175
Mecanismos Flexíveis - Introdução Mecanismos onde o movimento é dado pela flexibilidade de uma estrutura ao invés da presença de juntas e pinos. Mecanismos tradicionais Mecanismos flexíveis

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Mecanismos Flexíveis - Introdução

Mecanismos onde o movimento é dado pela flexibilidade de uma

estrutura ao invés da presença de juntas e pinos.

Mecanismos

tradicionais

Mecanismos

flexíveis

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Mecanismos Flexíveis - Introdução

Garra de um robô Alicate de pescador

Grampos Célula de carga

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Mecanismos Flexíveis - Introdução

MEMS

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Mecanismos Flexíveis - Introdução

Vantagens:

• Fabricação simples (sem montagem) pode ser

fabricado em microescala;

• Não há juntas não há folgas, não há atrito. Pequenos

deslocamentos podem ser transmitidos;

• Não há lubrificação ou ruído

Desvantagens:

• Fadiga: mas não é crítico (exemplo: artrópodos);

• Pequenos deslocamentos em geral;

Aplicações promissoras: Mecânica de precisão

(impressoras, DVDs, disco rígido, etc...), MEMS, etc...

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Conceito de Resistência e Rigidez

3

33

y

3

3

33

x

3

h

4

12

bhI;

3

hb

4

12

hbI ;

3

Eb

LF

EI

LF

E

LF

EI

LF

y

y

y

y

y

xx

x

xx

Rigidez (deformação)

Conceito de flexibilidade e rigidez

Flexível – alta deformação

Rígida – pouca deformação

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Conceito de Resistência e Rigidez

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Conceito de Resistência e Rigidez

Sbh

LF

I

LhF

I

hM

Shb

LF

I

LbF

I

bM

I

My

y

y

y

y

y

y

x

x

x

x

xx

2max,

2max,

6

22

6

22

Resistência (tensão mecânica)

Conceito de material dútil e frágil

Material dútil – deformação plástica ao exceder a tensão

limite;

Material frágil – falha catastrófica ao exceder a tensão

limite;

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2max,2max,

3 ;

3

L

Eh

L

Eb y

yx

x

Conceito de Resistência e Rigidez

flexibilidade dutilidade

rigidez fragilidade

Ex.: MEMS são feitos de Polisílicio (frágil)

b

h

Eh

SL

Eb

LF

Eb

SL

E

LF

y

xy

yx

x

3

2

h

4 ;

3

2

hb

4 2

3

32

3

3

Deslocamento máximo (deslocar sem falhar)

Portanto o material ideal deve ter alta relação S/E

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Conceito de Resistência e Rigidez

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Mola Ortoplanar

2

33

2

3

4

612 ;

2

L

Eh

I

FLh

I

Mc

EI

FL

EI

FL

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Mola “Comb-Drive”

3

3 6

6 L

EIFk

EI

FL

Para uma mola:

4 molas em paralelo: 33

246*4

L

EI

L

EIkT

L

F

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Conceito de Enrijecimento (“Stress Stiffening”)

Rigidez aumenta com a deformação da estrutura

Problema fica não-linear

Exemplo: Viga ou corda sujeita à flexão

Surgem forças de tração que enrijecem a corda ou viga

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Conceito de Enrijecimento (“Stress Stiffening”)

a) Sem carga

axial

b) Carga axial

de tração

c) Carga axial

de compressão

Caso b): deslocamento menor do que em a) (mais “rígido”), deve ser

evitado para o caso de mecanismos flexíveis;

Caso c): deslocamento maior do que em a) (menos “rígido”), situação

aceitável para mecanismos flexíveis;

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

Primeiro Caso: Estrutura com Juntas “ Vivas”

KTTM ;0

l

EIKKM

l

EIM

EI

Ml

l

l

l

;0

0

L>>l

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

LM

M 11

2

1

Ft - força tangencial (ativa)

Fn - força normal (passiva)

n

1atan ;1

sin ;2

2

nPF

FFl

LFT tt

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

Execução Prática das Juntas “Vivas”

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

l

Segundo Caso: Vigas Delgadas

é calculado de forma a minimizar o

erro acima para o maior valor de

nP

P

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Análise para Grandes deslocamentos

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

Comparação do deslocamento

da viga para n=0

Valor de

em função de n Limite da aproximação (em

termos do ângulo )

em função de n

n

n

l

b

l

a

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Os valores de , K são tabelados para diferentes tipos de

condições de contorno das vigas

Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

Valor de K em função de n

KT

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Modelos de Corpo Pseudo-Rígido

Exemplos de micromecanismos utilizando os conceitos vistos

As pontas

podem ser modeladas

como pinos

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Juntas Passivas

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Juntas Tipo Q

Junta tipo Paralelogramo

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Juntas Tipo Q

Junta tipo Deltóide

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Juntas de Flexão de Eixo Cruzado

Permite reduzir a tensão mecânica sem

aumentar o comprimento da junta,

como no caso das juntas anteriores

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Juntas Torsionais

Microespelho

KL

JGT

JG

TL

12

EG ;

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Juntas de Tubo Cortado

L

GRtk

3

2 3

0

Rigidez à torção

Rigidez à flexão

L

tERk

3

0

Eixo de rotação

Como t<<R a rigidez à torção é muito menor do que a

rigidez à flexão

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Modelagem de Micromecanismos

Usando modelos de corpo pseudo-rígidos, podemos modelar

os MEMS usando softwares de simulação de mecanismos

que são mais simples de usar do que um software de MEF.

Exemplo: mecanismo paralelogramo

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Modelagem de Micromecanismos

Exemplos de micromecanismos a serem modelados no “Working Model”

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Micromecanismos Bi-estáveis

Possuem duas posições de estabilidade. Exemplo: contactor

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Micromecanismos Bi-estáveis

Curvas de energia potencial e torque em

função do ângulo 2

Posição estável

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Micromecanismos Bi-estáveis

Posição estável

Curvas de energia potencial e torque em

função do ângulo 2

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Micromecanismos Bi-estáveis

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Mancais Flexíveis

Elemento Básico

EI

WL

12

3

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Mancais Flexíveis

Mola linear simples

de folhas

Mola linear composta

de folhas

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Mancais Flexíveis

Mecanismos com molas tipo juntas “vivas”

Mola linear simples Mola linear composta

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Mancais Flexíveis

Mola linear composta dupla Mecanismo de translação linear

Mecanismo de juntas “vivas”

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Mancais Flexíveis

Mola linear composta dupla

de folhas

Mola linear simples

de folhas de dois eixos

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Mancais Flexíveis

Mola linear simples com

dois GLs

Mola linear dupla com

dois GLs

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Mancais Flexíveis

Junta de viga Junta de tiras cruzadas Junta monolítica

Junta com seção

cruciforme

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Exemplos de Aplicação

Interferômetro de

Raio-X

Instrumento para medição

de desgaste

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

1

Técnicas de Otimização Aplicadas no

Projeto de “MEMS”

Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva

Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas

Mecânicos

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

2 Seqüência de Apresentação

• Introdução

• Otimização Paramétrica e de Forma

• Otimização Topológica (OT)

• Projeto de Mecanismos Flexíveis Usando OT

• Projeto de Microatuadores Piezelétricos

Usando OT

• Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Usando OT

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

3

Considere o problema:

Encontre a estrutura que:

Minimize Flexibilidade (ou maximize a rigidez)

tal que Restrição de volume de material usado

F

?

Técnicas de Otimização Disponíveis

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

4

b t

h

Abordagens possíveis para a solução:

Otimização Paramétrica

Otimização de Forma

Otimização Topológica

Perfil da Seção

L F

F

F

Perfil da Seção

Perfil da Seção

Técnicas de Otimização Disponíveis

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5 Otimização Paramétrica

•As variáveis de projeto são as dimensões ou razão das

dimensões da peça;

•Não altera a forma da peça, apenas seu aspecto;

Exemplos:

Váriaveis são as áreas

A1, A2 e A3.

Variáveis são as

coordenadas dos nós

A1 A3

A2

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6 Otimização de Forma

h1 Dh2 Dh3 Dh4 Dh5

• Altera somente as formas da estrutura, não permitindo

encontrar novos “furos” no seu domínio;

• Variáveis de projeto são coordenadas dos nós da malha

de MEF ou coeficientes de uma curva que representa a

forma da estrutura (por exemplo, curvas “spline”);

• Exige técnicas de remalhamento da malha de MEF, que é

distorcida durante a otimização;

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7 Otimização de Forma

Projeto Inicial

Projeto Final

Otimizado

Cortesia Altair Inc.

Exemplo de Procedimento:

Especificação das

direções para

alteração de forma

Cálculo das

sensibilidades

em cada

dureção

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8

Procedimento Típico:

Fabricação

Domínio Inicial Domínio Discretizado Topologia obtida

Interpretação Verificação

Otimização Topológica (OT)

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9 Otimização Topológica (OT)

Otimização topológica (OT) combina:

• Método de Elementos Finitos (MEF);

• Algoritmos de otimização (programação

matemática, etc….);

para encontrar a distribuição ótima de material

num domínio fixo.

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Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

10 Exemplo

?

Simetria (somente metade

do domínio é considereda) F

Encontre a estrutura no domínio abaixo que:

Encontre a estrutura no domínio abaixo que:

Minimize Flexibilidade

Sujeito a Restrição de Volume

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?

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37 Otimização Topológica (OT)

Cortesia Altair Engineering, Inc., Michigan

Domínio de projeto com

cargas e condição de contorno.

Distribuição de Material

obtida por OT.

Algoritmo de suavização

baseado em isosuperfícies

usado para interpretação do

resultado de OT.

Etapas da O.T. em domínios tridimensionais

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38

A OT é baseada em dois conceitos principais:

• Domínio Fixo Estendido;

• Modelo de Material

Introdução - Otimização Topológica

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39

Abordagem tradicional:

Encontrar o contorno da

estrutura não conhecida

(Zienkiewicz and

Campbell 1973)

Nova abordagem:

Encontrar a distribuição de

material no domínio

fixo estendido (Bendsfe and

Kikuchi 1988)

Domínio Fixo Estendido

t

d - Unknown DomainExtended Domain

t

Domínio não conhecido Domínio estendido

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40

A formulação do modelo de material para materiais

intermediários define o grau de relaxação do problema.

?

0 1

A utilização de valores discretos, zero ou um, causa instabilidades

numéricas.

É necessário permitir que o material assuma valores intermediários

durante a otimização lei de mistura ou modelo de material.

Relaxação do Domínio de Projeto

Como variar o material de zero a um?

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41

Convergiu? Visualizar os

Resultados

Atualizar as variáveis de projeto

Calcular os Gradientes

Programação Linear

sim

não

Dados Iniciais

MEF

Calcula a Função Objetivo e Restrições Calcular a Função Objetivo e Restrições

MEF

Fluxograma de um Software de OT

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42 Exemplos

A B

C D

Considerado como um

único buraco

Não é

relevante

para a

estrutura

Carga Viga “MBB - Messerschmitt-Bolkow-Blohm”

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43 Refinamento do Resultado

• Controle de “tabuleiro de xadrez”:

• Controle de dimensão de elementos e pequenos detalhes

da estrutura obtida:

d=90,0 d=60,0

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44 Exemplos

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45

Resultado da

Otimização Topológica Resultado Analítico

(Michell 1904)

Exemplos

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46

• Problemas estruturais em geral:

* maximização da freqüência de ressonância (ou carga de

flambagem);

* minimização da resposta em freqüência;

* maximização da absorção de energia de impacto;

* etc...

• Mecanismos Flexíveis;

• Transdutores (atuadores, motores) Piezoelétricos;

• Dispositivos Eletromagnéticos:

* maximização da relação torque/volume nos motores elétricos;

* maximização da receptividade e emissividade em antenas;

• Projeto de materiais compostos com propriedades desejadas;

Áreas de Atuação da OT

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47

Reforçamento ótimo de chapas com máxima razão

rigidez/volume

Capô de Automóvel

Carregamento Reforçamento Otimizado

Exemplos

(Bendsoe&Kikuchi 1988)

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48 Aplicações Industriais

Domínio de projeto

Modelo de CAD (IGES)

Avaliação final por MEF

Cortesia Altair Engineering, Inc., Michigan, EUA

Interpretação com

algoritmo de

suavização

Resultado da OT

Exemplo 2: Braço de suspensão dianteira de caminhão.

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49

Projeto de MEMS Mecanismos Flexíveis Projeto de MEMS Mecanismos Flexíveis

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50 Mecanismos Flexíveis

Indústria de Máquinas de Precisão: máquinas fotográficas,

VCRs, impressoras, “MEMS”, etc...

•Fabricação Simples Não há montagem

•Não há juntas Não há folgas

•Não gera ruído e não precisa de lubrificação

Aplicações:

Tratam-se de mecanismos onde o movimento é dado

pela flexibilidade de ums estrutura e NÃO pela

presença de juntas e pinos.

Vantagens:

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51

1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:17:44

ELEMENTS

FA

FA

deslocamento

desejado

60o

12

15

60

70

29

?

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52

1

Modelo Otimizado

MAR 25 2002

11:47:14

ELEMENTS

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53

1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

11:44:37

ELEMENTS

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54

1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:24:00

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

13:06:23

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

13:04:30

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

13:05:17

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:25:50

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

13:08:04

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

13:09:03

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

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11:46:01

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

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11:59:06

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:25:01

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

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Modelo Otimizado

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12:29:41

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

11:29:39

ELEMENTS

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68

1

Modelo Otimizado

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12:30:40

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Modelo Otimizado

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12:31:32

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70

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:02:44

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:19:14

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

20:05:52

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

20:47:40

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Modelo Otimizado

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20:51:31

ELEMENTS

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

20:53:03

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Modelo Otimizado

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20:53:58

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Modelo Otimizado

MAR 20 2002

20:54:51

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

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20:45:13

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

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ELEMENTS

Interpretação da Topologia Obtida

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1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

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ELEMENTS

Modelo de MEF

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81

1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:17:44

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

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12:17:44

ELEMENTS

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83

1

Modelo Otimizado

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12:17:44

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

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12:17:44

ELEMENTS

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1

Modelo Otimizado

MAR 20 2002

12:17:44

ELEMENTS

Configuração Deformada

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86

B

deslocamento

desejado

60

40

A

FA

60o

B

deslocamento

desejado

60

40

A

FA

60o

Exemplo

Malha com 3375 elementos V* = 25% , w = 0,5

Dados:

Topologia ótima

Configuração

Deformada

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87

A

B

FA

35deslocamento

desejado

50

75o

A

B

FA

35deslocamento

desejado

50

75o

Malha com 3600 elementos V* = 25% , w = 0,5

Dados:

Topologia ótima

Configuração

Deformada

D

FA

Exemplo

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88 Micro: Pinças, Garras, Alicates

B

60

deslocamento

desejado

30

A

FA

B

60

deslocamento

desejado

30

A

FA

Malha com 3234 elementos

Topologia ótima

Configuração

Deformada

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89

A

B

FA

60

deslocamento

desejado

30

A

B

FA

60

deslocamento

desejado

30

Micro: Pinças, Garras, Alicates

Topologia ótima

Configuração

Deformada Malha com 3234 elementos

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90

B

deslocamento

desejado

20

FA

80

B

deslocamento

desejado

20

FA

80

Configuração

Deformada

Micro: Pinças, Garras, Alicates

Topologia ótima

Malha com 3584 elementos

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91

FA

FA

deslocamento

desejado

60o

60

160

FA

FA

deslocamento

desejado

60o

60

160

Micro: Pinças, Garras, Alicates

Configuração

Deformada

Topologia ótima

Malha com 3290 elementos

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92 Distribuição de Tensões de Von-Mises

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93

Sem restrição de deslocamento lateral Sem restrição de deslocamento lateral

Com restrição de deslocamento lateral Com restrição de deslocamento lateral

Força aplicada Direção do

deslocamento

Domínio de Projeto Domínio de Projeto

Restrição de volume=20% Restrição de volume=20%

Restrição

de

desloca-

mento

Micro: Pinças, Garras, Alicates

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94

Forma deformada Forma deformada Projeto Final Projeto Final

Garra Flexível

Micro: Pinças, Garras, Alicates

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95

Configuração ótima Configuração ótima Protótipo Protótipo

Domínio de Projeto Domínio de Projeto

Direção do

deslocamento

Forças aplicadas

Restrição de volume=10% Restrição de volume=10%

Projeto de Mecanismos Flexíveis Usando OT

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96

Projeto de MEMS Piezelétricos Projeto de MEMS Piezelétricos

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97 Atuadores Piezoelétricos

Atuador

Flexitensional

Cerâmica

Piezelétrica Estrutura

Flexível + =

Cerâmica Piezoelétrica

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98 Atuadores Piezelétricos

Exemplos

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99 Projeto de Atuador Flextensional Usando OT

Verificação de MEF

Topologia Ótima Topologia Final

do Atuador

Modelo de MEF Modelo CAD

Domínio Inicial

(1/4 symmetry)

Du Design Domain (Brass)

1

3PZT

B

Design Domain (Aluminum)

Q

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100 Exemplo

Verificação de MEF: Verificação de MEF:

deformada

original

Topologia ótima ( ) Topologia ótima ( )

Desl.

saída

(1/4 simetria)

Du

w=0.5

Design Domain (Brass)

1

3PZT

B

Design Domain (Brass)

Q

s 30%

Piezocerâmica

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101 Exemplo

Design Domain (Brass)

Piezoceramic

Q

B

1

3

(1/2 simetria) Du

Topologia ótima ( ) Topologia ótima ( ) s 25%

Piezocerâmica

w=0.9

Interpretação Interpretação

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102 Exemplo - Microgarra

PZT

ut

3,5

7,5

20

5

2,5

PZT

ut

3,5

7,5

20

5

2,5

Protótipo

Análise de

MEF

Resultado

do OT

Domínio

Inicial

2000

elementos

2000

elementos

w=0,8

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103 Atuadores XY Piezelétricos

Simulação computacional usando o software ANSYS

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104 Conceito de MEMS Piezelétricos

Estruturas multiflexíveis atuados por duas ou mais piezocerâmicas Estruturas multiflexíveis atuados por duas ou mais piezocerâmicas

para gerar deslocamentos de saída desacoplados e forças em

diferentes direções e pontos especificados

Estrutura Multiflexível

Aplicações: ferramentas de microcirurgia, equipamentos de

nanotecnologia, instrumentos de microscopia eletrônica. Exemplos:

Piezocerâmicas Piezocerâmicas

Micromanipulador XY

objeto

Microgarra piezelétrica

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105

Problema: Acoplamento dos movimentos Problema: Acoplamento dos movimentos

Difícil projetar usando

abordagens de tentativa e erro

Difícil projetar usando

abordagens de tentativa e erro Métodos de Otimização Métodos de Otimização

Projeto de MEMS Piezelétricos

Dx indesejado

Dy Dy

indesejado

Dx

Exemplo: Microposicionador XY

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106

P Z T(2)

P Z

T

(1)

P Z T(2)

~

D u1 P Z

T

(1)

~

D u2

Projeto de MEMS Piezelétricos Usando o MOT

Domínio Inicial Domínio discretizado Topologia obtida

Interpretação Verificação por MEF Fabricação

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107

Verificação por

MEF do resultado

Verificação por

MEF do resultado

interpretado

(restrição de simetria)

Exemplo - Nanoposicionador XY

Du A

x

y %35s

1

3

f11

f12

Alumínio

PZT(1)

PZ

T(2

)

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108 Exemplo – Microgarra Piezelétrica

Topologia ótima ( ) Topologia ótima ( ) %30s

Verificação por MEF do resultado interpretado Verificação por MEF do resultado interpretado

Movimento em X Movimento em Y Abrir e fechar da Garra

1

3

Alumínio

f12

PZT(2)

f11

PZ

T(1

)

f11

PZ

T(3

)

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109

Projeto de MEMS Eletrotermomecânicos (ETMs) Projeto de MEMS Eletrotermomecânicos (ETMs)

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110

Deslocamento

MEMS Eletrotermomecânicos (ETMs)

Uma corrente elétrica é convertida em calor pelo efeito Joule.

Pelo efeito termoelástico a variação de temperatura causa uma

deformação estrutural do mecanismo.

Vantagens

Forças e

deslocamentos

gerados são altos;

Fácil fabricação;

Distribuição de

potencial elétrico

Distribuição

de temperatura

Desvantagens

Calor deve ser

removido;

baixa freqüência e

baixo rendimento;

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111 Modelagem por MEF de ETMs

Problema Elétrico

Problema Eletro - Térmico

Problema Termo - Elástico

Potenciais elétricos nodais

(Elementos com 1 GL por nó)

Temperaturas nodais

Deslocamentos nodais

Corrente elétrica ou Potencial elétrico

(Elementos com 1 GL por nó)

(Elementos com 2 GL por nó – Estado Plano de tensão)

Potenciais elétricos efeito joule fonte de calor distribuída

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112

Projeto de ETMs Usando o MOT

Domínio fixo Discretização Iterações

Resultado

do MOT

Verificação Fabricação

Interpretação

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113

Requisito cinemático: max uout

Requisito estrutural: mola de constante K

conhecida inserida no nó de

saída.

Ponto com material Ponto sem material

V

K Uout

Formulação do Problema de Otimização

= variáveis de projeto (pseudo-densidade em cada ponto) )(x

Maximizar: uout

Tal que:

n

10 min n

s

- Equações de equilíbrio

- Restrição de volume:

- Restrição de caixa:

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114 Exemplo - Microgarra Eletrotermomecânica

3500 elementos finitos

K= 1 kN/m

h=19.103 W/m2K

K

500

Uout

K

40050

500,2V

Níquel

Unidade: mm

espessura: 15 mm

Topologia ótima

=30%

Deslocamento e

tensão de

VonMises

Distribuição

de corrente

Distribuição de

temperatura

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115 Projeto de Microatuadores Termomecânicos

Projeto Usando o MOT

Topologias sintetizadas

Configurações Deformadas

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116 Projeto de Microatuadores Termomecânicos

CAD dos protótipos

Protótipos no “wafer”

Protótipo com sensor de força

Detalhe de estrutura suspensa

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117 Projeto de Microatuadores Termomecânicos

Comparação de desempenho

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118 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Atuadores bilaminares Projeto Convencional

Sem restrições na resistência elétrica

Com restrições na resistência elétrica

Projeto por MOT

Máxima razão de potência

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119 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Atuadores bilaminares

CAD dos protótipos

Protótipos: detalhe da estrutura suspensa

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120 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Projeto por MOT

Máxima razão de potência Máximo trabalho de saída

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121 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

CAD dos protótipos

Protótipos no “wafer”

Protótipos com sensor de força

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122 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Atuador XY

Topologia sintetizada

Configurações deformadas

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123 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Protótipo Implementado

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124 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Caracterização dos Protótipos Curvas XY

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125

4.90515

Resultado com vigas Resultado contínuo

Exemplo - Microposicionador XY

Atuação em X Atuação em Y

1000 x 1000 x 100mm

V1=1V

U1

U2

V2=1V

? Níquel

h=16.103 W/m2K =3%

Protótipo fabricado

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126 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

Microgarra Topologia sintetizada

Configurações deformadas

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127 Projeto de Microatuadores Eletrotermomecânicos

CAD do protótipo Protótipo Implementado

Controle por “Joystick”

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128 Ciclo Completo de Desenvolvimento de um ETM

Projeto

por MOT

Simulação

por MEF

Máscara

(fotolito)

Caracterização

Protótipos

Fabricados

Fabricação por

Eletrodeposição

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129

Projeto de Microatuadores Eletrostáticos (ETT) Projeto de Microatuadores Eletrostáticos (ETT)

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130

Estrutura Comb Drive

x

y parte

fixa

massa móvel

• acelerômetro

• filtro mecânico

• atuadores ressonantes

“MEMS” Eletrostáticos (ETTs)

Giroscópio

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131

Micro-motor

eletrostático

Aplicações:

“MEMS” Eletrostáticos (ETTs)

Micro-Switch óptico

1x8 (redes de comunicação) Aparelhos cirúrgicos (amplia

campo de visão do endoscópio)

Interação de cargas

eletrostáticas força torque

micro-discos rígidos; scanners de alta precisão

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132 Projeto de ETTs Usando o MOT

Micro-motor Eletrostático

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133

- variáveis de projeto (pseudo-densidade em cada ponto)

Formulação do Problema de Otimização

t

A

t

AAW VKV ff

B

t

BBW ff ffK

Modelo de material:

Maximizar:

Tal que:

10 min n

0

sd

A

t

AAW ff ffK

Equação de equilíbrio

2

0

2

2

1BBA WWWF

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134

Software de

Otimização

Exemplo

Resultados para variação

da restrição de volume:

Domínio

Inicial