Numerical analysis and manufacturing of elastomers utilizing shape deposition manufacturing method to design a rugged robot

Abstract

Günümüzde kullanımları eksponansiyel olarak artan mekatronik uygulamalar ve robotlar her geçen gün daha hızlı, akıllı ve kullanışlı olmaktadırlar. Yeni nesil robotlar gövdelerinde bir çok kamera, algılayıcı ve eyleyici gibi yüksek ivme ve gerilim altında kırılgan olabilecek parçalarla çalışmaktadır. Bu tezin amacı; hali hazırda tedarik edilen algılayıcı ve eyleyicilerin elastomerik malzemelerin içine gömülmesi ile robotların çok daha dayanıklı hale getirilmesidir. Bu proje kapsamında hızlı prototipleme yöntemlerinden biri olan Şekilsel Döküm ve Üretim Yöntemi (ŞDÜ) kullanılmıştır. Bu tez kapsamında; yüksek aşınma direnci, yırtılma direnci, kimyasal direnç, mikrobiyal direnç ve ayarlanabilir Shore sertliği nedenleri ile hızlı hareketlerde viskoelatik özelliği, yüksek deformasyonda ise hiperelastik özellik gösteren poliüretanın kullanılmasına karar verilmiştir.Bu tezin hedefi; malzemelerin viskoelastik ve hiperelastik özelliklerini kullanarak darbelere karşı dayanıklı bir robot geliştirme algoritmasının bulunmasıdır. Bu amaç doğrultusunda; seçilen elastomerik malzemeler Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Yapay Sinir Ağı gibi saysal yöntemler kullanarak analiz edilmiştir. Sonlu elemanlar modelini oluşturmak için tek eksenli çekme, kesme, iki eksenli çekme gibi test sonuç bilgilerine ihtiyaç vardır. Ancak kesme ve iki eksenli çekme testleri çok nadir bulunan ve pahalı test cihazları tarafından gerçekleştirilebilmektedir. Bu yüzden, bu testler fiziksel olarak gerçekleştirilmemiş, yerine Valanis-Landel yöntemi ile çekme ve basma test verileri kullanarak yaklaşık sonuçlar bulunmuştur.Elde edilen tüm sonuçların test edilmesi ve modellerle karşılaştırılması amacıyla bu tez kapsamında düşme test cihazı tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu test düzeneği ile farklı alan ve kalınlıklara sahip malzemeler farklı değişik hız ve ağırlıklarla test edilmiş, böylece tüm bu değişkenlerin malzeme üzerinde oluşturduğu azami ivme ve gerilme değerleri üzerine olan etkileri belirlenmiştir.

The robotic and its evolution in recent years is one of the most transformative inventions of man. Over years innovations have made robots faster, more intelligent and smart. Modern robots utilize increasing numbers of cameras, sensors, actuators and etc. Some of these mechatronic devices are sensitive to applied acceleration and/or stress. More electronic devices are expected to provide more functionality whilst remaining safe when using in harsh environment. In this thesis, the ultimate goal is to design a rugged robot which provides maximum level of protection for sensitive components. This performance would be satisfied by embedding the electronic devices into a host objects made by rubber-like materials; which are widely used in decreasing intensity of impact loads or acceleration. Polyurethane elastomers are viscoelastic rubber-like materials with very wide shore hardness which provide different dynamic properties. These materials are selected due to their superior properties such as; viscoelastic behavior under high strain rates and elastic behavior under low strain-rates.Embedding of the components in the host material requires special manufacturing method to manufacture the robot in 3-D and monolithic way. We used a special rapid prototyping method named Shape Deposition Manufacturing (SDM) to manufacture the robot. The main objective of this thesis is to design a rugged robot by analyzing viscoelastic and hyperelastic behaviors of the material. Numerical methods such as Finite Element Method (FEM) and Neural network are implemented to analyze the behavior of material under different loading conditions. FEM requires data-set results of materials from multiple test set-ups (uniaxial tension, pure shear, biaxial). Shear and biaxial tests require special mechanical devices that are scarce and expensive, therefore; an alternative Valanis-Landen method was used instead of performing these tests.To analyze the realistic impact, a test device is designed to test the specimens with different area and thickness under different testing conditions of drop height and drop mass. Finally, the best design parameters are selected to ensure protection of the rugged robot.