ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2015
2014/2015
I recenti sviluppi nell’ ambito della progettazione ingegneristica e in campo
medico prevedono sempre di più l’utilizzo di materiali intelligenti e altamente
performanti. La principale proprietà richiesta a questi materiali è una combinazione
di elevate rigidezza e resistenza, una consistente riduzione di peso, resistenza alla
corrosione, resistenza ad agenti chimici, bassa manutenzione e ovviamente costi
ridotti.
Negli ultimi tre decenni, è stato dimostrato che i materiali auxetici, grazie ai loro
meccanismi di deformazione unici e alle particolari proprietà meccaniche,
costituiscono un enorme potenziale nell’ambito dell’ingegneria, delle scienze
naturali, nell’ingegneria biomedica e risultano interessanti per svariate industrie,
dall’aerospaziale a quella militare.
I materiali auxetici sono una classe di meta-materiali che hanno la particolare
proprietà di espansione quando sollecitati in tensione e di contrazione quando
sollecitati in compressione: essi presentano, cioè, un modulo di Poisson negativo.
Fino ad oggi sono state studiate e analizzate sia teoricamente che analiticamente
molte di queste geometrie per soddisfare le sfide lanciate dall’ingegneria. Sebbene i
materiali con modulo di Poisson negativo sono conosciuti dagli inizi del 1900, essi
non hanno catturato l’attenzione dei ricercatori prima degli anni ’80. Ed è solo dal
1991 che questi materiali sono conosciuti come materiali auxetici.
Quasi tutte le maggiori classi di materiali, dai metalli alle ceramiche ai polimeri
fino ai compositi, hanno usufruito delle proprietà auxetiche di queste strutture e
ora, si sta pensando anche ad una loro applicazione in ambito MEMS (MicroElectro-Mechanical
Systems).
Questa tesi è un tentativo di studiare alcune strutture auxetiche avendo in
mente la loro possibile applicazione in dispositivi MEMS (per esempio come
meccanismi di conversione del moto). Alcune delle strutture auxetiche studiate
sono state fabricate con la tecnica di stampaggio 3D e questo puo’ essere
considerato un primo passo verso l’uso della tecnica di stampa 3D come processo
di fabbricazione MEMS.
Dopo lo studio, fatto attraverso simulazioni numeriche, di strutture auxetiche
2D già disponibili in letteratura, una nuova struttura auxetica 2D viene qui
presentata e studiata in dettaglio. La nuova struttura soddisfa, come desiderato,
ix
tutte le richieste per essere utilizzata come meccanismo di conversione del moto in
dispositivi MEMS: comportamento auxetico e bassa rigidezza.
Dopo le strutture auxetiche 2D, anche alcune strutture 3D sono state studiate
per valutare la possibilità di ottenere un’espansione fuori piano come conseguenza
di una sollecitazione in tensione in piano. Come per lo studio delle strutture
auxetiche 2D, l’obiettivo princiapale è quello di trovare un buon meccanismo di
conversione del moto per dispositivi MEMS. La conversione di un moto in-piano
in un moto fuori piano è, infatti, un problema attuale e stimolante in ambito
MEMS: non ci sono infatti attualmente dispositivi, come per esempio i giroscopi,
che vengono attuati fuori piano a causa delle numerose limitazioni sull’entità degli
spostamenti fuori-piano imposte dal processo di fabbricazione. Grazie alle
strutture auxetiche potrà essere possibile ottenere un moto di attuazione fuori
piano senza l’utilizzo di elettrodi fuori-piano e di conseguenza senza le limitazioni
restrittive che si hanno attualmente.
Per riuscire ad applicare queste strutture auxetiche, in particular modo le
strutture 3D, ai dispositive MEMS, un nuovo processo di fabbricazione deve
essere studiato. Gli attuali processi di fabbricazione usati nell’ambito MEMS,
infatti, non riescono a fabbricare strutture che presentino sezioni non rettangolari.
In questo lavoro, la tecnica di stampaggio 3D viene proposta come un possibile
futuro processo di fabbricazione MEMS. Moltissimi miglioramenti devono essere
introdotti per raggiungere questo obiettivo (per esempio riuscire ad utilizzare resine
conduttrici nella fase di stampaggio 3D, ridurre le dimensioni etc.), ma questo deve
essere considerato come un primo passo in questa direzione.
La tesi è organizzata in cinque capitoli; nel primo capitolo viene riportata
una revisione bibliografica delle strutture auxetiche. Il secondo capitolo, invece,
mostra i modelli di tutte le strutture auxetiche che verranno analizzate nella tesi, sia
quelle provenienti dalla letteratura sia la nuova struttura. Nel terzo capitolo
vengono poi presentati i risultati delle analisi numeriche effettuate per indagare il
comportamento auxetico delle strutture proposte. La tecnica di stampaggio 3D
viene poi introdotta nel capitolo successivo e, infine, le conclusioni e i possibili
sviluppi del lavoro svolto sono raccolti nell’ultimo capitolo.
The recent developments in design and technology in the engineering and
medical field, demands the use of smart and high-performance materials to meet
higher engineering specifications. The general requirements of such materials
include a combination of high stiffness and strength with significant weight
savings, resistance to corrosion, chemical resistance, low maintenance, reduced
costs, etc.
Over the last three decades, it has been demonstrated that auxetic materials
offer a huge potential in the fields of engineering, natural sciences, and biomedical
engineering, and for many other industries, including the aerospace and defence
industries, through their unique deformation mechanism and measured
enhancements in mechanical properties.
Auxetic materials are a class of meta-materials which have a peculiar property
of lateral expansion when stretched, as well as an equal and opposing densification
when compressed: they have a negative Poisson’s ratio.
Till date a large number of these geometries have been studied and analysed
both theoretically and analytically to meet future engineering challenges. Although
the materials with a negative Poisson’s ratio have been known since the early
1900s, they did not capture researchers’ attention until the late 1980s. And only
since 1991, these materials have been known as auxetic materials.
Their benefits and applications have been expanded to all major classes of
materials such as metals, ceramics, polymers, and composites, and they now find
their place as potential materials for MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
applications also.
This thesis is an attempt to study some auxetic structures having in mind
possible applications in MEMS devices (i.e. motion conversion mechanisms).
Some of the studied structures are then fabricated using the 3D-printing technique
and this can be considered as a first step towards the use of the 3D-printing
technique as MEMS fabrication process.
After the study, through numerical simulations, of the 2D-auxetic structures
already available in the literature, a new 2D-auxetic structure is here presented and
studied. The new structure fulfil, as wished, all the requirements for being a MEMS
motion conversion mechanism: auxetic behaviour and low stiffness.
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After the study of the 2D-auxetic structures, some 3D-auxetic structures are
studied to investigate out-of-plane expansion when stretched along the in-plane
direction. As for the study of the 2D-auxetic structures the main goal is to find a
good motion conversion mechanism for MEMS device. The conversion of an inplane
motion to an out-of-plane motion is, in fact, very challenging in the MEMS
world: no out of plane drive motion for gyroscopes are, for example, already
presented in the literature because of the fabrication process limitation of out-ofplane
displacements. Through these auxetic structure it will be possible to obtain
an out-of-plane driving motion without the need of out-of-plane electrodes and
consequently without any out-of-plane displacements limitations.
In order to apply these auxetic structure, in particular the 3D-ones, to
MEMS devices like intelligent expandable actuators, shape morphing structures,
minimally invasive implantable devices, etc., a new fabrication process should be
studied. The actual MEMS fabrication processes, in fact, cannot fabricate these
kind of structure which have non-rectangular sections. Here we propose the 3Dprinting
technique as a possible future MEMS fabrication process. Lots of
improvements should be done in this direction (i.e. metallization of the device,
dimensions reduction and etc.) but this can be still considered as a first step
towards this goal.
The thesis is organized in five chapters; the first chapter shows a literature
review on auxetic structures. The subsequent second chapter presents all the
auxetic structures studied both coming from the literature and new ones. In the
third chapter a Finite-Elements analysis is done in order to study the mechanical
behaviour of the auxetic structures introduced in the previous chapter. In the
following chapter the 3D-printing technique is presented and the pictures of the
first prototypes are shown. Finally, conclusions and future works are discussed.