Este trabalho trata do desenvolvimento de uma mesa angular rotativa, para o microposicionamento de peças anesféricas durante a usinagem de ultraprecisão, para atender as tolerâncias nanométricas. Este microposicionamento angular é alcançado com o emprego de atuadores piezelétricos. Por se tratar de um tipo de sistema com movimento de rotação, relata-se o problema encontrado para energizar os atuadores. Este problema é abordado mostrando a alternativa encontrada destacando pontos relevantes, como: a) energização através de anéis coletores deslizantes, de cobre revestidos em prata, fixados no diâmetro externo do dispositivo; b)isolação elétrica entre os anéis e a peça; c) ligação do cabo coaxial vindo dos atuadores piezelétricos; d) aterramento dos cabos coaxiais, utilizando apenas um anel coletor deslizante. Explica como acontece a transmissão do sinal de corrente elétrica do aparelho de controle para os anéis deslizantes e posteriormente aos atuadores piezelétricos, utilizando contatos através de escovas, com 65% de prata e 35% de grafite, com molas duplas para garantir a pressão do contato, fixadas numa base rígida externa ao dispositivo. Destaca-se que a confiabilidade no microposicionamento da peça está na preservação da transmissão de uma corrente elétrica de 50mA para os atuadores. Conclui que é possível realizar o microposicionamento angular da peça que está sendo trabalhada, durante a usinagem de ultraprecisão, garantindo assim suas tolerâncias nanométricas / This work deals with a rotating tilt stage. It considers the micropositioning of aspheric workpieces during high precision machining, in order to obtain nanometric accuracies. It defines this angular micropositioning with the use of piezoelectric actuators. The problem found to energize the actuators, because it is a rotating driving mechanism is discussed. The chosen solution is presented and import points are highlighted, such as: a) to energize through sliding ring collectors, of copper coated in silver, fastened to the external diameter of the device; b) electric isolation between the rings and the workpiece; c) connection of the coax cable of the piezoelectric actuators; d) to ground the coax cables, just using a sliding ring collector. The transfer of electric current of the control system to the sliding rings and piezoelectric actuators is explained. Contacts with 65% of silver and 35% of carbon, with double springs to guarantee the pressure of the contact, fastened to a rigid base are used. The reliability in the micropositioning of a workpiece depends on the preservation of the electric current of 50mA to the actuators. It is shown that it is possible to realize the angular micropositioning of workpiece, during high precision machining, guaranteeing nanometric accuracies

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático. / Considering that oil when extracted from the wells in deep water have water content greater than 50%, and that before to be sent to the refinery must have a quantity of water less than 1%, it becomes necessary to use water amount reduction techniques. During the oil extraction are formed water-in-oil emulsions that are highly stable due to an interfacial film containing asphaltenes and / or resins around the water droplets. This work presents the use of ultrasonic standing waves to perform that emulsion break. When water droplets with dimensions about 10m, much smaller than the wavelength, are placed in a standing acoustic field in oil, the acoustic radiation force pushes the water droplets to the pressure wave nodes. A coalescing chamber with frequency about 1 MHz, with four layers comprising a piezoelectric, a solid coupling, one with the liquid, and another reflector, was modeled using the matrix transfer method, that allows calculating the electrical impedance as a function of frequency. To minimize the effect of the temperature gradient between the inlet and the outlet of the chamber cavity, when it is operating, were used two groups of piezoelectric transducers positioned transverse to the flow which are excited and controlled independently. A digital controller has been implemented to adjust the frequency and the power of each transducer. The controller has as input the modulus and phase of electrical current of the transducer and as output the amplitude of voltage and the frequency. For developed cells, the control algorithm follows an specific resonance peak within the chambers cavity in the frequency range 1.09 to 1.15 MHz. Acoustic separation of water in oil emulsions was carried out on a laboratory oil processing plant. Tests were performed by varying the amount of the chemical demulsifier, the initial water content in the emulsion. The system flow rate was kept constant at 80 W using the control system. Residence time within the separation chamber was identified as an important factor in the water in oil emulsions coalescence process. The use of chemical demulsifier is required to perform the separation, however in large quantities, it implies the use of additional processes before the oil final transfer to the refinery. Initial water contents in the emulsion about 30 and 50% indicate that the use of the acoustic standing wave in the emulsion coalescence has not limitation on this parameter. According to the results obtained in laboratory, this technique would be indicated as an alternative to integrate a primary processing system together with an electrostatic separator.

O estudo da força de radiação acústica é de extrema importância para compreender o fenômeno da levitação acústica, tendo em vista que ela é que permite a levitação de objetos no interior de uma cavidade acústica. A cavidade acústica é uma região do espaço delimitada pelas faces de um transdutor e de um refletor, onde é produzida uma onda estacionária de alta intensidade. Nesta técnica, conhecida como levitação por ondas estacionárias, pequenos objetos são aprisionados nos nós de pressão da onda estacionária. Além desta, também existe uma outra técnica de levitação onde não há a necessidade de se utilizar um refletor, técnica conhecida como levitação de campo próximo, na qual se tem apenas um transdutor e o objeto de face plana que se deseja levitar. Nesta técnica há uma pequena região com ar entre o transdutor e o objeto, sendo que a espessura da camada de ar é muito menor que o comprimento de onda. Neste trabalho foi feito um estudo numérico e experimental da força de radiação acústica em levitadores acústicos de onda estacionária e em levitadores de campo próximo. As simulações foram realizadas no software de elementos finitos COMSOL Mutiphysics. No estudo experimental foi utilizada uma balança eletrônica para medir a força de radiação acústica e uma câmera de alta velocidade para observar o comportamento oscilatório de objetos esféricos no interior da cavidade acústica. O estudo da força de radiação acústica resultou em três principais contribuições. A primeira contribuição está relacionada com a caracterização de efeitos não lineares em um levitador acústico, como o fenômeno de salto (jump phenomenon) e o fenômeno de histerese. A segunda contribuição está relacionada com o estudo numérico e experimental da força de radiação acústica que atua no refletor de um levitador acústico. Por último também foi feito um estudo da força de radiação acústica que atua no refletor para a região do campo próximo. Neste último estudo foi verificado que quando o diâmetro da face do transdutor é pequeno em comparação com o comprimento de onda, surge uma força atrativa sobre o refletor, e esta força pode ser utilizada para levitar um objeto plano em baixo da face do transdutor, sem haver necessidade de utilizar refletores. / The study of the acoustic radiation force is of high relevance to understand the acoustic levitation, since it is responsible for the levitation of small objects in the interior of an acoustic cavity. The acoustic cavity is the region delimited by the surfaces of the transducer and the reflector, where it is generated an acoustic standing wave field of high intensity. In this technique, called standing wave acoustic levitation, small objects are entrapped at the pressure nodes of the standing wave. In addition, there is also another levitation technique where there is no need to use a reflector. This technique is known as near-field levitation, in which there is only one transducer and the flat-faced object to be levitated. In this technique there is a small region with air between the transducer and the object, with the thickness of the air layer being much smaller than the wavelength. In this work, a numerical and experimental study of the acoustic radiation force in acoustic wave levitators and near-field levitators was done. The simulations were performed in the finite element software COMSOL Mutiphysics. In the experimental results, an electronic scale was used to measure the acoustic radiation force and a high speed camera was applied to observe the oscillatory behavior of spherical objects inside the acoustic cavity. The study of acoustic radiation strength resulted in three main contributions. The first contribution is related to the characterization of nonlinear effects in an acoustic levitator, such as the jump phenomenon and the hysteresis phenomenon. The second contribution is related to the numerical and experimental study of the acoustic radiation force that acts on the reflector of an acoustic levitator. Finally, a study of the acoustic radiation force that acts on the reflector for the near field region was also made. In this last study, it was verified that when the transducer is small in comparison with the wavelength, an attractive force appears on the reflector. This force can be used to levitate a flat object below the transducer face, without requiring a reflector.

O estudo da força de radiação acústica é de extrema importância para compreender o fenômeno da levitação acústica, tendo em vista que ela é que permite a levitação de objetos no interior de uma cavidade acústica. A cavidade acústica é uma região do espaço delimitada pelas faces de um transdutor e de um refletor, onde é produzida uma onda estacionária de alta intensidade. Nesta técnica, conhecida como levitação por ondas estacionárias, pequenos objetos são aprisionados nos nós de pressão da onda estacionária. Além desta, também existe uma outra técnica de levitação onde não há a necessidade de se utilizar um refletor, técnica conhecida como levitação de campo próximo, na qual se tem apenas um transdutor e o objeto de face plana que se deseja levitar. Nesta técnica há uma pequena região com ar entre o transdutor e o objeto, sendo que a espessura da camada de ar é muito menor que o comprimento de onda. Neste trabalho foi feito um estudo numérico e experimental da força de radiação acústica em levitadores acústicos de onda estacionária e em levitadores de campo próximo. As simulações foram realizadas no software de elementos finitos COMSOL Mutiphysics. No estudo experimental foi utilizada uma balança eletrônica para medir a força de radiação acústica e uma câmera de alta velocidade para observar o comportamento oscilatório de objetos esféricos no interior da cavidade acústica. O estudo da força de radiação acústica resultou em três principais contribuições. A primeira contribuição está relacionada com a caracterização de efeitos não lineares em um levitador acústico, como o fenômeno de salto (jump phenomenon) e o fenômeno de histerese. A segunda contribuição está relacionada com o estudo numérico e experimental da força de radiação acústica que atua no refletor de um levitador acústico. Por último também foi feito um estudo da força de radiação acústica que atua no refletor para a região do campo próximo. Neste último estudo foi verificado que quando o diâmetro da face do transdutor é pequeno em comparação com o comprimento de onda, surge uma força atrativa sobre o refletor, e esta força pode ser utilizada para levitar um objeto plano em baixo da face do transdutor, sem haver necessidade de utilizar refletores. / The study of the acoustic radiation force is of high relevance to understand the acoustic levitation, since it is responsible for the levitation of small objects in the interior of an acoustic cavity. The acoustic cavity is the region delimited by the surfaces of the transducer and the reflector, where it is generated an acoustic standing wave field of high intensity. In this technique, called standing wave acoustic levitation, small objects are entrapped at the pressure nodes of the standing wave. In addition, there is also another levitation technique where there is no need to use a reflector. This technique is known as near-field levitation, in which there is only one transducer and the flat-faced object to be levitated. In this technique there is a small region with air between the transducer and the object, with the thickness of the air layer being much smaller than the wavelength. In this work, a numerical and experimental study of the acoustic radiation force in acoustic wave levitators and near-field levitators was done. The simulations were performed in the finite element software COMSOL Mutiphysics. In the experimental results, an electronic scale was used to measure the acoustic radiation force and a high speed camera was applied to observe the oscillatory behavior of spherical objects inside the acoustic cavity. The study of acoustic radiation strength resulted in three main contributions. The first contribution is related to the characterization of nonlinear effects in an acoustic levitator, such as the jump phenomenon and the hysteresis phenomenon. The second contribution is related to the numerical and experimental study of the acoustic radiation force that acts on the reflector of an acoustic levitator. Finally, a study of the acoustic radiation force that acts on the reflector for the near field region was also made. In this last study, it was verified that when the transducer is small in comparison with the wavelength, an attractive force appears on the reflector. This force can be used to levitate a flat object below the transducer face, without requiring a reflector.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático. / Considering that oil when extracted from the wells in deep water have water content greater than 50%, and that before to be sent to the refinery must have a quantity of water less than 1%, it becomes necessary to use water amount reduction techniques. During the oil extraction are formed water-in-oil emulsions that are highly stable due to an interfacial film containing asphaltenes and / or resins around the water droplets. This work presents the use of ultrasonic standing waves to perform that emulsion break. When water droplets with dimensions about 10m, much smaller than the wavelength, are placed in a standing acoustic field in oil, the acoustic radiation force pushes the water droplets to the pressure wave nodes. A coalescing chamber with frequency about 1 MHz, with four layers comprising a piezoelectric, a solid coupling, one with the liquid, and another reflector, was modeled using the matrix transfer method, that allows calculating the electrical impedance as a function of frequency. To minimize the effect of the temperature gradient between the inlet and the outlet of the chamber cavity, when it is operating, were used two groups of piezoelectric transducers positioned transverse to the flow which are excited and controlled independently. A digital controller has been implemented to adjust the frequency and the power of each transducer. The controller has as input the modulus and phase of electrical current of the transducer and as output the amplitude of voltage and the frequency. For developed cells, the control algorithm follows an specific resonance peak within the chambers cavity in the frequency range 1.09 to 1.15 MHz. Acoustic separation of water in oil emulsions was carried out on a laboratory oil processing plant. Tests were performed by varying the amount of the chemical demulsifier, the initial water content in the emulsion. The system flow rate was kept constant at 80 W using the control system. Residence time within the separation chamber was identified as an important factor in the water in oil emulsions coalescence process. The use of chemical demulsifier is required to perform the separation, however in large quantities, it implies the use of additional processes before the oil final transfer to the refinery. Initial water contents in the emulsion about 30 and 50% indicate that the use of the acoustic standing wave in the emulsion coalescence has not limitation on this parameter. According to the results obtained in laboratory, this technique would be indicated as an alternative to integrate a primary processing system together with an electrostatic separator.

Este trabalho trata do desenvolvimento de uma mesa angular rotativa, para o microposicionamento de peças anesféricas durante a usinagem de ultraprecisão, para atender as tolerâncias nanométricas. Este microposicionamento angular é alcançado com o emprego de atuadores piezelétricos. Por se tratar de um tipo de sistema com movimento de rotação, relata-se o problema encontrado para energizar os atuadores. Este problema é abordado mostrando a alternativa encontrada destacando pontos relevantes, como: a) energização através de anéis coletores deslizantes, de cobre revestidos em prata, fixados no diâmetro externo do dispositivo; b)isolação elétrica entre os anéis e a peça; c) ligação do cabo coaxial vindo dos atuadores piezelétricos; d) aterramento dos cabos coaxiais, utilizando apenas um anel coletor deslizante. Explica como acontece a transmissão do sinal de corrente elétrica do aparelho de controle para os anéis deslizantes e posteriormente aos atuadores piezelétricos, utilizando contatos através de escovas, com 65% de prata e 35% de grafite, com molas duplas para garantir a pressão do contato, fixadas numa base rígida externa ao dispositivo. Destaca-se que a confiabilidade no microposicionamento da peça está na preservação da transmissão de uma corrente elétrica de 50mA para os atuadores. Conclui que é possível realizar o microposicionamento angular da peça que está sendo trabalhada, durante a usinagem de ultraprecisão, garantindo assim suas tolerâncias nanométricas / This work deals with a rotating tilt stage. It considers the micropositioning of aspheric workpieces during high precision machining, in order to obtain nanometric accuracies. It defines this angular micropositioning with the use of piezoelectric actuators. The problem found to energize the actuators, because it is a rotating driving mechanism is discussed. The chosen solution is presented and import points are highlighted, such as: a) to energize through sliding ring collectors, of copper coated in silver, fastened to the external diameter of the device; b) electric isolation between the rings and the workpiece; c) connection of the coax cable of the piezoelectric actuators; d) to ground the coax cables, just using a sliding ring collector. The transfer of electric current of the control system to the sliding rings and piezoelectric actuators is explained. Contacts with 65% of silver and 35% of carbon, with double springs to guarantee the pressure of the contact, fastened to a rigid base are used. The reliability in the micropositioning of a workpiece depends on the preservation of the electric current of 50mA to the actuators. It is shown that it is possible to realize the angular micropositioning of workpiece, during high precision machining, guaranteeing nanometric accuracies

Bombas de fluxo são dispositivos importantes em áreas como a Bioengenharia, Medicina, Farmácia, entre outras aplicações clássicas de Engenharia. Princípios para o bombeamento de fluidos baseados em atuadores piezelétricos estão sendo estudados no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica, que permitem a construção de bombas de fluxo de pequena escala, ou seja, bombas de fluxo de pequena potência para deslocamento de pequenos volumes de fluido com baixo consumo de energia. O presente trabalho estuda bombas de fluxo piezelétricas de diafragma do tipo valve-less para geração de vazão. A bomba de fluxo piezelétrica de diafragma utiliza cerâmica piezelétrica como atuador para mover uma membrana (diafragma) para cima e para baixo como um pistão, que causa uma seqüência de aumento e diminuição do volume da câmara da bomba, forçando a entrada e a saída do fluido na bomba. A direção do fluxo é garantida por válvulas que privilegiam o fluxo em apenas um sentido. O objetivo deste trabalho é o estudo da metodologia de desenvolvimento de uma bomba de fluxo piezelétrica de diafragma de baixo custo do tipo valve-less. Para tanto, será utilizado a modelagem por Método dos Elementos Finitos (MEF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos e construtivos da bomba de fluxo. Serão realizadas simulações de escoamento de fluido pelo Método de Volumes Finitos (MVF) para a realização de análises de sensibilidade dos parâmetros geométricos dos elementos difusor/bocal e o levantamento das curvas características da bomba de fluxo. Por fim, protótipos serão construídos e caracterizados para validação dos resultados computacionais. Serão apresentadas a metodologia empregada e a discussão dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps act as important devices in areas as Bioengineering, Medicine, Pharmacy, among other areas of Engineering. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been studied in the Department of Mechatronic and Mechanical Engineering of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, that allow the construction of small flow pumps, in other words, pumps for displacement of small fluid volumes with low power consumption. The present work studies valveless piezoelectric diaphragm flow pumps for flow generation. The piezoelectric diaphragm flow pump uses a piezoelectric ceramic as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. Consequently, there is a sequence of increase and decrease in the chamber volume that will force the fluid in and out of the pump. The direction of the flow is guaranteed by valves that privilege the flow in just one pumping direction. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low cost valve-less piezoelectric diaphragm flow pump. A sensitivity analysis is carried using computational simulation through the Finite Element Method (FEM) to study how construction parameters and assembly affect diaphragm flow pump performance. Using CFD simulations through the Finite Volume Method (FVM), a sensitivity analysis is done around nozzle/diffuser element geometrical parameters and pump characteristic curves are obtained. Finally, computational results are validated by prototype construction and characterization. The text presents methodologies employed and discusses the obtained results, analyzing the principle and the related physical phenomena.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.

Atuadores Piezelétricos Flextensionais consistem de uma estrutura flexível atuada por cerâmicas piezelétricas (ou “pilhas” de cerâmicas). A estrutura flexível conectada a piezocerâmica deve gerar deslocamentos e forças em diferentes pontos específicos do domínio, para uma direção especificada. Estes atuadores são usados em aplicações de mecânica de precisão, tal como, sistemas microeletromecânicos (MEMS), manipulador de células, interferometria laser, equipamentos de nanotecnologia, equipamentos de microcirurgias, nanoposicionadores, sonda de varredura microscópica, e etc. Porém, devido ao fato destes atuadores consistirem principalmente de um mecanismo flexível, seu projeto é complexo. A estrutura flexível comporta-se como um transformador mecânico pela amplificação para converter, direcionar e amplificar os pequenos deslocamentos gerados pela piezocerâmica (ordem de nanômetros). A estrutura flexível é projetada distribuindo-se flexibilidade e rigidez no domínio de projeto, o que pode ser obtido usando a otimização topológica. Portanto, o objetivo deste trabalho é implementar um método sistemático baseado no método de otimização topológica para projetar atuadores piezelétricos flextensionais. Essencialmente, o método de otimização topológica consiste em encontrar a distribuição ótima de material perfurando o domínio de projeto com infinitos microfuros. O material em cada ponto pode alterar de vazio a total presença de material, também assumindo material intermediário (ou compósito). A implementação do método de otimização topológica é baseado no modelo de material SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization). O problema de otimização é posto como a maximização dos deslocamentos gerados (ou força de blocagem) em diferentes pontos e direções especificadas do domínio. Considerando o comportamento linear da piezocerâmica. Alterando a flexibilidade e a rigidez da estrutura flexível conectada a piezocerâmica obtém-se diferentes tipos de atuadores piezelétricos flextensionais, que podem ser projetados para determinadas aplicações. Para ilustrar o método, os exemplos mostrados são modelos bidimensionais (2D), uma vez que a maior parte das aplicações envolve dispositivos planos. Estes atuadores são fabricados usando corrosão química em chapas de cobre abaixo de 200 μm de espessura através do método de litografia. Técnica de corrosão química tem um baixo custo e permite-nos fabricar diversos protótipos para testes. Esta técnica pode ser facilmente utilizada no LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron – Campinas). Análise experimental destes protótipos são procedidas para medição de deslocamentos usando uma Probe Station. Como trabalho futuro, estes protótipos serão construídos em escala de MEMS. / Flextensional Piezoelectric Actuators consist of a flexible structure actuated by piezoelectric ceramics (or a stack of piezoceramics). The flexible structure connected to the piezoceramic must generate displacements and forces in different specified points of the domain, according to a specific direction. These actuators are applied to precision mechanic applications such as microelectromechanical systems (MEMS), cell manipulators, laser interferometers, nanotechnology equipment, microsurgery equipment, nanopositioners, scanning probe microscopy, etc. However, due to the fact these actuators essentially consist of a compliant mechanism their design is complex. The compliant structure behaves as a mechanical transform by amplifying and changing the direction of small output displacements generated by piezoceramics (order of nanometer). The flexible structure is designed by distributing flexibility and stiffness in the design domain, which can be archieved by using topology optimization. Therefore, the objective of this work is to implement a systematic method based on topology optimization method to design flextensional piezoelectric actuators. Essentially, the topology optimization method consists of finding the optimal material distribution in a perforated design domain with infinite microvoids. The material in each point can change from void to full material, also assuming intermediate (or composite) material. The implemented topology optimization method is based on the SIMP (Simple Isotropic Material with Penalization) material model. The optimization problem is posed as maximization of output displacements (or grabbing forces) in different specified directions and points of the domain. A linear behavior of piezoceramic is considered. By changing the flexibility and stiffness of flexible structure connected to the piezoceramics different types of flextensional piezoelectric actuators can be designed for a desired application. To illustrate the method, examples presented herein are limited to two-dimensional (2D) models once in most part of applications of these actuators they are planar devices. These actuators are manufactured by using chemical corrosion on a 200 um thickness copper plate through lithography method. Chemical corrosion technique has a low cost and it allow us to manufacture several prototypes for testing. For this technique, facilities of the micromachining laboratory of National Sincroton Light Laboratory (LNLS - Campinas) are used. Experimental analysis of these prototypes are conducted by measuring displacements using a probe station. As a future work, these prototypes will be built in a MEMS scale.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.