Modeling, Simulation and Experimental Validation of PVDF-based Electroactive Actuators

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Metello, Daniela Filipa Figueiredo Marques
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/93993
Resumo: Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Modeling, Simulation and Experimental Validation of PVDF-based Electroactive ActuatorsModelação, Simulação e Validação Experimental de Actuadores Electroactivos baseados em PVDFPolímero ElectroactivoMúsculos ArtificiaisAtuadoresBiomateriaisP(VDF-TrFE-CTFE)Electroactive PolymerArtificial MusclesActuatorsBiomaterialsP(VDF-TrFE-CTFE)Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaNos últimos 20 anos, os polímeros electroactivos (EAPs) têm recebido mais atenção no mundo dos mecanismos de actuação. O termo "electroactivo" significa que o polímero é electricamente activo ou reactivo, ou seja, que terá uma resposta mecânica a um estímulo eléctrico. Como qualquer polímero, este é conhecido por ser leve e fácil de processar. Para além disso, os EAPs são resistentes e capazes de produzir grandes tensões de actuação, quando comparados com actuadores convencionais. Portanto, a sua importância está a aumentar em várias aplicações, nomeadamente biomédicas, tais como instrumentos médicos, implantes biónicos, próteses e "músculos artificiais". Os EAPs dividem-se em iónicos e electrónicos, sendo a principal diferença o transporte físico: os EAPs iónicos utilizam cargas iónicas, enquanto os EAPs electrónicos utilizam cargas eléctricas. O P(VDF-TrFE-CTFE) é um polímero "ferrorelaxor" pertencente aos EAPs electrónicos e é considerado um material promissor pela sua elevada constante dieléctrica (~50), bem como pela elevada resposta electromecânica e densidade de energia elástica.Neste trabalho, três actuadores (cinco camadas) foram caracterizados electromecanicamente para estudar a influência de dois parâmetros geométricos: a espessura da camada do P(VDF-TrFE-CTFE), e a largura total do actuador. A defleção, a força de bloqueio e a rigidez à flexão de cada actuador foram obtidas através de testes mecânicos sob três valores de campo eléctrico. Subsequentemente, foi executada uma análise por MEF em COMSOL Multiphysics®. Realizou-se um estudo estacionário de cada actuador para avaliar o comportamento electromecânico sob três valores de campo eléctrico. A defleção em cada simulação foi comparada com os testes experimentais.A partir dos resultados dos testes, concluiu-se que a largura não influencia o desempenho do actuador. Além disso, um aumento da espessura do P(VDF-TrFE-CTFE) provocou um aumento da defleção, força de bloqueio e rigidez de flexão. Mais ainda, a simulação foi validada, pois o comportamento observado revelou-se semelhante nos testes experimentais, ou seja, a defleção aumentava linearmente com o aumento do campo eléctrico aplicado.Finalmente, comparando os três actuadores com outras tecnologias electroactivas, é possível afirmar que as defleções observadas são mais elevadas, mas a força de bloqueio exercida por estes actuadores é significativamente inferior a outras tecnologias de actuação já estabelecidas.In the last 20 years, electroactive polymers (EAPs) have gained attention in the world of actuation mechanisms. "Electroactive" means that the polymer is electrically active or responsive, i.e. that it will have a mechanical response to an electric stimulus. As any polymer, they are known for being lightweight and easy to process. Adding to this, EAPs are resilient and able to produce large actuation strains, when compared to conventional actuators. Therefore, their importance is increasing in several applications, namely biomedical applications such as surgery-assisting tools, bionic implants, prosthetics and "artificial muscles". EAPs are divided into ionic and electronic, with the major different being the physic transport: ionic EAPs use ionic charges, while electronic EAPs use electric charges. P(VDF-TrFE-CTFE) is a ferrorelaxor polymer that belongs to electronic EAPs and it is considered one of the most promising materials for its high dielectric constant (~50), as well as its high electromechanical response and elastic energy density.In this work, three cantilever-like multilayered actuators (five layers) were electromechanically characterized to study the influence of two geometry parameters: the thickness of the active layer, P(VDF-TrFE-CTFE), and the total width of the actuator. The tip displacement, blocking force and bending stiffness of each actuator were obtained through mechanical testing under three values of electric field. Subsequently, a FEM analysis was executed on COMSOL Multiphysics®. A stationary study was performed for each actuator, to evaluate the electromechanical behavior under the three values of electric field. The tip displacement in each simulation was also obtained and compared with the experimental tests.From the tests' results, it was concluded that the width of the actuator does not play a major influence in the performance of the actuator. Moreover, an increase in the thickness of the active layer translated in an increase of the tip displacement, blocking force and bending stiffness. On the other hand, the simulation was validated as the tip displacement increased linearly with the electric field, which was a behavior already observed in the experimental tests.Finally, comparing these three actuators with other electroactive technologies, it is possible to state the displacements observed are higher, but the blocking force exerted by these actuators is significantly lower than other existing actuation technologies.2020-11-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/93993http://hdl.handle.net/10316/93993TID:202687589engMetello, Daniela Filipa Figueiredo Marquesinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2022-05-25T10:25:51Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/93993Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:12:50.220191Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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