (a) Esquema de motor de manivela utilizado por IWANAGA et al.
Fonte: adaptada de IWANAGA et al [19]. (b) Aparato experimental
desenvolvido por SCHILLER. Fonte: adaptado de SCHILLER. [14]. . 31
xiv
3.13 (a) Motor alternativo desenvolvido por SAKUMA e IWATA. Fonte:
adaptada de SAKUMA e IWATA [20]. (b) Motor alternativo de SMA
desenvolvido por KANEKO e ENOMOTO. Fonte: adaptado de KA-
NEKO e ENOMOTO. [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.14 Prototipo de motor de placas oscilantes desenvolvido por TOBUSHI et al.
Fonte: adaptado de TOBUSHI et al. [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.15 (a) Esquema de motor de polias de AVIROVIK et al. Fonte: adap-
tada de AVIROVIK et al [23]. (b) Aparato experimental para motor
de polias com fitas de SMA e polia tensionadora desenvolvido por
AKAGI et al. Fonte: adaptado de AKAGI et al [12]. . . . . . . . . . 34
3.16 (a) Prototipo de motor de polias sincronizado desenvolvido por BROWNE
et al. [13]. (b) Motor de polias sincronizadas multiplas desenvolvido
por MANDZHAVIDZE et al [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 (a) Vista isometrica da montagem final. (b) Vista frontal da monta-
gem final. (c) Vista lateral da montagem final. . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 (a) Suporte de uma das polias superiores com eixo montado em uma
das duas posicoes. (b) Suporte das polias inferiores com as polias
montadas em balanco nos respectivos eixos. . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Vista superior da montagem, evidenciando alinhamento entre os vaos das
polias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 (a) Forno utilizado no tratamento termico da mola. (b) Mola apos o
tratamento termico ao lado do fuso utilizado. . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 Grafico das temperaturas caracterısticas obtido na analise com o aparelho
de DSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.6 Vistas explodidas evidenciando posicionamento de componentes na
montagem final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.7 Fotografias das vistas frontal e lateral do prototipo pronto. . . . . . . 46
4.8 Fotografias das vistas isometrica e superior do prototipo pronto. . . . 46
4.9 (a) Sensor de temperatura a prova d’agua DS18B20. (b) Modulo de
sensor de efeito Hall 3144e. (c) Encoder com optointerruptor LM393. 48
4.10 Princıpio de funcionamento de um sensor de efeito Hall. Fonte: adaptado
de Osoyoo.com [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
xv
4.11 Esquema de montagem dos sensores e dispositivos na placa Arduino Mega. 50
4.12 Vista frontal do resultado final da manufatura do motor e seu aparato
experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.13 Vista da parte traseira do resultado final da manufatura do motor e seu
aparato experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1 Rotacao e temperatura mensurados ao longo do tempo: (a) Experi-
mento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . 54
5.2 (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . 56
5.3 Decaimento da velocidade angular com o tempo (a) Experimento 1.
(b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Pontos experimentais de RPM vs temperatura (a) Experimento 1.
(b) Experimento 2. (c) Experimento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.5 Curvas de ajuste encontradas para a relacao entre velocidade angular
e temperatura. (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experi-
mento 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
xvi
Lista de Tabelas
1.1 Fontes comuns de calor residual e suas temperaturas [26] . . . . . . . 2
3.1 Resultados experimentais de motores de liga de memoria de forma . . 35
4.1 Temperaturas caracterısticas obtidas para tres amostras do fio por
meio de analise com DSC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
xvii
Capıtulo 1
Introducao
Apos anos de expansao massiva e inconsequente, a demanda global por energia
tem encontrado novas barreiras provenientes de olhares mais crıticos sobre o assunto.
A ameaca cada vez mais presente e palpavel do aquecimento global, assim como suas
consequencias para o meio ambiente, alarma um numero cada vez maior de pessoas
ao redor do mundo.
Neste contexto, diversas solucoes ja foram criadas, postas em pratica, analisa-
das, discutidas e por fim aperfeicoadas. Estas alternativas a composicao vigente da
matriz energetica sao extremamente diversas, diferenciando-se umas das outras por
custo, princıpio de funcionamento, tempo para o retorno do investimento, aplicacoes,
limitacoes e outros tantos parametros flexıveis.
Entre estes parametros, um essencial para o presente estudo e a escala. Hoje,
as principais solucoes de energias renovaveis comprometem-se a complementar e
ate mesmo substituir as fontes em grande escala, como combustıveis fosseis e o
carvao mineral. Porem, em aberto, existem possibilidades que trariam menores
impactos na macroescala, mas que ainda assim, nao sao desprezıveis. Uma delas e
o reaproveitamento de energia e calor residual.
O calor residual pode ser definido como uma parcela de energia descartada por
uma operacao que nao tem necessariamente como fim a producao de energia. E,
portanto, o subproduto de um processo e em muitos casos pode inclusive retroa-
limenta-lo, aumentando sua eficiencia. Alem disso, devido a sua natureza, pode-
1
se considerar que tenha custo nulo, uma vez que seria inevitavelmente gerado na
producao do produto principal.
Comumente, estes resıduos se apresentam com baixas temperaturas, tornado-os o
que denomina-se calor de baixa qualidade. Quanto menor a temperatura, menor o
leque de possibilidades para se extrair esta energia e menor a eficiencia do processo.
Na tabela 1.1, algumas fontes de calor residual e suas temperaturas sao apresentadas.
Tabela 1.1: Fontes comuns de calor residual e suas temperaturas [26]
Industria Processo T (oC)
CimentoGases de exaustao de forno 200-350
Gases de resfriamento do forno 200-300
Aco
Fornos eletricos a arco 250
Gases de forno de coque 190
Gases de altos-fornos 250-300
QuımicaExaustao de caldeiras 230
Gases de Refinaria 150-300
AlimentıciaFritadeiras 120-210
Gases de exaustao 164
Ceramica Gases de fornos 200-300
Atualmente, poucos metodos se mostram relevantes para recuperar energia a tem-
peraturas moderadas ou baixas. Entre eles, temos os baseados nos efeitos piroeletrico
e termoeletrico, que realizam a conversao da energia de dois modos distintos: o
primeiro, aproveitando-se da variacao de uma temperatura. O segundo, de um gra-
diente entre temperaturas, sendo este o mais utilizado [23]. Contudo, para tempe-
raturas abaixo de 100oC, aparatos que se valem do efeito termoeletrico apresentam
baixas eficiencias, tipicamente entre 1% e 5% [27]. Apesar de nao ser um fator cru-
cial, uma vez que o custo da fonte e teoricamente muito baixo, a busca por novos
processos que tenham maior eficiencia justifica-se para trazer ainda mais econo-
mia. Alem disso, o uso do efeito termeletrico depende de materiais relativamente
escassos, tornando-os caros. E importante salientar que esta e uma tecnologia em
2
desenvolvimento e, portanto, apresenta um grande potencial para uso no futuro [28].
Hoje, o metodo que apresenta a tecnologia mais avancada para coletar essa energia
e o uso do ciclo Rankine organico (ORC). Este ciclo e similar ao Rankine convenci-
onal, mas utiliza um fluido organico no lugar da agua [28]. Dentre os fluidos mais
utilizados, a grande maioria trabalha a temperaturas acima dos 100oC, e nenhum
abaixo de 80oC, com uma eficiencia na ordem de 10% [26]. Por fim, o equipamento
necessario ao ciclo e relativamente grande, pois depende de ao menos uma turbina
e um compressor, alem dos trocadores. Estes equipamentos tambem adicionam em
custo ao projeto.
Com isso, ha oportunidade para explorar e desenvolver novas tecnologias que pos-
sam trabalhar em temperaturas muito baixas, entre 50oC e 100oC, que possuam
eficiencias maiores ou iguais aos materiais termeletricos, demandando menores in-
vestimentos. Dispositivos que satisfacam estes criterios poderiam ter usos ate mesmo
domesticos ou em estabelecimentos comerciais, usando o calor descartado por apa-
relhos de ar-condicionado, boilers, chuveiros, chillers, entre outros.
1.1 Motores Termicos Utilizando Ligas com
Memoria de Forma
As ligas com memoria de forma sao ligas metalicas com uma caracterıstica espe-
cial: capacidade de recuperar sua forma inicial apos sofrer deformacoes atraves de
mudancas de fase solida impostas por um ciclo termico. Esta caracterıstica peculiar
foi inicialmente descoberta por Arne Olander em 1932 [29], em ligas de cadmio-ouro.
Porem, foi apenas a partir de 1963, com a descoberta do efeito de memoria de forma
em ligas de nıquel-titanio (NiTi) por William Buehler e seus cooperadores [30], que
o efeito passou a ter mais notoriedade no meio cientıfico. Atualmente, utiliza-se a
alcunha SMA (do ingles Shape Memory Alloy) para designa-las.
A partir da decada de 60 houve uma proliferacao de estudos e publicacoes acerca
do tema, almejando descrever suas caracterısticas. Novas possibilidades foram al-
cancadas com a adicao de elementos de liga, alterando as temperaturas em que
3
ocorrem as transformacoes de fase necessarias ao efeito. Este crescente interesse le-
vou ao desenvolvimento das mais variadas aplicacoes para o material. Entre as mais
importantes, encontram-se aplicacoes nas areas automotiva, aeroespacial, robotica,
biomedica [4] e no uso como atuadores nos mais distintos cenarios. Alem disso, uma
aplicacao bastante explorada nas decadas de 80 e 90 foi o uso destas ligas para reali-
zar trabalho a partir de ciclos termomecanicos, com o uso do que hoje identificam-se
como motores termicos de SMA.
Tais motores convertem energia termica em mecanica utilizando as transformacoes
de fase solida da SMA como forca motriz. O primeiro trabalho conhecido data de
1973, registrado em patente por Ridgway M. Banks em 1975 [US03913326] [9]. Mui-
tas invencoes e patentes sucederam-no, buscando novas formas de realizar trabalho
a partir de diferentes princıpios, e algumas das principais serao discutidas mais a
fundo no capıtulo 3. Com o tempo, diversas barreiras foram encontradas no desen-
volvimento destes equipamentos, que nao mostraram-se competitivos em relacao a
outros metodos, perdendo em eficiencia e potencia, esfriando o interesse no assunto.
Todavia, o novo nicho apresentado pelas fontes de calor residual deu uma nova
vida a aplicacao, reacendendo parcialmente o interesse pelo assunto. Apesar de nao
entregarem altas eficiencias, motores de SMA tem a possibilidade de operar a bai-
xas temperaturas, sendo portanto capazes de aproveitar o calor da menor qualidade
disponıvel. Essa vantagem, aliada ao possıvel baixo custo e flexibilidade do pro-
jeto, torna o estudo sobre o assunto no mınimo interessante sob um ponto de vista
academico e economico.
O trabalho aqui apresentado e justificado em todo este cenario. Ao produzir
um motor de SMA a baixıssimo custo, utilizando processos de fabricacao modernos
como a manufatura aditiva, e ao instrumenta-lo para medir informacoes vitais de
saıda do motor, avalia-se a viabilidade economica e a factibilidade do seu uso para
recuperar uma energia antes descartada. O trabalho tambem se propoe a registrar
o desenvolvimento da tecnologia desde o seu inıcio ate as solucoes mais atuais e
funcionais.
4
1.2 Organizacao
Este trabalho foi organizado de modo a apresentar, inicialmente, uma visao geral
sobre as ligas de memoria de forma, tratando sobre a fenomenologia do efeito de
memoria de forma e de suas aplicacoes. Assim, o capıtulo 2 prepara a base para o
entendimento do funcionamento do motor de SMA.
No capıtulo 3 apresenta-se uma revisao bibliografica de modo a apresentar todo o
percurso do desenvolvimento da tecnologia de motores de SMA, incluindo as solucoes
mais recentes e com grande potencial.
A prototipagem do equipamento e documentada no capıtulo 4, mostrando o passo
a passo do desenvolvimento, desde a concepcao inicial ate o produto final. Tambem
neste capıtulo e detalhada a concepcao e construcao do aparato experimental, assim
como a instrumentacao e a programacao dos sensores utilizados nas medicoes.
No capıtulo 5 apresentam-se os resultados experimentais obtidos, analisand0-os e
comparado-os com dados da literatura. Estes resultados sao usados para analisar
criticamente o uso destes motores. Em sequencia, sao apresentadas as conclusoes
do trabalho, junto com ideias de desenvolvimento futuro.
5
Capıtulo 2
Ligas com Memoria de Forma
Para a compreensao do trabalho aqui desenvolvido, a fundamentacao teorica
basica do comportamento das ligas com memoria de forma e imprescindıvel. Neste
sentido, este capıtulo procura esclarecer o assunto de forma sucinta, sem perder a
profundidade.
2.1 Transformacoes de Fase nas Ligas com
Memoria de Forma
As ligas com memoria de forma apresentam dois efeitos caracterısticos: a memoria
de forma e a superelasticidade (ou pseudoelasticidade), que dependem da existencia
de diferentes fases solidas. Para uma mesma composicao quımica, uma liga com
memoria de forma apresenta duas fases distintas. A austenita, em equilıbrio a al-
tas temperaturas e baixas tensoes, e a martensita, estavel quando as tensoes sao
elevadas e as temperaturas sao menores. A primeira geralmente tem a estrutura
cristalina cubica. Ja a segunda pode ser encontrada nas estruturas tetragonal, or-
torrombica ou monoclınica. Alem disso, a martensita e constituıda por cristais com
uma determinada direcao de orientacao, chamada de variante. A forma com que es-
tes cristais se arranjam leva a dois resultados distintos, a martensita maclada (M t)
e a martensita nao maclada (Md) [1], e este arranjo tem uma forte dependencia da
tensao aplicada. Na figura 2.1 estao dispostas as estruturas cristalinas obtidas em
relacao aos dois parametros de controle citados: tensao e temperatura.
6
Temperatura, T
Te
nsã
o,σ
Austenita
Martensita Não
Maclada
Martensita
Maclada
CaCM CaCM
Figura 2.1: Diagrama de fases do SMA para as variaveis de controle tensao
e temperatura (Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]).
A figura 2.1 introduz novos termos, identificados por Mf , Ms, As e Af . Cada
um deles representa uma temperatura caracterıstica da mudanca de fase solida,
num estado de tensao nula. As temperaturas designadas por um M sao referentes
a transformacao de austenita para martensita, onde Ms representa a temperatura
em que a transformacao tem seu inıcio, e Mf o seu fim. E importante notar que
Ms > Mf , uma vez que a mudanca de fase da austenita para martensita se da por
um resfriamento. De modo equivalente, As e Af designam as temperaturas carac-
terısticas da transformacao da martensita em austenita, onde Af > As, indicando
que ela se da com o aquecimento do material. Os termos s e f sao abreviacoes das
palavras em ingles start e finish, respectivamente.
Ainda na figura 2.1 nota-se que ha curvas que partem das temperaturas carac-
terısticas. Estas curvas representam uma outra caracterıstica das ligas com memoria
de forma: as temperaturas de transformacao de fase variam com a tensao. Elas sao
normalmente modeladas como lineares [31], fato que se aproxima de conclusoes ex-
perimentais [32], mas nao sao necessariamente paralelas ou igualmente espacadas.
7
Os termos CM e Ca sao utilizados para designar suas inclinacoes.
Outros dois parametros ilustrados pela figura 2.1 sao as tensoes de transformacao
da martensita maclada para a nao maclada. Como discutido anteriormente, o ar-
ranjo dos cristais na martensita depende da tensao, que define as proporcoes destas
fases. Isto se deve ao carater nao difusivo das transformacoes martensıticas [33].
A martensita maclada aparece com tensoes baixas ou nulas e, a partir de um pa-
tamar definido pela tensao σs (do inges start stress), passa a se transformar em
martensita nao maclada. Ao elevar-se ainda mais a tensao, chegando a σf (do ingles
finish stress), a transformacao e completa. Os valores destes patamares tambem sao
propriedades do material.
Ha regioes do diagrama de fase em que coexistem as diferentes fases aqui descritas.
Para caracterizar a estrutura, utiliza-se a fracao volumetrica de martensita, definida
por β = β(σ, T ), um parametro auxiliar que e objeto de muitos estudos na area das
ligas com memoria de forma [2].
Em posse do conhecimento aqui explanado, e possıvel entender a fenomenologia
dos efeitos citados no inıcio deste capıtulo, sendo eles o efeito de memoria de forma
e a superelasticidade.
2.1.1 Efeito de Memoria de Forma
O comportamento conhecido como efeito de memoria de forma refere-se a habili-
dade que um SMA tem de reconfigurar-se a sua forma original apos ser deformado
mecanicamente e, posteriormente a deformacao, submetido a um ciclo termico. Ele
leva este nome justamente por funcionar como se o metal ”memorizasse”sua forma
inicial. A figura 2.2 demonstra, a partir de um grafico tensao-deformacao, as eta-
pas da estrutura durante o efeito. Uma terceira dimensao no grafico e concedida a
temperatura, de modo a contemplar seu efeito na transformacao de fases.
8
Figura 2.2: Grafico tensao-deformacao representativo do efeito de memoria
de forma (Fonte: Adaptado de LAGOUDAS e KUMAR [1]).
Partindo da configuracao inicial dada pelo ponto B, onde tensao e deformacao
sao nulos e a temperatura garante uma estrutura de martensita maclada, inicia-
se o tensionamento do material. Ao faze-lo, uma curva tıpica deste carregamento
surge, ate o momento em que a tensao atinge o valor caracterıstico σs. Ali, inicia-
se o processo de transformacao da configuracao martensıtica. Com o rearranjo
da estrutura cristalina, o material suporta grandes deformacoes com um pequeno
incremento de tensao, ilustrado pelo plato entre σs e σf . Os valores percentuais de
ε no grafico sao apenas ilustrativos e variam com o material. Apos transpassado o
limite dado por σf , a curva retorna a forma esperada para um metal. As inclinacoes
nas duas secoes elasticas nao sao necessariamente iguais. No ponto C, antes de
alcancar o limite de ruptura, a tensao e relaxada, voltando ao valor inicial, nulo, no
ponto D.
Apesar de estar livre de tensoes no ponto D, o material, neste momento, ja nao e
mais como no inıcio do ciclo, no ponto B. Isso se deve ao fato de que a reorientacao
9
martensıtica acontece apenas no aumento de tensao, nunca em seu alıvio. Assim,
quando a tensao torna a zero, o material retem a deformacao obtida na transicao
entre martensita maclada e nao maclada, em valores equivalentes ao do plato descrito
acima. O que se visualiza na macroescala e um material com aparente deformacao
plastica, mantendo o formato deformado.
Para que recupere sua forma original, efetivamente demonstrando a ”memoria
de forma”, o material deve ser submetido a um carregamento termico. Assim, a
partir do ponto D, ao ser aquecido e ao alcancar a temperatura caracterıstica As,
o metal passa por uma transformacao de fase. Nela, a microestrutura passa da
martensita para a austenita. Nesta transformacao, a estrutura cristalina passa por
um novo rearranjo e, ao chegar a temperatura Af , a macroestrutura e identica a
do inıcio do ciclo (ponto B), ou seja, a deformacao foi recuperada. Apesar disso, a
microestrutura neste ponto (F) e austenıtica. Por fim, com o resfriamento entre os
pontos F e B, passando pelas temperaturas Ms e Mf , uma ultima transformacao de
fase se completa, e a estrutura deixa de ser austenita e volta a martensita maclada.
Ao fim do ciclo, a liga com memoria de forma apresenta exatamente as mesmas
condicoes de tensao, deformacao e temperatura do inıcio, alem de possuir a mesma
estrutura cristalina. As etapas acima descrevem o efeito de memoria de forma de
sentido unico (do ingles one way shape memory effect), uma vez que a recuperacao
de forma se da apenas com o aquecimento. Existem materiais que conseguem ”lem-
brar”da sua forma tambem ao serem resfriados, e este efeito e conhecido como o
efeito de memoria de forma de sentido duplo (do ingles two way shape memory
effect), que foge do escopo deste trabalho.
2.1.2 Superelasticidade
O termo superelasticidade e usado para identificar o segundo efeito caracterıstico
das ligas com memoria de forma, e foi introduzido em 1958 por RACHINGER
[34]. Basicamente, designa a habilidade destes materiais em apresentar grandes
deformacoes, nao comuns as curvas elasticas dos metais, quando comprimidos ou
tracionados. Este comportamento so e observado quando o material encontra-se em
10
um estado de temperatura e tensao que garanta uma microestrutura austenıtica.
Tambem conhecido como pseudoelasticidade, este efeito baseia-se na transformacao
de austenita para martensita nao maclada a partir do tensionamento do material, se-
guido pela transformacao da martensita nao maclada novamente em austenita com o
relaxamento da tensao. Estas transformacoes sao conhecidas como direta e reversa,
respectivamente. Submetido a este ciclo quando em uma temperatura acima de Af ,
o material apresenta uma grande deformacao seguida de recuperacao completa da
forma inicial. A figura 2.3 representa a evolucao da microestrutura durante o pro-
cesso, alem de introduzir quatro novos parametros: σMs e σMf , que representam as
tensoes caracterısticas de inıcio e fim da transformacao direta, e as tensoes σAs e
σAf , que representam o inıcio e fim da transformacao reversa, respectivamente.
Austenita
Martensita
Não Maclada
Te
nsã
o
Temperatura
Figura 2.3: A microestrutura no efeito pseudoelastico de ligas com memoria
de forma. Fonte: Adaptado de LAGOUDAS E KUMAR [1].
A curva tensao-deformacao que representa este efeito e apresentada pela figura 2.4.
Nela, fica claro o laco de histerese do processo, uma vez que as tensoes caracterısticas
variam com o sentido da transformacao. Alem disso, o plato entre σMf e σAs ilustra
a grande deformacao recuperavel do material, o principal benefıcio deste efeito.
11
Figura 2.4: Grafico de histerese representativo do efeito de superelasticidade.
Fonte: Adaptado de PAIVA e SAVI [2].
E interessante notar que os dois efeitos caracterısticos das ligas com memoria de
forma possuem diversas semelhancas, mas sao essencialmente diferentes. Portanto,
sao adequados para aplicacoes distintas. O efeito de memoria de forma se da a me-
nores temperaturas, passa por tres diferentes microestruturas e caracteriza-se por
uma grande deformacao que e restituıda mediante aquecimento do material. A pseu-
doelasticidade se da a maiores temperaturas, passa por apenas duas microestruturas
e nao possui uma etapa intermediaria em que a deformacao e mantida na ausencia
de tensao. Assim, a restituicao da forma inicial e ato contınuo ao relaxamento da
tensao. A figura 2.5 mostra os dois efeitos lado a lado.
12
Figura 2.5: Diagrama tensao-deformacao-temperatura para ambos os efeitos
encontrados nas ligas com memoria de forma. Fonte: SANTANA [3].
2.2 Aplicacoes
Em sequencia a descoberta dos efeitos das ligas com memoria de forma, para-
lelamente aos estudos que buscavam entender, caracterizar e modelar o seu funci-
onamento, aplicacoes das mais variadas foram apresentadas, discutidas, postas a
prova e aperfeicoadas nas areas mais diversas do conhecimento. Hoje, muitas destas
aplicacoes ja estao consolidadas e mostram-se comercialmente lucrativas, enquanto
outras ainda estao em fase de desenvolvimento e apresentam enorme potencial. Ha
ainda um grupo de ideias em estagio embrionario, incognitas e apostas atuais.
A figura 2.6 mostra as principais areas de interesse comercial para as aplicacoes do
SMA, a partir de uma pesquisa realizada nos repositorios SCOPUS e USPTO sobre
patentes registradas nos Estados Unidos, e evidencia a predominancia do interesse
na area biomedica [4].
13
Figura 2.6: Percentual de patentes registradas nos EUA por area de interesse,
entre janeiro de 1990 e junho de 2013. Fonte: adaptado de MOHD et al. [4].
Para a area automotiva, o alto numero de sensores e atuadores presentes nos di-
versos sistemas que compoem um automovel apresenta o melhor e mais explorado
nicho para o uso de ligas com memoria de forma. A possibilidade de substituicao
de atuadores eletromagneticos e pneumaticos por essas ligas foi amplamente estu-
dada. Apesar disso, poucas solucoes mostraram-se comercialmente viaveis devido a
limitacoes do material, tais quais a vida util, estabilidade, temperatura de operacao,
entre outros [4]. Uma delas foi implementada no Corvette pela GM em 2013, re-
duzindo o peso de um equipamento que melhora a circulacao de ar no carro e a
manutencao de temperatura [35].
Na area de robotica, tambem foram desenvolvidos diversos usos, principalmente
como atuadores. Aqui, o desafio e alcancar dimensoes cada vez menores, com res-
postas cada vez mais rapidas, sem perder-se eficiencia e potencia. Entre as mais
interessantes, podem ser citadas a mao protetica desenvolvida por CHEE SIONG et
al [5], ilustrada na figura 2.7, e a roda de origami desenvolvida por FONSECA et
al [6], que apresenta duas configuracoes distintas que sao controladas por uma mola
de SMA, ilustrada na figura 2.8.
14
Figura 2.7: Protese de mao atuada por liga com memoria de forma. Fonte:
CHEE SIONG et al [5].
Configuração abertaConfiguração fechada
Configuração aberta
Configuração fechada
Figura 2.8: Roda metamorfa de origami atuada por liga com memoria de
forma. Fonte: adaptado de FONSECA et al [6].
Outra possibilidade interessante que e explorada com estes materiais e o seu uso
como amortecedores e controladores de sistemas dinamicos. Com a possibilidade
15
de alterar suas propriedades como a rigidez a partir de variacoes na temperatura,
estudos nesse sentido foram realizados, sendo exemplos o trabalho realizado por
ENEMARK et al [7] com osciladores, ilustrado pela figura 2.9 e o trabalho de SILVA
[36] com o controle da vibracao de rotores desbalanceados.
Figura 2.9: Sistema para avaliacao da capacidade de amortecimento e de
alteracao de rigidez de molas com memoria de forma. Fonte: adaptado de
ENEMARK et al [7].
Foi na area aeroespacial que se deu a primeira aplicacao comercial de ligas com
memoria de forma, com o uso destas para o acoplamento de tubos hidraulicos nos
cacas F14 no inıcio da decada de 70 [37]. Desde entao, diversas aplicacoes foram
estudadas, com usos para estruturas, atuacao, controle, entre outros. Uma interes-
sante aplicacao foi recentemente estudada por SANTANA [3], onde a possibilidade
do uso de molas de torcao e tracao fabricadas com SMA para a morfagem de winglets
foi analisada, ilustrada na figura 2.10. As molas de SMA sao usadas em oposicao a
molas comuns e atuadas por efeito joule.
No contexto biomedico, as ligas com memoria de forma possuem grande valor
por serem biocompatıveis, resistentes a corrosao e nao magneticas [4]. A primeira
16
Figura 2.10: Uso de molas de tracao e torcao na morfagem de winglets. Fonte:
SANTANA. [3].
aplicacao foi na ortodontia, quando em 1975 o Dr.Andreasen usou o SMA em um
aparelho dentario, explorando a pseudoelasticidade do material [38]. Os arames usa-
dos, ilustrados na figura 2.11, trabalham no plato da pseudoelasticidade e, portanto,
mantem a tensao necessaria mesmo com maiores deformacoes, permitindo maiores
correcoes dentarias.
Fio de SMA
Figura 2.11: Uso de fios de SMA na odontologia. Fonte: adaptado de PE-
TRINI e MIGLIAVACCA [8].
17
Alem da ortodontia, existem outras areas que valeram-se das caracterısticas unicas
das ligas com memoria de forma, entre elas a ortopedia, a neurocirurgia e a fabricacao
de instrumentos cirurgicos [8]. Porem, nenhuma de forma tao inovadora, criativa
e util quanto as aplicacoes desenvolvidas para o sistema cardiovascular. O uso do
SMA permitiu o desenvolvimento de tecnicas bem menos invasivas, como o caso
da oclusao do septo atrial, em que um dispositivo em forma de estrela-do-mar e
usado para fechar buracos entre os atrios do coracao. Este dispositivo e introduzido
dobrado, e expande-se no local correto a partir do efeito de memoria de forma,
fechando a cavidade [1], e e ilustrado pela figura 2.12a.
(a) (b) (c)
Figura 2.12: (a) Dispositivo de oclusao do septo atrial. (b) Filtro de Simon. (c)
Stent auto-extensıvel de SMA. Fonte: adaptado de PETRINI e MIGLIAVACCA [8]
e LAGOUDAS e KUMAR [1].
Porem, a primeira aplicacao cardiovascular foi o filtro de Simon, representado na
figura 2.12b. Este pequeno dispositivo e usado para bloquear coagulos na corrente
sanguınea. O efeito de memoria de forma e usado na insercao do filtro, que e fechado
dentro de um cateter e introduzido no local correto. Quando liberado, a temperatura
da corrente sanguınea e suficiente para que ocorra a mudanca de fase, fazendo com
que o dispositivo recupere sua forma inicial, abrindo-se [8].
A figura 2.12c demonstra um stent fabricado por uma rede de SMA. Um stent
e um objeto cilındrico expansıvel, que e usado para desobstruir arterias, liberando
a corrente sanguınea no local. Na configuracao fechada, e inserido pelo sistema
18
cardiovascular e, ao chegar ao local da obstrucao, e expandido, alargando a passagem
e permitindo o fluxo. Normalmente, essa expansao e feita por pequenas bexigas de
ar, que inflam e deformam o metal. Porem, parte desta deformacao e perdida na
recuperacao da deformacao elastica e por isso muitas vezes estes stents precisam
ser expandidos mais que a largura necessaria na arteria, podendo causar danos a
mesma. Quando o stent e fabricado a partir de SMA, esta expansao e realizada com
o efeito de memoria de forma, no contato do stent com a temperatura da corrente
sanguınea. Alem de nao realizar uma expansao acima da desejada, ele tambem pode
moldar-se a forma da cavidade, o que nao acontece com os stents tradicionais, de
aco inoxidavel, que sao normalmente apenas circulares.
Esta secao evidencia o carater extremamente versatil das ligas com memoria de
forma, e mostra que podem ser exploradas nos mais variados campos e necessida-
des. Nem sempre mostram-se viaveis, mas em muitos casos alcancaram sucesso
comercial ou ao menos funcional. Assim, fica clara a oportunidade de explorar sua
utilizacao nas mais improvaveis areas, tornando valida a proposta deste trabalho e
sua tentativa de aplica-las a geracao de energia.
19
Capıtulo 3
Motores Termicos de SMA
Este capıtulo dedica-se a realizar uma revisao bibliografica dos trabalhos realiza-
dos com motores cuja forca motriz e a transformacao de fase em ligas com memoria
de forma, desvendando as origens e os trabalhos mais atuais, assim como a aplica-
bilidade e factibilidade dos projetos.
3.1 Trabalhos Iniciais
Em 1973, no laboratorio Lawrence Berkely, na Universidade da California, o cien-
tista Ridgway M. Banks inventou o que viria a ser nao so o primeiro motor termico de
SMA, como tambem o primeiro motor termico de fase solida. Uma roda semelhante
a de bicicletas, com arames radiais, mas com o eixo excentrico, constitui a base da
invencao. Nos arames, como representado na figura 3.1, sao dispostos fios de SMA
flexionados, com liberdade para estenderem-se. Abaixo da roda, que e posicionada
horizontalmente, ficam duas bacias: uma com agua quente e outra com agua fria,
estando aquela a uma temperatura superior a Af , e esta a uma temperatura inferior
a Mf . Ao entrar em contato com a agua quente, o fio, que antes estava flexionado,
estende-se rapidamente e com forca, gerando uma componente nao nula - gracas a
excentricidade - na direcao tangencial, que imprime uma rotacao ao conjunto. Ao
entrar em contato com a agua fria, os fios perdem a tensao e, por estarem submeti-
dos a uma forca centrıpeta, aliada a geometria do dispositivo, retornam a sua forma
inicial. [9].
20
Lado
Quente
Lado
Frio
Figura 3.1: Desenho esquematico do motor termico de Ridgway M. Banks.
Vista Superior. Fonte: adaptado de US03913326 [9].
Surpreendentemente, a invencao operou por mais de 23 milhoes de ciclos com
os fios originais, sem intercambio de pecas ou constituintes [10]. Na configuracao
original, com 20 arcos de NiTinol e uma diferenca de 23oC entre as temperaturas, o
motor girou a 65 rpm, entregando aproximadamente 0.2W [9] E possıvel assumir que
houve grandes perdas de energia no atrito entre as argolas em movimento e a agua,
alem das perdas por irreversibilidade e a tendencia a equalizacao das temperaturas
dos recipientes com o tempo, ja que o calor e trocado entre as duas bacias por
intermedio dos fios, que o transportam.
Alguns anos apos a invencao de Ridgway M. Banks, em 1977, foi a vez de Alfred
D. Johnson patentear a sua invencao nos Estados Unidos da America, identificada
pelo codigo US4055955. Na figura 3.2, temos as duas versoes do dispositivo, que
diferenciam-se pela forma de sincronizacao entre as polias. Ambas baseiam-se em um
mesmo princıpio de funcionamento: uma mola, fabricada a partir de uma liga com
memoria de forma, tem suas extremidades unidas em um ciclo e e deformada de modo
21
a aumentar seu comprimento inicial. Nesta configuracao, e ajustada a um conjunto
de polias. Em uma parte do percurso, e submetida a uma temperatura maior que
Af e, em outra, a uma temperatura menor que Mf . Assim, formam-se duas regioes
na mola, uma austenıtica e outra martensıtica. A regiao exposta a temperatura
mais elevada se contrai com a transformacao de fase, gerando uma diferenca de
tensao e torque entre as duas porcoes que, por consequencia, gera rotacao. Por
estarem sincronizadas, a porcao resfriada deforma-se quando da contracao da porcao
aquecida, permitindo assim a repeticao do ciclo.
Água FriaÁgua
Quente
(a)
ÁguaQuente
ÁguaFria
(b)
Figura 3.2: (a) Modelo de motor de sincronizado por engrenagens. (b) Versao
modificada do projeto a, sincronizando as polias por compartilhamento de eixo.
Fonte: adaptado de WAKJIRA [10].
O modelo proposto por JOHNSON [39] e a inspiracao para o dispositivo apresen-
tado neste trabalho, sendo uma mistura entre as possibilidades ilustradas em 3.2a e
3.2b. Apesar de nao apresentar a maior eficiencia entre os modelos que serao apre-
sentados neste capıtulo, a reproducao desta invencao justifica-se pela simplicidade
de componentes, fabricacao, montagem e explanacao. Como parte do objetivo do
presente trabalho e evidenciar a possibilidade do uso de ligas com memoria de forma
para a geracao de energia, esta simplicidade e extremamente importante.
22
3.2 Progresso Historico e Desenvolvimento
O dispositivo desenvolvido por Ridgway M. Banks impulsionou o interesse pelos
motores termicos de estado solido, inspirando as mais diversas invencoes, sendo elas
adaptacoes ou ideias totalmente distintas. Entre o fim da decada de 70 e meados da
decada de 90, inumeras patentes foram registradas contendo projetos e prototipos
de motores de SMA. Com isso, tornou-se interessante cataloga-las, agrupando-as a
partir de caracterısticas em comum. O primeiro trabalho mais robusto neste sentido
foi apresentado por FUNAKUBO [40], em que o princıpio de funcionamento foi
adotado como criterio de definicao dos grupos. O trabalho propos quatro categorias:
manivela, turbina, motores de campo e miscelanea (diversos), do ingles offset crank
engines, turbine engines, field engines e miscellaneous.
Com o passar do tempo, esta divisao tornou-se em parte obsoleta, uma vez que o
ultimo grupo e vago e compreende designs muito distintos entre si. Em vista disso,
SCHILLER [14] expandiu, em 2002, a divisao para 6 novas categorias: manivela,
polia, motores de campo, placas oscilantes, alternativos e sequenciais. Com este
novo agrupamento, torna-se mais clara a fronteira que difere diferentes dispositivos,
mas com uma alteracao no criterio: aqui, a construcao e os componentes mecanicos
sao tao importantes quanto o princıpio de funcionamento. Ainda, os motores de
manivela e polia sao divididos entre sincronizados e nao-sincronizados, conceito que
sera detalhado neste capıtulo. Apresentam-se, a seguir, algumas destas categorias,
incluindo detalhes de funcionamento e exemplos patenteados. Como o design pro-
posto neste trabalho enquadra-se na categoria de polias, faz sentido dar-lhe destaque
e maior aprofundamento
3.2.1 Motores de Polia
Motores de polia caracterizam-se pela presenca de um ciclo contınuo de SMA,
como uma correia, que e posicionada ao redor de um conjunto de polias. Esta
correia pode ser um fio, diversos fios lado a lado, uma fita ou ate mesmo uma mola,
fabricados a partir de ligas com memoria de forma. Baseiam-se no atrito entre o
elemento e a polia para transmitir o movimento.
23
O modelo mais simples e constituıdo por duas polias com diametros diferentes e
um fio de liga de memoria de forma, como ilustrado na figura 3.3. Ao posicionar-se
o fio ao redor das polias, este assume uma nova forma, deformada, que se mantem
gracas a reorientacao da fase martensıtica - primeiro passo do efeito de memoria
de forma. Ao entrar em contato com agua quente (ou outra fonte de calor), o fio
tesiona-se. E importante notar que esta tensao e simetrica em relacao ao eixo e,
portanto, o conjunto nao movimenta-se automaticamente. Porem, ao receber uma
forca externa que determine a direcao do movimento, o conjunto passa a girar.
Outra alternativa e imprimir uma inclinacao ao conjunto, tirando o equilıbrio entre
os torques, fazendo com que o movimento se inicie automaticamente. Estas duas
configuracoes sao expressadas na figura 3.4.
Água quente
Figura 3.3: Desenho esquematico de um motor de SMA de polia simples.
Fonte: adaptado de US4117680. [11].
Este modelo mais simples foi melhorado com o decorrer dos anos, a partir de mo-
dificacoes estruturais. A insercao de uma polia intermediaria tensionante, ilustrada
na figura 3.5, que tira o equilıbrio entre os torques na polia inferior aumenta de
24
Elemento
SMA
Água Quente
(a) (b)
Figura 3.4: (a) Esquema de torques sem inclinacao do conjunto de polias. (b)
Esquema de torques com inclinacao do conjunto de polias. Fonte: adaptado de
AKAGI et al [12].
forma significativa a potencia de saıda do equipamento [12]. Alem disso, uma outra
melhoria interessante e a troca do fio por superfıcies como fitas, que aumentam a
troca de calor.
Polia Superior
Polia Intermediária
Sentido de Rotação
PoliaInferior
Água Quente
Distância de tensionamento
Ângulo de Instalação
Figura 3.5: Esquema de dispositivo com polia intermediaria. Fonte: adaptado
de AKAGI et al. [12].
25
Quando trata-se de dispositivos de polia, a divisao entre os sincronizados e nao-
sincronizados faz-se necessaria. A diferenca entre estes grupos consiste na presenca -
ou nao - de um elemento sincronizante entre as polias, isto e, um elemento mecanico
que estabeleca uma relacao fixa entre suas velocidades de rotacao. Ha diversas
possibilidades, como correias, engrenagens, correntes, compartilhamento de eixo,
entre outras. Os dispositivos apresentados nas figuras 3.3 e 3.5 sao exemplos de
motores nao sincronizados.
A figura 3.6 ilustra a segunda classe de motores de polia, os chamados sincroni-
zados. Um conjunto secundario de polias e correntes sincroniza o movimento das
polias pelas quais passa a mola de liga de memoria de forma. A sincronizacao permite
transmitir a tensao causada pela deformacao da porcao aquecida, movimentando e
deformando a porcao resfriada. Aqui, enquadra-se o modelo proposto por Alfred
Davis Johnson, apresentado na secao que abre este capıtulo. Nele, a sincronizacao
se da pelo compartilhamento de um mesmo eixo.
Aquecimento
Resfriamento
Corrente Sincronizadora
Mola de SMA
Figura 3.6: Esquema de dispositivo com polias sincronizadas. Fonte: adap-
tado de BROWNE et al. [13].
Na maioria das vezes, a sincronizacao e utilizada em dispositivos com molas de
SMA, ja que estas apresentam maiores deformacoes lineares e, portanto, a relacao
26
entre velocidades dos dois trechos (quente e frio) e mais crıtica. Sincronizando-os, a
relacao entre as deformacoes nas regioes quente e fria e fixada, alem da velocidade
com que cada trecho ira movimentar-se. No dispositivo apresentado na figura 3.6,
o aquecimento da mola gira a polia da esquerda. Como estao sincronizadas, a polia
da direita ira girar, puxando a mola tensionada no lado aquecido e impulsionando a
porcao resfriada. Com isso, obtem-se o movimento. Para isso e necessario, porem,
um impulso inicial.
3.2.2 Motores de Manivela
Motores de manivela sao definidos pela presenca de elementos de liga de memoria
de forma conectados de forma excentrica a um eixo, de tal modo que seu movimento
alternativo transforme-se em rotacao. A figura 3.7 ilustra um exemplo desenvol-
vido por SCHILLER [14]. Nele, fios de SMA sao conectados entre duas rodas de
diametros distintos e, quando em contato com agua quente, contraem-se, movimen-
tando o conjunto. Como as duas rodas sao sincronizadas, o movimento e transmitido,
permitindo assim que o ciclo se repita.
Quente
Direção de
Rotação
Elemento resfriado
Elemento aquecido
Frio
Elemento sincronizante
Figura 3.7: Esquema de dispositivo de manivela sincronizado. Fonte: adap-
tado de SCHILLER. [14].
27
Este e apenas um dos exemplos dos motores a manivela que, assim como os de
polia, foram largamente explorados. Neles, tambem ha a divisao entre sincronizados
e nao-sincronizados, com a mesma definicao usada anteriormente. Nesta categoria
enquadra-se o modelo de Banks, apresentado na abertura deste capıtulo.
3.2.3 Motores de Campo
Motores de campo sao aqueles que trabalham contra forcas de campo, de forma
que possam usar-se dessas para fechar o ciclo de transformacao das ligas com
memoria de forma. Geralmente, o elemento parte de uma condicao inicial e e aque-
cido, gerando trabalho ao fim da transformacao, chegando a uma configuracao di-
ferente da inicial. Neste momento, a forca de campo entra em cena, restaurando a
condicao inicial. Outra forma e a variacao da densidade entre trechos de um ciclo
ao aproximarem-se seus elementos com o aquecimento de um fio que os una. Desta
forma, um trecho do ciclo fica mais denso e portanto a forca do campo sobre ele e
maior. A figura 3.8 exemplifica um destes dispositivos.
Figura 3.8: Esquema de motor de campo magnetico. Fonte: adaptado de
US4027479. [15].
28
3.2.4 Outros
Por mostrarem-se menos difundidos ou promissores, os motores alternativos, se-
quenciais e placas oscilantes serao apresentados nesta mesma secao.
A comecar pelos alternativos, grupo que e caracterizado pelo aproveitamento dos
movimentos lineares alternativos de um elemento de liga de memoria de forma para
realizar trabalho a partir de uma diferenca entre temperaturas. O movimento al-
ternado e transmitido para um conjunto mecanico ou pistao, como no exemplo da
figura 3.9. O maior desafio dos motores deste tipo e a aplicacao do ciclo termico,
uma vez que os componentes nao se deslocam de uma regiao para a outra (dife-
rentemente dos exemplos em que o elemento de SMA desloca-se entre duas regioes
de temperaturas distintas). Geralmente, sao expostos a fluxos de fluidos, o que
compromete a eficiencia por causa da necessidade de bombas.
Figura 3.9: Esquema de motor alternativo de SMA. Fonte: adaptado de
US4434618. [16].
Motores de placas oscilantes sao similares aos de manivela, no sentido de transfor-
marem o movimento linear do SMA em rotacao. Porem, diferenciam-se pela direcao
do eixo de rotacao em relacao a forca obtida do elemento de liga de memoria de
forma. Um exemplo e ilustrado pela figura 3.10. Ao expor uma porcao das molas
ao calor, elas se contraem, gerando uma forca. A componente tangencial desta forca
e o que move o aparato [22].
29
Mola de
SMA
Figura 3.10: Esquema de motor de placas oscilantes. Fonte: adaptado de
TOBUSHI et al. [17].
Por fim, motores sequenciais sao aqueles em que o deslocamento e dado por peque-
nos e potentes passos, onde uma das extremidades do aparato estende-se e posteri-
ormente puxa a outra extremidade, num movimento similar ao de uma lagarta. Este
grupo e extremamente singular e pouquıssimo explorado, mas tem seus exemplos,
como o dado pela figura 3.11.
Figura 3.11: Esquema de motor sequencial. Fonte: adaptado de US5901554.
[18].
30
3.3 Resultados Alcancados
Apos a apresentacao dos diversos conceitos e designs desenvolvidos, patenteados
e testados, faz-se essencial a discussao dos resultados alcancados com alguns destes
motores. Assim, essa secao dispoe e destrincha resultados observados na literatura,
comparando-os entre eles e com as outras tecnologias apresentadas no comeco deste
trabalho. Com isso, e possıvel analisar de forma crıtica a factibilidade de tais apa-
ratos.
A figura 3.12 apresenta dois prototipos de motores a manivela. A 3.12a ilustra
o dispositivo testado experimentalmente por IWANAGA et al [19] e modelado por
ZHU et al [41]. Com esta montagem, foram possıveis torques de ate 0.6 N.m,
velocidades de ate 160rpm e uma potencia de ate 1.6W, operando entre 90oC e a
temperatura ambiente (entre 12-15oC). O pico de potencia deu-se proximo a 40rpm,
com um torque aproximado de 0.4 N.m e 1.6W. Ja SCHILLER [14], em seu trabalho
ilustrado pela figura 3.12b, alcancou velocidades maximas de apenas 26.7rpm, e
previu por modelos matematicos e computacionais uma potencia maxima de saıda
na ordem de 1W para rotacoes na ordem de 10rpm, operando entre 25oC e 85oC.
Mola de SMA
Eixo de saída
Eixo deManivelas
Engrenagens
(a)
Elemento de SMA
Elemento
Sincronizante
(b)
Figura 3.12: (a) Esquema de motor de manivela utilizado por IWANAGA et al.
Fonte: adaptada de IWANAGA et al [19]. (b) Aparato experimental desenvolvido
por SCHILLER. Fonte: adaptado de SCHILLER. [14].
Apresentados na figura 3.13 estao dois dispositivos distintos do tipo alternativo.
Na imagem 3.13a, ilustra-se o motor desenvolvido por SAKUMA e IWATA [20].
31
Nele, enquanto um elemento de SMA e aquecido, o outro e resfriado. Ambos sao
conectados a uma alavanca, que transmite o movimento de um para o outro. Assim,
ao submete-los a ciclos termicos alternantes, eles realizam um movimento alterna-
tivo. E importante notar que parte do trabalho realizado pelo elemento aquecido
e usada para deformar o elemento resfriado, possibilitando a continuidade do ciclo.
Com este aparato, foi observada uma potencia maxima de saıda de 1W, operando
entre 293K e 363K.
Aquecimento Resfriamento Aquecimento
Resfriamento
AlavancaAlavanca
(a)
Aquecimento Resfriamento
Fio de SMA
Mola
linearEixo com catraca
unidirecionalO eixo Gira Eixo não gira
Pino
Alavanca
(b)
Figura 3.13: (a) Motor alternativo desenvolvido por SAKUMA e IWATA. Fonte:
adaptada de SAKUMA e IWATA [20]. (b) Motor alternativo de SMA desenvolvido
por KANEKO e ENOMOTO. Fonte: adaptado de KANEKO e ENOMOTO. [21].
Observa-se, na figura 3.13b, o motor alternativo de liga com memoria de forma
desenvolvido por KANEKO e ENOMOTO [21]. Nele, um conjunto de valvulas
regula um fluxo alternado de agua fria e quente que flui por um elemento de SMA.
Ao ser aquecido, este contrai-se, vencendo a mola linear e rodando um eixo. Ao
ser resfriado, perde a tensao e e deformado pela mesma mola. Porem, nesta etapa,
uma catraca unidirecional nao permite a rotacao do eixo, fazendo com que ele gire
sempre no mesmo sentido durante todos os ciclos. Este equipamento entregou uma
potencia maxima de 0.1W a 35rpm, operando entre 23oC e 85o.
Um modelo de motor de placas oscilantes, ilustrado na figura 3.14 e desenvol-
vido por TOBUSHI et al [42], vale-se do princıpio anteriormente explanado para
movimentar-se, alcancando velocidades angulares de ate 120rpm, com potencia
maxima de 1.6W e densidade de potencia de 1.08 W/g.
32
Molas de SMA
Figura 3.14: Esquema de motor de placas oscilantes prototipado por TO-
BUSHI et al. Fonte: adaptado de TOBUSHI et al. [22].
Na figura 3.15, temos dois modelos de motores de polia. O primeiro, ilustrado
pela figura 3.15a, e o design mais simples desta categoria, contando apenas com
duas polias, um fio de SMA e uma diferenca de temperaturas. Com ele, AVIROVIK
et al [23] apresentam resultados indicando velocidades de ate 400rpm e potencias
calculadas de 2.5mW, sendo efetivamente gerados 1.6mW de potencia eletrica a
partir de um gerador acoplado. Ja no esquema ilustrado pela figura 3.15b, ha um
aparato praticamente semelhante, com apenas uma pequena diferenca: a presenca
de uma polia tensionadora, assim como a da figura 3.5. Os resultados demonstram
potencias de ate 160mW, sendo em media 40mW superiores aos resultados dos
experimentos realizados no mesmo aparato, mas sem a presenca deste tensionamento
[12].
Por fim, ilustrado pela figura 3.16a esta um motor de polias com sincronizacao
e tensionamento. Operando entre 20oC e 200oC, os experimentos retornaram va-
lores de ate aproximadamente 350rpm, com uma densidade de potencia de ate
110mW/g. Ja na figura 3.16b, temos o equipamento de multiplas polias desen-
volvido por MANDZHAVIDZE et al [24], que entregou incrıveis 7W de potencia a
33
95oC.
Gerador
Polia resfriada
Polia aquecida
Fonte
Quente
Ventoinha
(a)
SensoresPolia
Tensionadora
Polia Superior
Polia InferiorÁgua quente
(b)
Figura 3.15: (a) Esquema de motor de polias de AVIROVIK et al. Fonte: adaptada
de AVIROVIK et al [23]. (b) Aparato experimental para motor de polias com fitas
de SMA e polia tensionadora desenvolvido por AKAGI et al. Fonte: adaptado de
AKAGI et al [12].
Elemento
Sincronizante
Ar quente
Ar frio
Ciclos paralelos
de SMA
(a)
Água quente
Elemento de SMA
Polia
(b)
Figura 3.16: (a) Prototipo de motor de polias sincronizado desenvolvido por
BROWNE et al. [13]. (b) Motor de polias sincronizadas multiplas desenvolvido
por MANDZHAVIDZE et al [24].
A tabela 3.1 sumariza os dados apresentados nesta secao, e evidencia a baixa
potencia gerada por estes motores. Apesar disso, e importante notar que os gerado-
res feitos a partir de materiais termoeletricos apresentam potencias na mesma ordem
34
em temperaturas mais elevadas e com baixıssimas eficiencias perto dos 100oC [27].
Portanto, estes dados mostram-se extremamente relevantes, evidenciando a factibi-
lidade do uso destes aparatos em menores escalas, para baixas temperaturas. Ao
compara-los entre sı, e possıvel notar que motores de polias simples possuem altas
velocidades, mas baixa potencia, enquanto aqueles a manivela e de placas oscilantes,
apesar de mais lentos, entregam maiores potencias. O dispositivo de MANDZHA-
VIDZE et al [24] apresentou uma potencia fora da curva, bem acima das demais, e
apresenta portanto grande potencial.
Tabela 3.1: Resultados experimentais de motores de liga de memoria de formaTipo de Motor Temperaturas de Operacao (oC) Velocidade Angular Maxima(rpm) Potencia Maxima Referencia
Manivela 15-90 160 1.5W IWANAGA et al [19]
Manivela 25-85 26.7 1W SCHILLER [14]
Alternativo 20-80 - 1W SAKUMA e IWATA [20]
Alternativo 23-85 60 0.1W KANEKO e ENOMOTO [21]
Placas Oscilantes Ambiente - 90 120 1.6W TOBUSHI et al [42]
Polia Ambiente - 71 480 2.5mW AVIROVIK et al [23]
Polia 23-80 - 0.16W AKAGI et al [12]
Polia Sincronizada 20-200 350 110mW/g BROWNE et al [13]
Polia Sincronizada Ambiente - 95 - 7W MANDZHAVIDZE et al [24]
35
Capıtulo 4
Construcao do Prototipo e seu
Aparato Experimental
Este capıtulo visa demonstrar as diversas etapas entre a concepcao inicial do
projeto e sua versao final, assim como a elaboracao de todo o aparato experimental
necessario para realizar as medicoes de interesse.
4.1 O Prototipo
O objetivo que norteou este trabalho foi a reproducao de um motor de SMA fun-
cional, a baixo custo, que evidenciasse de forma simples o potencial das ligas de
memoria de forma na colheita de energia. Tendo isso em vista, entre os diversos de-
signs aqui dispostos, foi escolhido um que melhor cumprisse com estas necessidades.
Por sua simplicidade, aliada aos interessantes resultados em termos de velocidade
e potencia para um equipamento extremamente compacto, o modelo proposto por
JOHNSON, apresentado na figura 3.2b e explanado na secao 3.1 foi aqui adotado
como inspiracao. Algumas modificacoes foram realizadas, como o uso de engrena-
gens sincronizadoras e reguladores de distancia entre as polias, que serao exploradas
mais a fundo nesta presente secao.
4.1.1 O Projeto
Antes de fabricar o motor, e necessaria a elaboracao de um projeto determinando-
se dimensoes, relacoes mecanicas, componentes necessarios, materiais e procedi-
36
mento de montagem. Para isso, o equipamento e inteiramente modelado por meio
de desenhos computacionais, que posteriormente servirao tambem como base para
a manufatura. Cada peca e desenhada separadamente e todas sao unidas na mon-
tagem final. A figura 4.1 ilustra a montagem do projeto em sua versao final visando
facilitar o entendimento do processo de concepcao a partir daqui.
(a) (b) (c)
Figura 4.1: (a) Vista isometrica da montagem final. (b) Vista frontal da montagem
final. (c) Vista lateral da montagem final.
Nota-se que o numero de componentes e relativamente pequeno, sendo o motor
constituıdo por: uma estrutura central de suporte, duas engrenagens, quatro polias,
quatro eixos (parafusos), seis rolamentos e um parafuso central para unir toda a
estrutura, alem da mola de liga com memoria de forma (que nao esta nas imagens).
Sao utilizadas porcas e arruelas para a montagem. Destes itens, sao fabricados os
suportes, as polias e as engrenagens.
O ponto mais importante do projeto sao as engrenagens, ja que definem a relacao
entre as velocidades das polias pelas quais passam as porcoes aquecida e resfriada
da mola de liga com memoria de forma. Isso tem a implicacao mais profunda de
determinar exatamente qual e a relacao entre os tamanhos destas regioes da mola,
a menos que ocorram pequenos escorregamentos das espiras em relacao as polias.
37
Neste caso, utiliza-se a relacao de 3:1 entre as engrenagens. Com isso, para que
ocorra o fluxo contınuo e sem escorregamento do material, e necessario que a porcao
deformada (resfriada) tenha 3 vezes a densidade da porcao tensionada (aquecida),
isto e, o comprimento do passo entre as espiras da porcao resfriada deve ser o triplo
do da aquecida. Assim, no funcionamento, a mola e deformada e deve restituir-se a
um terco do seu tamanho ao entrar em contato com a agua quente. A escolha deste
valor tem por objetivo evitar a inducao de deformacoes plasticas na mola.
A partir daı, simplifica-se o projeto dos componentes restantes. A estrutura prin-
cipal, que sustenta as polias, e dividida em tres partes com o intuito de facilitar
a producao por manufatura aditiva. Duas dessas partes sao iguais, representadas
pela figura 4.2a. Estes componentes sao usados para sustentar as polias superiores,
com o auxılio do eixo, tambem presente na figura supracitada. Como estas polias
compartilham o eixo com suas respectivas engrenagens, a distancia vertical entre
os seus centros e fixada, de modo a permitir a operacao. Com isso, apenas duas
posicoes sao possıveis neste suporte, determinadas pelos dois furos passantes. Outro
furo passante, na base do suporte, permite a uniao posterior entre as tres pecas por
meio de um fuso.
(a) (b)
Figura 4.2: (a) Suporte de uma das polias superiores com eixo montado em uma das
duas posicoes. (b) Suporte das polias inferiores com as polias montadas em balanco
nos respectivos eixos.
38
A terceira peca desta estrutura central e representada pela figura 4.2b, e diferencia-
se das duas anteriores principalmente pelo fato de sustentar duas polias ao mesmo
tempo, que sao montadas em balanco nos seus respectivos eixos. Alem disso, os
quatro furos passantes nas pernas da estrutura servem para permitir o ajuste da
posicao das polias, tornando a geometria regulavel, assim como a deformacao inicial
que e dada a mola ao posiciona-la no equipamento.
Um ultimo ponto que e importante para o funcionamento do equipamento e que
os vaos das polias devem estar alinhados, fazendo com que a mola nao tenha in-
clinacoes indesejadas e possa movimentar-se livremente, com as componentes das
forcas na direcao correta em relacao as polias (perpendiculares ao seus eixos). As-
sim, a geometria dos suportes e das polias e dimensionada com o intuito de garantir
um posicionamento como o ilustrado na figura 4.3. Este dimensionamento tambem
garante o alinhamento entre as engrenagens.
Figura 4.3: Vista superior da montagem, evidenciando alinhamento entre os
vaos das polias.
Durante o desenvolvimento, outras alternativas foram analisadas, tendo sempre
como foco principal a facilidade de fabricacao, montagem e entendimento.
39
4.1.2 Manufatura dos Componentes
Desde a concepcao inicial, o uso da manufatura aditiva para a fabricacao das
pecas da estrutura do motor estava definida como solucao. Alem de baixo custo,
o metodo e moderno e extremamente versatil, adaptavel e flexıvel, sendo portanto
adequado para a necessidade. Para a fabricacao da mola, uma revisao da literatura,
explorada mais a frente nesta secao, forneceu as informacoes necessarias. Por fim, a
montagem se da de forma simples, utilizando componentes disponıveis no mercado,
como parafusos, porcas e arruelas.
A impressora 3D a ser utilizada e a Ultimaker 2, que opera com os plasticos ABS
e PLA, e possui uma area de impressao de 23x22.5x23cm. Com isso, as primeiras
limitacoes ficam evidentes: o material e o tamanho maximo de cada componente.
O tamanho nao teve interferencia no projeto. Porem, a restricao quanto ao mate-
rial e importante e teve influencia direta no projeto: ambos os plasticos possuem
temperaturas de transicao vıtrea relativamente baixas, o que limita as temperaturas
de operacao do motor. A temperatura de transicao vıtrea define a temperatura na
qual o plastico apresenta degradacao, perdendo propriedades mecanicas, e varia em
torno de 62oC para o PLA e 95oC para o ABS [43] [44] [45].
As pecas sao fabricadas de forma independente, partindo dos desenhos apresenta-
dos anteriormente. Os desenhos dos componentes sao tratados separadamente com
o auxılio do software Cura, disponibilizado pela Ultimaker, onde e possıvel deter-
minar os parametros de impressao. Em linhas gerais, sao utilizadas velocidades de
impressao entre 40-70mm/s, com preenchimentos variando de 20-40%, sendo maior
para as pecas centrais de estrutura. Para as camadas, alturas de 0.1mm, um pouco
mais finas que o padrao, de modo a garantir uma melhor superfıcie e, alem disso,
possibilitar a manufatura de camadas suspensas sem o uso de suportes (estruturas
auxiliares fabricadas para suportar o material acima e que devem ser removidas apos
o termino da impresao). Estes suportes sao evitados em todos os componentes, ga-
rantindo tambem a qualidade da superfıcie. Nas camadas de base e topo, alem das
paredes, sao utilizadas espessuras proximas a 1mm, visando o total preenchimento
das mesmas, nao permitindo que as pecas apresentem superfıcies vazadas.
40
Somente as engrenagens e os suportes superiores sao fabricados com PLA, uma
vez que nao entram em contato com a agua, e nem com a mola aquecida. Para
eles, o bico extrusor e aquecido a temperaturas entre 190-210oC e a mesa a 50oC.
As pecas produzidas foram satisfatorias, nao apresentando maiores problemas na
impressao. Para os outros componentes, o uso do ABS trouxe uma complicacao:
um efeito conhecido como warp e muito comum para este plastico. Basicamente,
caracteriza-se pelo fato do material recem depositado contrair-se e curvar-se, gerando
uma deformacao em relacao a forma original. Visando evitar esse fenomeno, a mesa
e aquecida a 90oC, com o bico extrusor operando entre 225 e 250oC. Alem disso, a
mesa recebe uma camada de cola, pratica comum que auxilia a fixacao dos compo-
nentes. Apos algumas tentativas frustradas e diversas alteracoes nos parametros de
impressao, todos os componentes foram fabricados de forma satisfatoria.
4.1.3 Fabricacao da Mola de SMA
A fabricacao da mola de SMA buscou inspiracao nos metodos descritos por ENE-
MARK et al [46] e FOLLADOR et al [47], que consistem em enrolar um fio de
SMA na rosca de um fuso, conformando-o e, apos fixar suas pontas, submeter o
conjunto a um tratamento termico. Neste tratamento, o fio conformado e aquecido
ate uma determinada temperatura, que e mantida por alguns minutos e, ao fim,
resfriado rapidamente em agua. No trabalho aqui disposto, a temperatura utilizada
e de 450oC e o tempo de patamar, 30 minutos. A agua, na etapa final, encontra-se
a temperatura ambiente. Para tal, utiliza-se um forno Mufla, ilustrado na figura
4.4a. A mola apos o tratamento termico, assim como o fuso utilizado, podem ser
visualizados na figura 4.4b. Nota-se a presenca de porcas na extremidade do fuso
que sao utilizadas para travar as extremidades do fio.
Ao fim do tratamento, o fio assume a forma a qual e conformado com dimensoes
dadas pelas da rosca escolhida. Neste projeto, utiliza-se uma rosca N10 (3/16”.24)
UNC - rosca unificada grossa. Esta rosca apresenta um diametro maximo do nucleo
de aproximadamente 4mm, e um passo pouco maior que 1mm (24 fios por pole-
gada). Assim, a mola possui um diametro externo proximo aos 5mm, ao somar-se
ao diametro do nucleo o diametro do fio e tambem a distancia entre fio e nucleo
41
(a) (b)
Figura 4.4: (a) Forno utilizado no tratamento termico da mola. (b) Mola apos o
tratamento termico ao lado do fuso utilizado.
da rosca. Alem disso, a mola e produzida com 216 espiras, totalizando 9 polegadas
de comprimento, ou 228,6mm. Um dos desafios desta fabricacao e a uniao entre as
duas pontas da mola, fechando-a num ciclo. A utilizacao de solda nao mostrou-se
uma opcao interessante, visto que o calor poderia trazer alteracoes microestruturais
nao desejaveis. Algumas alternativas foram testadas, e a melhor solucao encontrada
foi uni-las utilizando linha de costura, amarrando-as. Esta solucao, apesar de apa-
rentemente simples, provou ser a de menor impacto na continuidade do ciclo, alem
de nao desbalancea-lo, resistindo as tensoes geradas.
Para que atendesse a necessidade da operacao a temperaturas menores que os
100oC, as temperaturas caracterısticas da liga com memoria de forma utilizada
no fio, apresentadas anteriormente, estavam tambem limitadas. Essencialmente,
a transformacao de fase austenıtica deveria estar completa antes dos 100oC, com
alguma margem. Alem disso, seria interessante que a transformacao reversa, de
austenita para martensita, se concretizasse em temperaturas superiores a 0oC, uma
vez que, dos metodos de resfriamento mais simples, o com a menor temperatura
seria com o uso de gelo. Complementando estas duas limitacoes ha ainda o fato de
que, quando em operacao, o fio estaria necessariamente tensionado, levando a uma
42
variacao das temperaturas caracterısticas no sentido de seu acrescimo. Tendo todos
estes fatos em vista, encontrar uma liga que atendesse a estes criterios nao foi tarefa
facil, dificultada ainda mais pelos obstaculos comerciais da compra de quantidades
pequenas de um material tao especıfico. Sendo assim, e entendıvel o fato de que a
liga utilizada, fornecida a tıtulo de apoio pela empresa Fort Wayne Metals, possa
nao ser exatamente a melhor opcao.
A caracterizacao da liga com memoria de forma e feita a partir de testes em
um DSC (do ingles differential scanning calorimeter) considerando tres amostras
retiradas por corte lento de precisao, com alcool como fluido de corte. Um dos
resultados e mostrado na figura 4.5, sendo resumidos na tabela 4.1, assim como
a media dos valores. Essa figura mostra as transformacoes de fase nas zonas com
picos, e um calculo e feito em relacao a temperatura no inıcio e fim destas indicacoes.
Observa-se um pequeno pico durante o resfriamento, em azul, mas este e referente
a um comportamento que foge do escopo deste trabalho e, portanto, utilizam-se os
valores do pico com menores temperaturas.
Figura 4.5: Grafico das temperaturas caracterısticas obtido na analise com o
aparelho de DSC.
Tendo em vista que estes testes sao realizados em um estado livre de tensoes, as
temperaturas de transformacao de martensita para austenita sao satisfatorias para
43
Tabela 4.1: Temperaturas caracterısticas obtidas para tres amostras do fio por meio
de analise com DSC.
AmostrasTemperaturas (oC)
Mf Ms As Af
1 -17.6 -3.5 45.5 53.8
2 -16.5 -3 44.1 53.8
3 -15 -3 45.5 54.5
Media -16.3 -3.1 45.0 54.0
o trabalho. Uma vez que esses valores estao abaixo dos 100oC, ainda ha uma folga
para seu incremento quando a mola for tensionada. Isso torna fontes termicas com
temperaturas menores que os 100oC passıveis de serem utilizadas para a geracao de
energia. Isto evidencia um novo carater deste tipo de aplicacao: a flexibilidade de
operacao em diferentes faixas de temperatura, possıvel por meio do uso de materiais
com caracterısticas distintas e pela variacao da tensao aplicada.
No entanto, as temperaturas da transformacao reversa, Ms e Mf , apresentam um
resultado que nao e muito conveniente. As temperaturas encontradas sao muito
baixas, o que dificulta o uso do gelo como meio de resfriamento. Apesar disso, o
tamanho da mola e projetado de modo a induzir maiores tensoes, elevando as tem-
peraturas de transformacao e, por consequencia, possibilitando que a transformacao
ocorra ao menos de forma incompleta. Este foi um dos pontos crıticos do projeto. A
solucao mais adequada pode estar associada a uma mudanca na composicao quımica
da SMA ou ainda a tratamentos termicos que possam alterar as temperaturas de
transformacao de fase, solucoes que estao fora do escopo deste projeto.
4.1.4 Montagem
Alguns detalhes da montagem devem ser destacados. Apesar da estrutura simples
e do baixo o numero de componentes, a montagem e realizada por interferencia.
A estrategia adotada e a impressao dos furos com o diametro ligeiramente menor
que o diametro externo dos rolamentos adquiridos, na ordem de 0.1mm (precisao
da impressora), e posteriormente o lixamento das paredes destes furos ate que a
44
montagem por interferencia se mostre satisfatoria. O mesmo procedimento e adotado
na montagem das polias nos eixos (parafusos M3 de pescoco comprido). Entre
parafuso e os rolamentos, o uso de porca contra porca visa travar o conjunto. Por
fim, na ponta dos eixos das polias superiores, as engrenagens tambem sao montadas
por interferencia. Unindo os tres componentes da estrutura central, um grande fuso
M4, com arruelas e porcas nas extremidades. A figura 4.6 ilustra a vista explodida,
evidenciando o posicionamento dos componentes.
(a) (b)
Figura 4.6: Vistas explodidas evidenciando posicionamento de componentes na mon-
tagem final.
4.1.5 Resultado da Manufatura
Apos a realizacao de todas as etapas descritas, obtem-se o produto final, ilustrado
pelas fotografias das figuras 4.7 e 4.8.
45
(a) (b)
Figura 4.7: Fotografias das vistas frontal e lateral do prototipo pronto.
(a) (b)
Figura 4.8: Fotografias das vistas isometrica e superior do prototipo pronto.
4.2 O Aparato Experimental
Com o intuito de caracterizar o funcionamento do motor projetado e construıdo,
um aparato experimental se fez necessario. Para tal, sao definidas as necessidades
do projeto: permitir o funcionamento do conjunto, retornando medidas de tempe-
46
ratura, velocidade de rotacao e tempo decorrido, com o mınimo de interferencia
possıvel no movimento. Assim, alem de uma estrutura de suporte, sao necessarios
sensores ligados a um interpretador. Neste caso, optou-se por utilizar o Arduino.
Nesta secao sao descritos os sensores utilizados, assim como discutidos os codigos de
funcionamento e as alternativas analisadas. E importante notar que a elaboracao da
estrutura do suporte aos sensores ocorre de forma simultanea a definicao do aparato
de medicao, pois ha influencias recıprocas, que levaram ao conceito final.
4.2.1 Sensores e Medicao
Para medir os tres parametros definidos no projeto, a saber: temperatura, velo-
cidade de rotacao e tempo transcorrido, uma placa Arduino Mega e utilizada. Por
definicao do projeto, a fonte fria e um volume de agua e gelo em equilıbrio termico,
estando o gelo em processo de fusao. A medicao da temperatura e realizada apenas
na fonte quente. Apesar deste simplificador, ha dois desafios nesta medicao: o fato
de ser subaquatica e a necessidade de um tempo de resposta nao muito grande de
modo a avaliar corretamente o decrescimo esperado para a temperatura da fonte
quente.
Para atender estas necessidades e utilizado o sensor DS18B20 ilustrado pela figura
4.9a. Com faixa de medicao de -55 a +125oC e precisao de ate 0,5oC entre -10 e
+85oC, este sensor possui um tempo de resposta inferior a 1s, podendo ser muito
menor, a depender de condicoes ambientais e definidas no codigo, o que e suficiente
para este projeto. Alem disso, o sensor de temperatura e a prova d’agua e possui
preco acessıvel.
A avaliacao da velocidade de rotacao pode ser feita de algumas formas diferentes,
destacando-se duas alternativas: o uso de um encoder (optointerruptor) e o uso
de um sensor magnetico (efeito Hall). Na primeira alternativa, um modulo pre-
montado possui uma estrutura em forma de U, ilustrado pela figura 4.9c, na qual
sao posicionados opostamente um led infravermelho e um fotoreceptor. Desta forma,
o sensor permite computar a interrupcao da luz com a passagem de um objeto
opaco entre os dois, que pode ser utilizada para medir a rotacao de um objeto.
47
(a) (b) (c)
Figura 4.9: (a) Sensor de temperatura a prova d’agua DS18B20. (b) Modulo de
sensor de efeito Hall 3144e. (c) Encoder com optointerruptor LM393.
Porem, para utiliza-lo e necessario acoplar uma extensao a polia, que passaria entre
as ”pernas”da estrutura em U. Apesar de ser factıvel, algumas dificuldades para
posicionar precisamente sensor e extensao pesaram contra a sua escolha.
Desta forma, optou-se por utilizar o sensor magnetico de efeito Hall. Este efeito
e caracterizado pelo uso de um material semicondutor, ao qual e aplicada uma vol-
tagem, gerando uma corrente contınua. Ao aproximar-se de um campo magnetico,
o material e polarizado e, por isso, uma diferenca de potencial e medida na direcao
transversal a corrente. A figura 4.10 ilustra o efeito. Assim, posicionando um pe-
queno ima em uma das polias, e possıvel fazer a contagem das interacoes entre o
mesmo e o sensor, sendo possıvel contar cada volta da polia. Apesar de princıpio de
funcionamento totalmente distinto, esta contagem e similar a feita com o encoder.
A diferenca que determina o uso do efeito Hall e a maior facilidade de posiciona-
mento no aparato. E importante notar que ambos os sensores nao sao de contato e
portanto pouco interferem no movimento do conjunto, um dos requisitos iniciais.
Os codigos utilizados para realizar as medidas estao presentes no apendice A.1,
mas vale destacar a transformacao da contagem das voltas em uma medida de ve-
locidade angular. A resposta do sensor e um sinal enviado toda vez que a polia da
uma volta completa. Assim, sabendo que
RPM =V oltas
Tempo(min)
, duas sao as possibilidades de determinar a velocidade angular: fixando-se um
intervalo de tempo e contando o numero de voltas ou fixando-se o numero de voltas e
48
Semi-condutor
Vcc
VoltagemHall
CampoMagnético
Corrente constante
Figura 4.10: Princıpio de funcionamento de um sensor de efeito Hall. Fonte:
adaptado de Osoyoo.com [25].
marcando o tempo decorrido entre elas. A segunda, apesar de mais precisa e acurada,
esbarra em um problema: a depender da velocidade do conjunto e do tempo de uma
volta, pode ser que o numero estipulado mostre-se grande, o que faria com que a
medida demorasse muito a se atualizar - causando a perda de informacoes e podendo
ate mesmo haver o congelamento da medida caso o motor pare. A primeira, em
contraponto, esbarra em outro problema: a depender da janela de tempo utilizada,
pode ser que nao seja computada uma unica volta, retornando assim erroneamente
um valor nulo para a velocidade. Ambas tambem esbarram em outro problema:
do modo que sao definidas, retornam um valor medio para o intervalo, que pode
se provar errado caso haja grandes variacoes na velocidade. Tendo tudo isso em
vista, a solucao encontrada foi utilizar os dois metodos em conjunto, e o primeiro
limite satisfeito (numero de voltas ou tempo transcorrido) determina a atualizacao
da medida. Alem disso, os limites foram calibrados utilizando um equipamento
com rotacao conhecida. Por tudo aqui disposto, e importante notar que o melhor
funcionamento deste sensor se da quanto maior a velocidade de rotacao, pois o
intervalo torna-se mais curto e a media mais representativa da velocidade atual, por
ter mais pontos.
49
Por fim, utiliza-se um display LCD para apresentar os valores medidos em tempo
real. O esquema da montagem dos sensores, do display e da placa encontra-se
ilustrado na figura 4.11, montada com o auxılio da ferramenta Fritzing.
SensorHall
Display LCD
Sensor de Temperatura
Potenciômetro
Figura 4.11: Esquema de montagem dos sensores e dispositivos na placa
Arduino Mega.
4.2.2 Estrutura para o Experimento
Brevemente, apresenta-se aqui a concepcao da estrutura necessaria para a rea-
lizacao do experimento. Utilizam-se dois aquarios como reservatorios da agua aque-
cida e resfriada, separados por uma camada de isopor, isolante termico, numa tenta-
tiva de amenizar as trocas de calor entre eles, ja que estrutura que suporta as polias
inferiores nao permite que distanciem-se de forma satisfatoria os mesmos. Constroi-
se uma estrutura em madeira para suportar os tanques, horizontalmente, e o motor,
verticalmente. Esta, alem de suportar o aparato, e desenhada de modo a manter
fixos os locais destinados ao posicionamento dos sensores. Para fabrica-la, utiliza-
se uma maquina de corte a laser, melhorando a precisao destes posicionamentos.
50
Ha, ainda, espaco para apoiar e ao mesmo tempo nao deixar a vista toda a parte
eletronica. O resultado final completo e ilustrado na proxima secao.
4.3 O Resultado Final
Concluindo este capıtulo, apresenta-se o resultado final do prototipo e do aparato
experimental alcancado apos todos os passos anteriormente descritos, que pode ser
conferido nas figuras 4.12 e 4.13. Nelas, pode-se notar a presenca de todos os itens
discutidos, desde a estrutura ate os componentes eletronicos. Pode-se dizer que o
resultado e condizente com as necessidades iniciais do projeto.
Figura 4.12: Vista frontal do resultado final da manufatura do motor e seu
aparato experimental.
51
Figura 4.13: Vista da parte traseira do resultado final da manufatura do
motor e seu aparato experimental.
52
Capıtulo 5
Analise dos Resultados
Experimentais
Este capıtulo visa apresentar os ensaios realizados, analisando os resultados obti-
dos nos experimentos e discutindo-os de maneira crıtica.
5.1 Definicoes Iniciais
Antes de apresentar os resultados, faz-se interessante discutir quais as definicoes
para este grupo de experimentos. Comecando pela temperatura da fonte quente,
ha duas opcoes: aquece-la a uma temperatura inicial que, ao longo do experimento,
ira decair com as trocas de calor entre a mola e as duas fontes; ou estabiliza-la em
um patamar, com o auxılio de um controlador. Adota-se a primeira opcao, nao
so por simplificar o experimento, como tambem por permitir quantificar o efeito
da temperatura na velocidade de transformacao e, por conseguinte, de rotacao do
motor. Um controlador preciso, que mantivesse o patamar com uma estabilidade
mınima aceitavel para que dela se tirasse conclusoes, demandaria sensores mais
sofisticados e um sistema de aquecimento rapido e eficiente. Apesar disso, entender
o comportamento do motor em temperaturas constantes e extremamente importante
para demonstrar a vida apos certo numero de ciclos. Portanto, encontra-se aqui uma
oportunidade para estudos futuros, mais aprofundados. Ainda para a temperatura,
seu valor inicial tambem e uma variavel importante. Tendo em vista os objetivos
dispostos para este trabalho, utiliza-se valores entre 80 e 90oC.
53
Quanto ao numero de testes, opta-se por realizar tres ensaios, para avaliar a
repetibilidade do processo, alem do decaimento da velocidade ao longo dos ciclos. Tal
decaimento e esperado principalmente em funcao de possıveis deformacoes plasticas
e irreversıveis na mola, alem da fadiga do componente, exposto a ciclos relativamente
intensos de tensionamento.
Alem de gravar os dados medidos pelos sensores, filmam-se todos os experimentos
realizados, mantendo o registro do funcionamento do motor em vıdeos. Alem de
ilustrarem a operacao, tais registros permitem controlar ainda melhor todos os passos
e possıveis interferencias durante a operacao. Por fim, e importante notificar que
a polia que tem sua velocidade medida pelo equipamento e a mais veloz. Como a
relacao de velocidade entre as polias e fixada pelas engrenagens, conhecem-se ambas
as rotacoes.
5.2 Resultados Experimentais
Os resultados experimentais sao apresentados e discutidos na sequencia. A figura
5.1 ilustra o experimento por completo, desde momentos antes da adicao da agua
quente, fonte de energia, ate o momento de parada do motor. Os resultados de cada
um dos 3 ensaios mostram os valores medidos para RPM e temperatura, utilizando
eixos diferentes.
(a) (b) (c)
Figura 5.1: Rotacao e temperatura mensurados ao longo do tempo: (a) Experimento
1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.
Algumas consideracoes importantes podem ser feitas a partir da figura 5.1. Pri-
meiro, no contexto macro, pode-se notar uma aceleracao extremamente acentuada a
54
partir do inıcio do movimento, que evidencia um torque elevado. Alem disso, nota-
se tambem que, nos tres casos, o motor cessa seus ciclos justamente ao alcancar
temperaturas proximas a 65oC. Tendo em mente as temperaturas caracterısticas
de transformacao de fase, alem do fato explanado do aumento destas quando ha
tensionamento do material, e seguro inferir que esta parada se deve ao fato da tem-
peratura estar menor que Mf , e possivelmente inferior ou ao menos proxima a Ms,
onde transformacoes de fase nulas ou parciais nao produzem energia o suficiente
para movimentar o conjunto.
Outra conclusao importante, tirada da comparacao entre os experimentos, e o
decaimento dos valores de RPM entre o primeiro ensaio e os subsequentes. Na
figura 5.1a, a curva com os valores de velocidade angular alcanca 1200 rotacoes por
minuto no seu pico, enquanto que nas curvas da velocidade angular para os ensaios 2
e 3, figuras 5.1b e 5.1c, estes valores sao mais modestos, sendo aproximadamente 700
e 550rpm, respectivamente. Este decaimento tem como causa provavel a deformacao
plastica da mola, uma vez que estas deformacoes nao podem ser recuperadas pelo
efeito de memoria de forma. Alem de ser esperado, este comportamento tambem
foi atestado pelo aumento do passo da mola apos seguidas operacoes, estando estes
espacamentos bem maiores ao final dos tres experimentos quando comparados ao
estado original. Este fenomeno e bastante crıtico para aplicacoes comerciais da ideia
e deve ser objeto de estudos mais profundos. Porem, as causas destas deformacoes
podem estar ligadas ao dimensionamento inicial da mola. Entende-se que, com
um comprimento inicial maior, este efeito poderia ser mitigado. Existem algumas
solucoes que poderiam ser propostas, como o retratamento termico do material, que
poderia ser levado facilmente ao seu estado inicial, ou ate mesmo a troca da mola.
Ao analisar a velocidade angular e a temperatura simultaneamente, e possıvel
confirmar a ideia de que estes parametros sao diretamente proporcionais. Isto pode
ser explicado pelo simples fato de que temperaturas elevadas favorecem a troca
de calor entre o meio e a mola, aumentando a velocidade de transformacao e, por
consequencia, a velocidade com que as espiras da mola se aproximam, resultando em
maiores taxas de rotacao. Por fim, o fato do tempo de operacao ser bem menor no
primeiro ensaio tambem pode estar relacionado a troca de calor. Com velocidades
55
maiores, os ciclos onde o calor e trocado entre as fontes fria e quente tornam-se mais
curtos e portanto, atinge-se mais rapidamente um patamar de temperatura que nao
permita mais o movimento.
(a) (b) (c)
Figura 5.2: (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.
(a) (b) (c)
Figura 5.3: Decaimento da velocidade angular com o tempo (a) Experimento 1. (b)
Experimento 2. (c) Experimento 3.
A figura 5.2 apresenta os valores a partir do pico de velocidade angular de modo
a facilitar a visualizacao e o entendimento do comportamento. A figura 5.3 eli-
mina a distribuicao de temperatura para apresentar a expressao encontrada pelo
metodo polyfit, da linguagem de programacao Python, que busca representar ma-
tematicamente o decaimento da velocidade angular com o tempo para cada um dos
experimentos. E interessante notar que as expressoes para as duas ultimas curvas
apresentam uma tendencia para a convergencia.
As figuras 5.4 e 5.5 apresentam respectivamente, a velocidade angular pela tem-
peratura e as curvas de ajuste desta relacao (encontradas com o polyfit). Nelas,
observa-se uma relacao quase linear entre as variaveis temperatura e velocidade,
que pode ser reflexo da linearidade entre a taxa de troca de calor e a diferenca de
temperaturas, na equacao formulada para a conveccao:
56
Q = hA(T1 − T2), (5.1)
onde h e o coeficiente de transferencia termica e A a area de contato.
(a) (b) (c)
Figura 5.4: Pontos experimentais de RPM vs temperatura (a) Experimento 1. (b)
Experimento 2. (c) Experimento 3.
(a) (b) (c)
Figura 5.5: Curvas de ajuste encontradas para a relacao entre velocidade angular e
temperatura. (a) Experimento 1. (b) Experimento 2. (c) Experimento 3.
Apesar da discrepancia para a figura 5.4a e a sua curva de ajuste, dada na figura
5.5a, em relacao aos outros dois ensaios, pode-se dizer que, aparentemente, a relacao
tende a uma estabilidade nos dois experimentos finais. Cabe a explicacao da de-
formacao plastica da mola que interfere nos ensaios por diferenciar o primeiro teste
dos demais. Assim, e possıvel dizer que, para o conjunto analisado, a expressao para
a relacao entre temperatura e velocidade seja na ordem de:
ω = 27T − 1750, (5.2)
onde ω e a velocidade angular da polia mais veloz, em rotacoes por minuto,
e T a temperatura em graus Celsius.
57
Capıtulo 6
Conclusao e Trabalhos Futuros
Este trabalho teve como finalidade apresentar uma revisao bibliografica que for-
necesse uma visao detalhada dos trabalhos realizados com motores utilizando ligas
com memoria de forma, alem da fabricacao a baixo custo de um prototipo funcional,
analisando-o experimentalmente.
A revisao bibliografica abarcou realizacoes pioneiras no ramo e as contribuicoes
mais atuais, diferenciando-as e classificando-as segundo definicoes consolidadas na
literatura. Alem disso, foram colhidas informacoes sobre seus desempenhos reais re-
portados em experimentos, discutindo a viabilidade de tais aparatos, e demonstrados
trabalhos de aprimoramento de dispositivos consolidados.
O prototipo mostrou-se funcional e de simples fabricacao, atendendo as condicoes
iniciais de projeto. Em ensaios realizados puderam ser aferidas informacoes que
servem como base para a analise de suas caracterısticas de saıda.
E possıvel indicar que os motores de estado solido, movidos pelas transformacoes
de fase em ligas com memoria de forma, sao factıveis apenas em termos, respeitado
o pequeno nicho de baixas temperaturas em que a aplicacao seria valida. Apesar
disso, como mostram os estudos aqui referenciados, ha uma constante evolucao que
poderia leva-los a factibilidade comercial.
Tomando como base a analise experimental aqui disposta, podem ser definidas
as diretrizes para trabalhos futuros. Tres pontos fazem-se interessantes: o aprofun-
58
damento da caracterizacao dos parametros de entrada e saıda do motor, buscando
relaciona-los matematicamente e ate mesmo utilizando modelos numericos conso-
lidados na literatura para comparar e prever resultados; a discussao e analise dos
parametros e fenomenos da transferencia de calor, fazendo uma analise termica pro-
funda; o desenvolvimento do prototipo visando aumentar sua eficiencia e diminuir
seu custo. Uma discussao mais aprofundada do ciclo de funcionamento do motor
tambem e um ponto interessante a ser investigado em maior profundidade.
59
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65
Apendice A
Codigos Utilizados
O codigo a seguir foi utilizado para coletar os dados dos sensores do Arduino, e
foi programado no Arduino Idle.
A.1 Codigo para Aquisicao de Dados dos
Sensores
//Codigo para medicao de velocidade angular e temperatura
no motor de SMA
//Criado por Lucas Cunha em 2018 - Mecanon UFRJ
//Codigo do sensor DS18B20 adaptado de: https://www.
filipeflop.com/blog/sensor-de-temperatura-ds18b20-
arduino/
//Incluindo bibliotecas necessarias
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <LiquidCrystal.h>
// Porta do pino de sinal do DS18B20
66
#define ONE_WIRE_BUS 3
// Define uma instancia do oneWire para comunicacao com o
sensor
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
//Declaracao de Variaveis
const int hallSensorPin = 2; // Sensor
hall no PIN 2
int rpmMaximum = 0; //
Armazena RPM maxima
unsigned long measureTime = 0; //
Armazena tempo de medicao
float tempMin = 999; // Armazena temperaturas minima e
maxima
float tempMax = 0;
DallasTemperature sensors(&oneWire);
DeviceAddress sensor1;
// Inicializa o LCD
LiquidCrystal lcd(12, 11, 7, 6, 5, 4);
//Localiza sensores
void setup(void)
{
Serial.begin(9600);
pinMode(hallSensorPin,INPUT);
sensors.begin();
// Localiza e mostra enderecos dos sensores
67
Serial.println("Localizando sensores DS18B20...");
Serial.print("Foram encontrados ");
Serial.print(sensors.getDeviceCount(), DEC);
Serial.println(" sensores.");
if (!sensors.getAddress(sensor1, 0))
Serial.println("Sensores nao encontrados !");
// Mostra o endereco do sensor encontrado no barramento
Serial.print("Endereco sensor: ");
mostra_endereco_sensor(sensor1);
Serial.println();
Serial.println();
lcd.begin(16, 2);
}
void mostra_endereco_sensor(DeviceAddress deviceAddress)
{
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
// Adiciona zeros se necessario
if (deviceAddress[i] < 16) Serial.print("0");
Serial.print(deviceAddress[i], HEX);
}
}
void loop()
{
// Le a informacao do sensor
sensors.requestTemperatures();
68
float tempC = sensors.getTempC(sensor1); // Armazena
temperatura do sensor
// Atualiza temperaturas minima e maxima
if (tempC < tempMin)
{
tempMin = tempC;
}
if (tempC > tempMax)
{
tempMax = tempC;
}
int rpm = getRPM(); //Roda a funcao definida abaixo para
recuperar a informacao da velocidade angular.
if (rpm > rpmMaximum) rpmMaximum = rpm;
// Mostra dados no serial monitor
//Serial.print("Temp C: ");
Serial.print(measureTime);
Serial.print(’,’);
Serial.print(tempC);
Serial.print(’,’);
//Serial.print(" Min : ");
//Serial.print(tempMin);
//Serial.print(’,’);
//Serial.print(" Max : ");
Serial.print(tempMax);
Serial.print(’,’);
//Serial.print("RPM = ");
Serial.print(rpm);
Serial.print(’,’);
//Serial.print(" MAX RPM = ");
Serial.println(rpmMaximum);
//Serial.println(’;’);
69
// Mostra dados no LCD
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Temp.: ");
//Simbolo grau
lcd.write(223);
lcd.print("C");
lcd.setCursor(7,0);
lcd.print(tempC);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("RPM: ");
lcd.setCursor(6,1);
lcd.print(rpm,1);
}
int getRPM()
{
int count = 0; // Armazena a
contagem de voltas - numero de vezes que o sensor e
sensibilizado.
boolean countFlag = LOW; // Variavel
utilizada para eliminar medicoes duplicadas ao mudar-se
o estado do sensor (que muda de estado duas vezes por
volta).
unsigned long currentTime = 0; // Armazena tempo
transcorrido
unsigned long startTime = millis(); // Tempo de inıcio
da janela de medicao
while (count<8 && currentTime < 6000 ) // Definicao da
janela de medicao: ou 8 voltas ou ao fina de 6 segundos,
o que for mais rapido. Dentro do laco, a variavel count
70
e atualizada para cada volta.
{
if (digitalRead(hallSensorPin) == HIGH)
{
countFlag = HIGH;
}
if (digitalRead(hallSensorPin) == LOW && countFlag == HIGH)
{
count++;
countFlag=LOW;
}
currentTime = millis() - startTime;
}
int countRpm = int(60000/float(currentTime))*count; // RPM
a partir do numero de voltas e tempo transcorrido
measureTime = millis();
return countRpm;
}
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