Diseño, fabricación y caracterización de un actuador piezo-eléctrico tipo langevin de uso industrial

En este trabajo se desarrolla el diseño, la fabricación y la caracterización de dos actuadores piezoeléctricos tipo Langevin que operan a las frecuencias de 28 y 40 KHz. Se realizó el diseño y la fabricación de una herramienta desmontable para el actuador de 28 KHz, y se realizó el diseño y la fabricación de un sistema acoplado actuador-herramienta para operar a 40 KHz. Posteriormente, se realizaron algunas pruebas de aplicación con los dispositivos fabricados. Para el diseño de los actuadores, se desarrolló la formulación de un elemento finito piezoeléctrico unidimensional con interpolación lineal, el cual fue posteriormente utilizado para modelar la respuesta en frecuencia del dispositivo. La respuesta en frecuencia fue obtenida por medio de un análisis armónico que generó curvas de desplazamiento mecánico y de impedancia eléctrica en función de la frecuencia de excitación. Además se visualizaron los modos de vibración del actuador a partir de un análisis modal. Para el diseño de la herramienta se realizó un análisis modal utilizando el elemento finito mencionado con anterioridad, sin considerar los efectos piezoeléctricos. El modelo fue implementado en el programa MATLAB. A partir de los parámetros de diseño obtenidos en las simulaciones, se realizaron los planos de las piezas en el programa SOLIDWORKS, y para su fabricación se utilizaron algunos materiales a disposición como: anillos de material cerámico piezoeléctrico PZT (clase 4mm), acero inoxidable AISI-304 y una lámina de cobre. El maquinado de las piezas se realizó en torno y fresadora. Para la caracterización de los dispositivos se utilizó un generador de señales y un osciloscopio, y se implementó una variante del circuito de caracterización hallado en la literatura. Se generaron curvas de impedancia eléctrica versus frecuencia de excitación. Se compararon las curvas de impedancia eléctrica experimental y simulada, mostrando que el modo fundamental de los actuadores se presenta para la frecuencia de diseño y que dicho modo es flextensional; además se observó que la participación de la herramienta no afecta la respuesta en frecuencia del actuador. Esto permitió concluir que la técnica de modelado puede ser utilizada como herramienta para el diseño de actuadores tipo Langevin, generando parámetros dimensionales para su fabricación y optimizando el proceso de validación. Las pruebas para fines industriales mostraron resultados positivos en cuanto a agitación y cavitación, que son la base de aplicaciones como la limpieza de piezas mecánicas, la aceleración de reacciones químicas, las pruebas de cavitación para materiales y la infusión

• Autores: Lemos Durán, Alberto
• Tipo de recurso: Trabajo de grado de pregrado
• Fecha de publicación: 2017
• Institución: Universidad Autónoma de Occidente
• Repositorio: RED: Repositorio Educativo Digital UAO
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:red.uao.edu.co:10614/9795
• Acceso en línea: http://hdl.handle.net/10614/9795
• Palabra clave: Ingeniería Mecánica; Dispositivos piezoeléctricos; Piezoelectric devices
• Rights: openAccess
• License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/