Sviluppo di un morbido elastomero piezoelettrico stampato per applicazioni sensoristiche

This thesis presents a novel method for developing and validating a multipurpose piezoelectric elastomer, demonstrating its effectiveness through two distinct applications. Traditional piezoelectric materials are typically stiff and brittle, with limited exceptions such as composite bending ribbons and Macro Fiber Composites (MFCs). These conventional materials, available only in standardized flat shapes, impose significant design constraints on the systems they integrate with. The developed piezoelectric elastomer addresses these limitations through an innovative casting and curing process. The material combines a liquid polymerizable silicone elastomer with barium titanate ceramic powder, utilizing a simultaneous polymerization and polarization process that enables ceramic particle alignment under modest electric fields imposed. This approach allows for the creation of complex, free-form geometries and the over-moulding of other components, offering unprecedented design flexibility. The thesis investigates the material properties among different configurations explored. Experimental validation demonstrates that the material achieves significant piezoelectric effects while maintaining exceptional compliance, softness, and controlled hysteresis characteristics. The manufacturing process, while currently at the laboratory scale, shows promising potential for industrial implementation. The thesis validates the material's versatility through two applications: a sensorized tyre for wheel force measurement and a vibrating piezoelectric damper. Both implementations leverage the material's unique combination of sensing capabilities and mechanical compliance. Unlike traditional piezoelectric materials, this elastomer eliminates the need for specialized housing while adapting to existing geometries. The material's composition ensures functionality across diverse environments, making it particularly suitable for soft robotics, medical devices, and sportswear applications, but useful also in the traditional mechanical industry. Future developments may also include this material evolution in new energy harvesting systems. This research contributes to the field by establishing design guidelines for mould creation and material processing, paving the way for future developments in compliant piezoelectric systems.

Questa tesi presenta un metodo innovativo per lo studio, lo sviluppo e la validazione di un elastomero piezoelettrico applicabile in diversi ambiti che dimostra la sua efficacia attraverso il suo impiego in due applicazioni distinte. I materiali piezoelettrici tradizionali sono tipicamente rigidi e fragili con limitate eccezioni come i nastri in materiale composito o gli MFC (Macro FIber Composites). Questi materiali convenzionali, disponibili sonon in forme piatte e standardizzate, impongo vincoli significativi nella progettazione dei sistemi con i quali si integrano. Lo sviluppo dell’elastomero piezoelettrico risolve queste limitazioni attraverso un nuovo processo di colatura e cura. Il materiale combina un liquido auto polimerizzante di silicone elastomerico con un a polvere di titanato di bario, utilizzando un processo di simultanea polimerizzazione e polarizzazione che permette l’allineamento delle particelle ceramiche a fronte di modesti campi elettrici imposti. Questo approccio permette la creazione di geometrie complesse e di forma libera, il sovrastampaggio di altri componenti, così dimostrando l’innovativa flessibilità progettuale. La tesi indaga sulle proprietà del materiale al variare delle varie configurazioni esplorate. La validazione sperimentale dimostra che il materiale esibisce un effetto piezoelettrico significativo mantenendo caratteristiche un’ottima cedevolezza, morbidezza e controllata isteresi. Il processo di manifattura, attualmente realizzato artigianalmente, si rivela promettente per l’implementazione industriale. La tesi convalida la versatilità del materiale attraverso due applicazioni: una ruota sensorizzata per la misurazione della forza applicata sulla ruota e un tampone antivibrante piezoelettrico. Entrambe le implementazioni usufruiscono dell’innovativa conbinazione di capacità sensoristiche e alla cedevolezza meccanica. A differenza dei tradizionali materiali piezoelettrici, questo elastomero elimina la necessità di alloggiamenti specializzati adattandosi alle geometrie esistenti. La composizione del materiale assicura la funzionalità in diversi ambienti, rendendolo ideale per applicazioni di soft robotica, dispositivi medici e equipaggiamento sportivo, ma utile anche nell’industria meccanica tradizionale. Sviluppi futuri potrebbero includere l’evoluzione di questo materiale in innovativi sistemi di recupero di energia. Questa ricerca porta un contributo significativo stabilendo le guide di progettazione per la creazione di stampi e preparazione del materiale, creando la strada per futuri sviluppi di sistemi piezoelettrici aventi cedevoli.