Design of a rotational kirigami-inspired soft actuator induced by instability
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3154927Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Dette arbeidet omfatter utvikling, testing, modifisering og optimalisering av en rotasjonell kirigami-inspirert bi-stabil aktuator. Rapid prototyping benyttes for ˚a fremstilleen basismodell for aktuatoren, som videre blir grundig definert av et sett geometriskeparametere. En numerisk modell av aktuatoren konstrueres ved bruk av elementmetodeprogrammet Abaqus. Parallelt konstrueres et eksperimentelt oppsett for ˚a validere simulasjonene som gjennomføres i Abaqus, og aktuatoren produseres ved hjelp av laserkuttingav polymerark. Materialegenskapene til polymeren testes og en elastisk-plastisk basertp˚a disse testene implementeres i den numeriske modellen, for ˚a danne et godt sammenlikningsgrunnlag mellom numerisk og eksperimentell data. For ˚a tilpasse den rotasjonellebevegelsen av aktuatoren til en aksiell strekktestmaskin designes en testrigg ved hjelpav dataassistert konstruksjon. Deretter sammenlignes dataene fra de ulike modellene, oguoverensstemmelser diskuteres fortløpende.
Resultatene fra den innledende analysen avstandardmodellen benyttes til ˚a konstruere fem ulike modifikasjoner av basismodellen iAbaqus. Dreiemomentskurver fra de ulike modifikasjonene presenteres, og karakteristiskepunkter p˚a kurvene benyttes til ˚a utvikle en metode for optimalisering av aktuatoren.Den utviklede aktuatoren demonstrerer en tydelig bi-stabil karakteristikk, ved bruk avprinsipper hentet fra kirigami. Videre belyses muligheten for ˚a betydelig endre karakteristiske punkter p˚a momentkurven ved modifikasjon av geometriske parametere. Aktuatoren optimaliseres til to ulike spesifiserte m˚al ved ˚a kombinere to eller flere modifikasjoner. Optimaliseringsprosessen avdekker et behov for modifikasjoner med mer unike momentkurver, og det som trolig er interaksjon mellom to ulike modifikasjoner. Sistnevnte er blant mulighetene for videre arbeid. A kirigami inspired rotational bistable soft actuator is developed through experience fromthe specialization project and a rapid prototyping process. By utilization of the finite element method (FEM) program Abaqus, a baseline for the actuator is created, referred toas the standard actuator. An in-depth analysis of the kinematic pathway, torque response,stress distribution, and strain energy in the actuator is performed from the data providedby Abaqus. Particular focus is placed on the torque response, the equilibrium path, of themodel. Alongside the FEM-model, an experimental setup is created. A physical prototypeof the actuator is fabricated by laser-cutting and folding thin polymer sheeting, followedby material testing to capture the elastic-plastic behavior of the material. These materialproperties are then incorporated into Abaqus to facilitate direct comparison between experimental and simulation data. Computer-aided design is employed to develop a test rigthat replicates the boundary conditions of the FEM model, converting the axial displacement of a tensile tester into the rotational motion of the actuator. The experimental datacaptured is compared with the FEM data for validation of our model, and discrepanciesin behaviour are accounted for and discussed continuously.
Insights drawn from the simulation data were subsequently used to create five differentmodifications done to geometrical features on the standardized model. The characteristicpoints of the equilibrium paths in variations of these modifications were recorded, andused to tune the actuator to two different specific purposes. By establishing a set ofrelevant parameters, a parametric space is created for each tuning purpose. A target isplaced in this parametric space, and modifications are combined to reach, or come as closeas possible to the specified target values. Relevant observations are made and discussedduring this process. Lastly, recommended further work is provided to act as inspirationto continue the work on the actuator.
The developed actuator demonstrates a clear bi-stable characteristic, utilizing principlesderived from kirigami. Furthermore, the potential to significantly alter characteristicpoints on the torque curve through the modification of geometric parameters is demonstrated. The actuator is optimized for two different specified targets by combining two ormore modifications, with overall success. The optimization process does, however, reveala need for modifications with more unique torque curves, and what is likely interactionbetween two different modifications. The latter, along with a few select topics are presented as further work.