Tesi di laurea di primo livello dal titolo "Progettazione, realizzazione e caratterizzazione di un attuatore piezoelettrico"

Piezoelectric actuators are devices capable of movements with nanometer accuracy. They are used in atomic force microscopy (AFM), in order to move and manipulate samples and in marine applications such as realization of hydrophones, acoustic projectors, etc... This thesis describes the different phases of the design and realization of a piezoelectric actuator, starting from geometrical and physical characteristics, both defined in dependence of the expected use. Finite element method simulation (FEM) played a particularly important role. Multiphysical simulations were performed by coupling the piezoelectric effect's physic, with the mechanical physic of a linear elastic structure. 2D numerical model of the whole system was developed starting from piezoceramic manufacturer's data and from material's mechanical and physical characteristics (for example Young modulus). The designed frame was realized with a three axes High Speed Cutting Computer Numerical Controlled (HSC-CNC) milling machine. Measurements were performed by using an experimental instrument, "Biojerker", with the "contact-mode" technique used in atomic force microscopy. This device is a valid alternative to the commercial interferometric system.

Gli attuatori piezoelettrici sono dispositivi capaci di effettuare movimenti con l'accuratezza del nanometro. Essi trovano impiego nella microscopia a forza atomica (AFM), per la movimentazione e manipolazione di campioni, e in applicazioni marine per la realizzazione di idrofoni, proiettori acustici, ecc.... Questa tesi descrive le fasi di progettazione e realizzazione di un attuatore piezoelettrico a partire da determinate caratteristiche geometriche e fisiche definite in funzione dell'utilizzo. Di particolare importanza è stata l'attività di simulazione numerica con il metodo degli elementi finiti (FEM). La simulazione è stata effettuata cercando di accoppiare il fenomeno fisico caratteristico dell'effetto piezoelettrico con il comportamento di una struttura meccanica elastica. La realizzazione di un modello numerico 2D del sistema è stata possibile a partire dai dati forniti della casa produttrice del componente piezoelettrico e dalle caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale utilizzato per la struttura elastica. La struttura elastica progettata, è stata realizzata con una fresatrice a tre assi a controllo numerico. Sono state effettuate alcune misurazioni mediante lo strumento sperimentale denominato Biojerker, utilizzando la tecnica "contact-mode" derivata dalla microscopia a forza atomica. Questa ha permesso la misurazione di grandezze dell'ordine del nanometro senza utilizzare un sistema interferometrico commerciale.