REGOLAZIONE DELLA FORZA DI ADESIONE DI SUPERFICI ELASTOMERICHE ATTRAVERSO L'UTILIZZO DI MICRO-VIBRAZIONI

Creating reversible adhesive surfaces is still today a challenging engineering task of considerable difficulty and interest, as these surfaces find applications in a wide range of contexts such as robotic manipulation, materials engineering, biomedicine, as well as electronics and microtechnology. In this thesis work, we studied an innovative methodology to regulate the adhesion forces of a viscoelastic interface, based on the use of electrodynamic shakers capable of inducing vibrations with micrometric frequency and amplitude. Starting from experimental evidence obtained at the Tribodynamics Lab of the Polytechnic University of Bari, which showed that a viscoelastic substrate subjected to micro-vibrations experienced a significant improvement in its adhesive capabilities against rigid surfaces, we developed a lumped-parameter numerical model, through which it was possible to perform contact test simulations by manipulating a series of defined parameters. In the first chapter, the set-up through which the experimental contact tests were conducted was described: the loading and unloading system of the interface, the indenter, the actuators for microvibrations, followed by a focus on the viscoelastic substrate under examination. In the second chapter, the dimensionless model was introduced, based on which the variables and fundamental equations of the system were defined, and subsequently implemented in MATLAB© programming software. Thanks to specific functions for loading parameters, load protocol, post-processing, data analysis, and result plotting, it was possible to perform numerical simulations to obtain the adhesion force, contact radius, elastic force, and indentation for each individual test. The next chapter, dedicated to the simulation results, can be divided into two parts. The first part focuses on the general behavior of the substrate in relation to the frequency and amplitude of vibrations, through an analysis of the contact radius, indentation, and elastic force, in relation to which the optimal parameters were identified that allow for the maximum increase in the adhesive capabilities of the substrate. In the second part, the focus was on manipulating parameters such as the stiffness of the spring-damper system, the material discharge speed, and the preload applied to the substrate, and the variation of the contact radius relative to the quasi-static model was also measured for each manipulated parameter in order to further confirm the observations made in this same chapter. In conclusion, it was noted that variables such as vibration frequency and amplitude and discharge speed are decisive in regulating the adhesive force of the substrate, while others such as damping of the system or the stiffness of the spring have a lesser degree of influence, while others, such as the preload, seem to not affect the results in any way.

Realizzare superfici adesive reversibili è ancora oggi una sfida ingegneristica di notevole difficoltà e interesse, poiché queste trovano applicazione in un ampio spettro di contesti quali la manipolazione robotica, l’ingegneria dei materiali, la biomedicina, ma anche l’elettronica e la microtecnologia. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato una metodologia innovativa per regolare le forze di adesione di un’interfaccia viscoelastica, che si basa sull’utilizzo di shaker elettrodinamici in grado di indurre vibrazioni a frequenza e ampiezza micrometrica. Partendo da evidenze sperimentali, ottenute presso il Tribodynamics lab del Politecnico di Bari, che mostravano che un substrato viscoelastico soggetto a micro-vibrazioni subiva un miglioramento notevole delle sue capacità adesive nei confronti di superfici rigide, abbiamo sviluppato un modello numerico a parametri concentrati grazie al quale è stato possibile effettuare simulazioni del test di contatto manipolando una serie di parametri definiti. Nel primo capitolo è stato descritto il set-up attraverso cui sono stati condotti i test sperimentali di contatto: il sistema di carico e scarico dell’interfaccia, l’indentatore, gli attuatori per le microvibrazioni a cui è seguito un focus sul substrato viscoelastico preso in esame. Nel secondo capitolo è stato introdotto il modello adimensionale in base al quale sono state definite le variabili e le equazioni fondamentali del sistema, successivamente implementato nel software di programmazione MATLAB©. Grazie a specifiche funzioni di caricamento dei parametri, protocollo di carico, post processing, analisi dei dati e plotting dei risultati è stato possibile svolgere le simulazioni numeriche per l’ottenimento della forza di adesione, del raggio di contatto, della forza elastica e dell’indentazione per i singoli test. Il capitolo successivo dedicato ai risultati delle simulazioni può essere diviso in due parti. La prima parte si concentra sul comportamento generale del substrato in relazione alla frequenza e all’ampiezza delle vibrazioni, attraverso l’analisi sul il raggio di contatto, sull’indentazione e sulla forza elastica, in relazione ai quali sono stati individuati i parametri ottimali che permettono di ottenere il massimo aumento delle capacità adesive del substrato. Nella seconda parte ci si è concentrati sulla manipolazione di parametri quale la rigidezza del sistema molla-smorzatore, la velocità di scarico del materiale, e il precarico applicato al substrato, ed è stata misurata anche la variazione del raggio di contatto rispetto al modello quasi statico per ogni parametro manipolato al fine di un’ulteriore conferma delle osservazioni fatte in questo medesimo capitolo. In conclusione, si è notato che variabili come la frequenza e l’ampiezza delle vibrazioni e velocità di scarico risultano determinanti nella regolazione della forza adesiva del substrato, altre come lo smorzamento del sistema o la rigidezza della molla hanno un grado di influenza minore, altre ancora come il precarico sembrano non condizionare in alcun modo i risultati