Design of a metamaterial-based hand held vibration probe

Vibrational measurements are a landmark in structural dynamics. This is true also for fault diagnosis and product quality assessment in various fields of industry, from production lines of components to finite products. These measurements are usually performed using piezoelectric accelerometers attached to the structure under investigation. The connection is usually made using adhesive or bees-wax, magnets or threaded pins. However, the process of installing these sensors can be time-consuming and, in some cases, irreversible or even not allowed. Hand-held vibration probes were widely used in the past, even though their performances (i.e. working frequency range and overall accuracy) were lower compared to fixed installations. However, the spread of robots in the framework of industry 4.0, characterized by the zero defect manufacturing target, caused a new interest in this solution. Hand-held vibration measurements probes are made of components that must guarantee linearity within certain frequency range as well as constant contact with the structure being tested. Furthermore, spurious vibrations, due to the handling by a human operator or a robot, need to be avoided introducing a decoupling element. Normally, conventional materials, like rubber and silicon, are exploited, taking advantage of their viscoelastic behavior. However, these materials may undergo changing on their dynamic behavior when subject to different environmental conditions. The aim of this thesis is to demonstrate de advantage of adopting metastructures as decoupling elements in hand-held probes. The design of the metastructure developed is based on a periodic repetition of unit cells characterized by a strong mode separation and, thus, a wide frequency bandgap.

Le misure vibrazionali sono un punto di riferimento nella dinamica strutturale. Lo stesso vale anche per la diagnostica dei guasti e la valutazione della qualità del prodotto in vari campi dell'industria, dalle linee di produzione dei componenti ai prodotti finiti. Queste misure sono solitamente eseguite utilizzando accelerometri piezoelettrici collegati alla struttura in esame. Il collegamento è solitamente realizzato tramite adesivi o cera d'api, magneti o perni filettati. Tuttavia, il processo di installazione di questi sensori può richiedere molto tempo e, in alcuni casi, può essere irreversibile o addirittura non consentito. Le sonde vibrazionali di tipo hand-held sono state ampiamente utilizzate in passato, anche se le loro prestazioni (ad es. gamma di frequenze di lavoro e accuratezza complessiva) risultano inferiori rispetto alle installazioni fisse. Tuttavia, la diffusione dei robot nell'ambito dell'industria 4.0, caratterizzata dall'obiettivo di produzione a zero difetti, ha motivato un nuovo interesse per questo tipo di soluzione. Le sonde di misura vibrazionali tipo hand-held sono costituite da componenti che devono garantirne la linearità entro un determinato intervallo di frequenza e il contatto costante con la struttura in prova. Inoltre, le vibrazioni spurie, dovute alla manipolazione da parte di un operatore umano o di un robot, devono essere evitate introducendo un elemento di disaccoppiamento. Normalmente, vengono impiegati materiali convenzionali come la gomma e il silicone, per via del loro comportamento viscoelastico. Tuttavia, questi materiali possono subire modifiche al loro comportamento dinamico quando soggetti a condizioni ambientali diverse. Lo scopo di questa tesi è dimostrare il vantaggio nell'adottare metastrutture come elementi di disaccoppiamento nelle sonde vibrazionali di tipo hand-held. La metastruttura sviluppata si basa su una ripetizione periodica di celle unitarie caratterizzate da una forte separazione modale. Ne consegue, quindi, un ampio intervallo di frequenze di funzionamento.