Publication
Integration of piezoelectric elements in the injection moulding process for active metamaterial production
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia | |
| datacite.subject.sdg | 09:Indústria, Inovação e Infraestruturas | |
| dc.contributor.advisor | Campilho, Raul Duarte Salgueiral Gomes | |
| dc.contributor.advisor | Silva, Francisco José Gomes da | |
| dc.contributor.author | ALMEIDA, DAVID JOSÉ PEREIRA | |
| dc.date.accessioned | 2025-11-12T16:17:56Z | |
| dc.date.available | 2025-11-12T16:17:56Z | |
| dc.date.issued | 2025-10-02 | |
| dc.description.abstract | The global population, subjected to continuous exposure to noise sources in the workplace, can lead to effects such as hearing loss, burnout symptoms, and overall health deterioration. In industrial contexts, vibrations, also a source of noise, not only affect human health but can also reduce equipment performance and shorten service life. Traditional solutions, such as applying insulating materials or adding mass to systems, are often insufficient to significantly reduce noise and vibration, particularly at frequencies below 1000 Hz. Moreover, these approaches may also compromise equipment efficiency due to added mass and negatively affect aesthetics. Acoustic metamaterials have emerged as a superior alternative, as they can create a stop-band effect, are lighter, and, when incorporating piezoelectric elements, can be actively tuned to target specific frequency ranges. Nevertheless, metamaterials are commonly manufactured through additive manufacturing processes, which restricts their use in large-scale applications. The present study addresses this limitation by developing an approach to over-mould piezoelectric elements using injection moulding to produce active metamaterials. Through numerical simulations, a piezoelectric element was selected with the optimal dimensions (36 x 20 x 0.22 mm3) to achieve the best possible vibrational performance when over-moulded in the hosting part. Following an iterative process, a set of injection tests using acrylonitrile butadienestyrene (ABS), was conducted, successfully fulfilling the objective of over-moulding the piezo and its electrical components using a validated solution that mimics the two-shot injection moulding process. Furthermore, it was determined that polymer shrinkage is the primary factor causing defects in the piezo, as the contraction forces induce a bending curvature, ultimately leading to its fracture. The two-shot injection solution mitigated this behaviour due to the piezo’s full encapsulation, which prevents the piezo from bending under shrinkage. From the set of tests performed, it was concluded that injection pressure, cooling time, and melting temperature do not determine the survival of the piezo during cavity filling. Instead, the decisive factor is the mould design, which ensures stabilisation during injection, together with the two-shot injection concept. | eng |
| dc.description.abstract | A população global, sujeita à exposição contínua a fontes de ruído no local de trabalho, pode sofrer efeitos como perda auditiva, sintomas de esgotamento e deterioração geral da saúde. Em contextos industriais, as vibrações, também uma fonte de ruído, não só afetam a saúde humana, como também podem reduzir o desempenho dos equipamentos e encurtar a sua vida útil. Soluções tradicionais, como a aplicação de materiais isolantes ou a adição de massa aos sistemas, muitas vezes são insuficientes para reduzir significativamente o ruído e a vibração, especialmente em frequências abaixo de 1000 Hz. Além disso, estas abordagens também podem comprometer a eficiência dos equipamentos devido à massa adicionada e afetar negativamente a aparência. Os metamateriais acústicos surgiram como uma alternativa superior, pois podem criar um efeito de stop-band effect, são mais leves e, quando incorporam elementos piezoelétricos, podem ser ativamente ajustados para atingir faixas de frequência específicas. No entanto, os metamateriais são comumente fabricados por meio de processos de fabrico aditivo, o que restringe seu uso em aplicações em grande escala. O presente estudo aborda esta limitação, ao desenvolver uma abordagem para sobremoldar elementos piezoelétricos usando moldação por injeção para produzir metamateriais ativos. Através de simulações numéricas, foi selecionado um elemento piezoelétrico com as dimensões ideais (36 x 20 x 0,22 mm3) para alcançar o melhor desempenho vibracional possível quando sobremoldado na peça de suporte. Após um processo iterativo, foi realizado um conjunto de testes de injeção utilizando acrilonitrila butadieno estireno (ABS), o que permitiu cumprir com sucesso o objetivo de sobremoldar o piezoelétrico e seus componentes elétricos utilizando uma solução validada que imita o processo de moldagem por injeção de duas etapas. Além disso, determinou-se que a contração do polímero é o principal fator que causa defeitos no piezoelétrico, uma vez que as forças de contração induzem uma curvatura de flexão, levando à sua fratura. A solução de injeção de duas etapas mitigou este comportamento devido ao encapsulamento total do piezoelétrico, que impede a curvatura devido à contração. A partir do conjunto de testes realizados, concluiu-se que a pressão de injeção, o tempo de arrefecimento e a temperatura de fusão não são os fatores mais determinantes para a sobrevivência do piezoelétrico durante o preenchimento da cavidade. De facto, o fator decisivo é o design do molde, que garante a estabilização durante a injeção, juntamente com o conceito de injeção de duas etapas. | por |
| dc.identifier.tid | 204033055 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.22/30860 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | N/A | |
| dc.subject | Injection moulding | |
| dc.subject | Piezoelectric over-moulding | |
| dc.subject | Active metamaterials | |
| dc.subject | Locally resonant metamaterials | |
| dc.subject | Numerical simulation | |
| dc.subject | Finite Element Method | |
| dc.subject | Moldação por injeção | |
| dc.subject | Embebimento de elementos piezzoelétricos | |
| dc.subject | Metamateriais ativos | |
| dc.subject | Metamateriais localmente ressonantes | |
| dc.subject | Simulação numérica | |
| dc.subject | Método de elementos finitos | |
| dc.title | Integration of piezoelectric elements in the injection moulding process for active metamaterial production | eng |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Mestrado em Engenharia Mecânica |