Geometry optimization for biaxial testing of polydimethylsiloxane SYLGARD(R) 184 and finite element modelling

Polydimethylsiloxanes (PDMS) has found many applications in bioengineering, biotechnology and soft robotics. As part of a PhD wider project which aims at using SYLGARD® 184 to produce soft robots, this thesis develops a method to characterize it under biaxial deformation states on an available “micro-biaxial testing machine”. With the ambition to develop a method which can be used for other similar “soft” materials, two setups and two different geometries are designed to achieve an equibiaxial deformation state. The results show how the first geometry and a modification of the second can provide the desired state, the latter with good equibiaxiality but lower reliability (defined in this work as the statistic of samples giving the needed state over the number of tested samples) due to experimental limits in reaching deformation higher or at least comparable to these obtained with the first one. In the second part of this project, the data from uniaxial tensile tests and pure shear tests were used to identify the parameters of different hyperelastic models which are then used to simulate the biaxial experiment. The results, suggest that the Arruda-Boyce model is suitable to simulate the material as compressible in the whole deformation range considered in this work. Moreover, simpler models such as Yeoh and Neo-Hookean model can be used with a maximum strain up to 0.4.

I polidimetilsilossani (PDMS) trovano svariate applicazioni negli ambiti della bioingegneria, biotecnologia e della robotica di “materia soffice”. Nell'ambito di un progetto di dottorato più ampio, che ha lo scopo di utilizzare il SYLGARD® 184 per produrre soft-robot, questa tesi sviluppa un metodo per caratterizzarlo in stati di deformazione biassiale su una particolare macchina detta “micro-biassiale”. Con l'ambizione di sviluppare un metodo che possa essere utilizzato anche per altri materiali cedevoli, due configurazioni e due diverse geometrie sono state progettate per ottenere uno stato di deformazione equibiassiale. I risultati mostrano come la prima geometria e una modificazione della seconda riescano a fornire lo stato voluto, quest'ultima con una buona equibiassialità ma una minore affidabilità (data dal rapporto tra i campioni che forniscono lo stato corretto e il numero totale di campioni testati) per via di limiti sperimentali nel raggiungere deformazioni più alte o almeno comparabili a quelle ottenute con la prima. Nella seconda parte del progetto, i dati delle prove di trazione uniassiali e delle prove di taglio puro sono stati usati per valutare i parametri di diversi modelli con cui simulare le geometrie biassiali. I risultati mostrano come Arruda-Boyce sia adatto a simulare il materiale come comprimibile per l'intero intervallo di deformazione utilizzato in questo lavoro. Altri modelli più semplici come Yeoh e Neo-Hooke possono essere utilizzati fino ad una deformazione massima di 0.4.