Fonseca, Elza Maria MoraisPEREIRA, RUI ALEXANDRE FERNANDES2025-12-222025-12-222025-10-17http://hdl.handle.net/10400.22/31320This dissertation aims to investigate the influence of fiber reinforcement on the behavior of dielectric elastomer actuators and to establish a reproducible methodology for their fabrication, characterization, and modeling. The silicone elastomer Ecoflex 00-10 was selected due to its high flexibility and similarity to other hyperelastic materials used in soft robotics. Mechanical characterization was conducted through uniaxial tensile tests, which enabled the calibration of constitutive models. The Mooney-Rivlin model achieved the best agreement with the experimental data. A comprehensive fabrication protocol was developed, encompassing mold design and auxiliary structures, yielding a success rate of 66,7% for actuators without fibers and 58,8% for actuators with fibers. Analytical and numerical models were implemented to predict electromechanical behavior, with numerical simulations proving more accurate. In contrast, the analytical approach showed limitations due to oversimplifications in boundary conditions and fiber constraints. Experimental evaluation demonstrated that fiber reinforcement can be advantageous under specific conditions. At low-load regimes, reinforced actuators exhibited improved efficiency, with a 53,2% increase, and greater displacements, with a 15,8% improvement, compared to actuators without reinforcement. Conversely, under higher loads, actuators without fibers outperformed the reinforced ones, achieving 45,6% higher efficiency and supporting weights of up to 43 g, equivalent to 72 times their mass. Cyclic tests confirmed the repeatability of performance, and a maximum energy density of 1594,5 J/m³ was obtained, comparable to values reported for other soft actuators. The findings demonstrate that fiber reinforcement significantly alters electromechanical interactions, enhancing performance in low-load conditions while limiting it under demanding loads. This work establishes a solid methodological basis for future studies. It highlights potential optimization paths, including improvements in the fabrication process, reduction of elastomer thickness, exploration of alternative geometries such as multilayer or folded configurations, and the incorporation of materials with higher dielectric permittivity.O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência do reforço com fibras no comportamento de atuadores de elastómero dielétrico, estabelecendo em paralelo uma metodologia reprodutível de fabrico, caracterização e modelação que possa servir de referência para trabalhos futuros nesta área. A investigação enquadra-se no domínio Soft Robotics e da engenharia de materiais funcionais, em que a utilização de atuadores baseados em elastómeros dielétricos representa uma solução promissora para sistemas flexíveis, leves e de elevada adaptabilidade. No entanto, a integração de fibras como reforço mecânico levanta questões fundamentais sobre o equilíbrio entre desempenho elétrico e resposta mecânica, as quais ainda não se encontram devidamente esclarecidas na literatura. No plano experimental, foi selecionado o silicone Ecoflex 00-10 como material ativo devido à sua elevada flexibilidade e à semelhança com outros elastómeros utilizados em aplicações comparáveis. A caracterização mecânica consistiu em ensaios de tração uniaxial realizados segundo normas reconhecidas, que forneceram dados para o ajuste de diferentes modelos constitutivos não lineares. A análise comparativa demonstrou que o modelo de Mooney-Rivlin foi o que melhor descreveu o comportamento do material, representando uma ferramenta adequada para o desenvolvimento de modelos preditivos. Esta etapa permitiu não apenas quantificar o comportamento hiperelástico do material, mas também estabelecer parâmetros de referência a serem usados nas simulações analíticas e numéricas. Foi desenvolvido e testado um protocolo completo de fabrico, incluindo o desenho de moldes e a conceção de estruturas auxiliares que asseguram consistência geométrica e reduzida variabilidade entre amostras. A metodologia foi validada pela produção de diferentes configurações de atuadores, tendo-se registado taxas de sucesso de 66,7% para amostras sem reforço e de 58,8% para amostras com fibras. Estes valores, ainda que limitados, demonstram a viabilidade do processo e destacam os desafios adicionais colocados pela introdução de fibras, nomeadamente no controlo de espessura e na eliminação de defeitos internos. A nível de modelação, foram implementadas duas abordagens complementares. O modelo analítico permitiu relacionar, de forma simplificada, parâmetros geométricos e propriedades dos materiais com a resposta eletromecânica do atuador, oferecendo resultados rápidos e orientadores. Contudo, as simplificações impostas, em particular no tratamento das restrições introduzidas pelas fibras, limitaram a sua exatidão. Em paralelo, foi desenvolvido um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos, no qual foram incorporadas condições de fronteira mais realistas e a configuração física do reforço. Este modelo mostrou uma correspondência superior com os resultados experimentais, revelando-se mais fiável para a análise quantitativa e para a previsão de tendências sob diferentes condições de carga e tensão aplicada. A avaliação experimental do desempenho eletromecânico demonstrou que o efeito do reforço com fibras não é uniforme, mas sim dependente das condições de operação. Em regimes de baixa carga, os atuadores reforçados apresentaram vantagens claras, alcançando aumentos de eficiência na ordem de 53,2% e deslocamentos 15,8% superiores face aos atuadores não reforçados. Já em regimes de carga elevada, verificou-se o comportamento oposto: os atuadores sem fibras superaram os reforçados, atingindo 45,6% mais eficiência e suportando massas até 43 g, cerca de 72 vezes a massa própria do dispositivo. Estes resultados foram interpretados como consequência da interação entre os efeitos elétricos, responsáveis pela geração do movimento, e as restrições mecânicas impostas pelas fibras, que aumentam a rigidez do sistema e antecipam a perda de eficiência. Para além das análises em regime estático, foram realizados ensaios cíclicos que confirmaram a estabilidade e repetibilidade da resposta ao longo de múltiplos ciclos, reforçando a fiabilidade das observações. A densidade de energia máxima obtida atingiu 1594,5 J/m³, valor competitivo quando comparado com outros soft actuators reportados na literatura, e que confirma o potencial de aplicação desta configuração. Apesar dos avanços conseguidos, algumas limitações condicionaram o alcance das conclusões. A ausência de ensaios de compressão restringiu a caracterização completa do material e reduziu a precisão na avaliação dos modelos constitutivos. Adicionalmente, erros experimentais, em grande parte relacionados com a presença de fibras, sugerem a necessidade de aperfeiçoamentos no fabrico, incluindo a cura do silicone sob vácuo, a utilização de moldes metálicos com maior precisão geométrica e a implementação de técnicas mais rigorosas de medição de espessura. Este estudo estabelece um ponto de partida sólido para a exploração de reforços em atuadores dielétricos, oferecendo uma metodologia validada e resultados experimentais comparativos que ajudam a clarificar o impacto do reforço com fibras em diferentes condições de carga. As perspetivas futuras incluem a otimização dos processos de fabrico, a redução controlada da espessura do elastómero para potenciar a tensão de Maxwell, a exploração de geometrias alternativas, como configurações em multicamada ou dobradas, e a incorporação de fibras ou cargas com maior permissividade dielétrica, como formas de melhorar a resposta do atuador. A adoção destas estratégias, acompanhada de uma análise cuidada dos compromissos entre ganhos em desempenho e potenciais limitações em termos de condutividade, rigidez ou tensão de ruptura, permitirá orientar a aplicação prática dos resultados aqui obtidos e contribuir para o avanço dos atuadores de elastómero dielétrico no contexto Soft Robotics e de sistemas inteligentes. PALAVRAS-CHAVE: , Fibras, Silicone, Hiperelástico, Análise Elementos FinitosengDielectric Elastomer ActuatorFibersSiliconeHyperelasticFinite Element AnalysisSoft RobotsAtuador de Elastómero Dielétricomaster thesis204034426