Abstract
Detta bidrag visar tillverkningsprocessen dielektriska elastomer omvandlare (dets). Dets är töjbara kondensatorer bestående av en elastomer dielektrisk membran mellan två kompatibla elektroder. De stora manöver stammar av dessa givare när de används som ställdon (över 300% area stam) och deras mjuka och uppfyller naturen har utnyttjats för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive elektriskt inställbara optik, haptisk återkoppling enheter, våg energi skörd, deformerbar cell -Kultur enheter, kompatibla gripdon och framdrivning av en bio-inspirerad fiskliknande luftskepp. I de flesta fall är dets tillverkade med en kommersiell proprietär akryl elastomer och med hand anbringas elektroder av kolpulver eller fett kol. Denna kombination leder till icke-reproducerbara och långsam manöverdon uppvisar viskoelastiska krypning och en kort livslängd. Vi presenterar här en komplett processflödet för reproducerbar tillverkning av dets baserade på tunn elastomer kisele filmer, inklusive gjutning av tunna silikon membran, membran utsläpp och försträckning, mönstring av robust kompatibla elektroder, montering och provning. Membranen är gjutna på flexibel polyetylentereftalat (PET) substraten belagda med ett vattenlösligt offerskikt för att underlätta frisättning. Elektroderna består av kimrök partiklar sprids i en silikonmatris och mönstrade med hjälp av en stämpling teknik, vilket leder till exakt definierade kompatibla elektroder som utgör en hög vidhäftning till den dielektriska membranet på vilket de tillämpas.
Introduction
Dielektriska elastomer omvandlare (dets) är mjuka enheter som består av ett elastomer dielektrisk membran (typiskt 10-100 um tjockt), inklämt mellan två kompatibla elektroder, och utgör därmed en gummi kondensator 1. Dets kan användas som manövreringsorgan med förmåga att producera mycket stora töjningar (upp till 1700% yta stam har visats) 2, mjuka töjningsgivare 3, eller som mjuka kraftgeneratorer 4. När de används som ställdon, appliceras en spänning mellan de två elektroderna. Den alstrade elektrostatiska kraften pressar den dielektriska membranet, vilket minskar dess tjocklek och öka dess ytarea (figur 1) en. Förutom ställdon, kan samma grundstruktur (tunn elastomermembran och sträck elektroder) användas som stam sensor eller energiskörd enheter, dra nytta av förändringen av kapacitansen induceras genom mekanisk deformation. De stora påfrestningar som genereras av dielektrisk elastomer enctuators (DEAS) och deras mjuka och uppfyller naturen har använts för många tillämpningar, såsom elektriskt inställbara linser 5, roterande motorer 6, deformerbara cellkulturanordningar 7 och framdrivning av en bio inspirerad fiskliknande luftskepp 8.
De flesta dets rapporterats i litteraturen använder en egenutvecklad akryl elastfilm från 3M som heter VHB som dielektriskt elastmembran, eftersom det har visat sig uppvisa mycket stora manövrerings stammar 1. Tillgängligheten av detta material i filmform är också en viktig faktor i dess omfattande användning för DET applikationer, även om (aktivering stam avsatt), har det ett antal viktiga nackdelar, såsom mekaniska förluster och viskoelastiska kryp som begränsar dess responstid , en liten driftstemperaturintervall, och en benägenhet för att riva. I jämförelse, kan silikonelastomerer också användas som dielektrisk membran för dets, vilket leder till anordningar med en gensvarshastighet 1000 gånger snabbareän akrylelastomerer, på grund av sina mycket reducerade mekaniska förluster 9. Dessutom är de tillgängliga i ett stort intervall av olika hårdheter, vilket ger ytterligare designfrihet. Men silikoner oftast säljs i en viskös basform, som skall tillämpas i tunn membran som ska användas för dets. Men ger detta ännu en ytterligare frihetsgrad, som tjockleken av membranet kan väljas fritt och inte tas ut av tillverkaren, vilket är fallet för premade filmer.
Detta protokoll visar tillverkning av en dielektrisk elastomer ställdon. Det kan dock även tillämpas med liten eller ingen ändring för tillverkning av dielektriska elastomergivare i större bemärkelse, däribland energi skörd enheter och töjningsgivare. Vi presenterar här ett förfarande för stort område (A4) gjutning av tunna (10-100 pm) silikonfilmer på flexibla PET substrat belagda med ett vattenlösligt offerskikt. Offerskiktet reducerar krafterna required att separera silikonmembranet från substratet, vilket minskar den mekaniska deformationen av membranet under frisättning. Deformation av filmen kan leda till anisotropa mekaniska egenskaper på grund av stressinducerad mjukgörande (Mullins effekt) 10 och bör därför undvikas. Elektroderna är den andra nyckelkomponent i en DET. Deras roll är att fördela de elektriska laddningar på ytan av elastomermembran. För att producera en pålitlig ställdon, måste elektroderna kunna motstå upprepade stammar högre än 20% utan att spricka, förnedrande, delaminering, eller förlora ledningsförmåga; Dessutom måste de vara kompatibla för att inte mekaniskt förstyva strukturen 11. Bland de olika tekniker som finns för att göra kompatibla elektroder, handapplicerad kimrökspartiklar eller fett kol är de två mest använda metoderna 11. Dessa metoder har en hel del nackdelar: ansökan för hand förhindrar miniatyrisering av anordningens, leder till icke-reproducerbara resultat och är tidskrävande. Dessutom har kolpulver eller fett inte vidhäfta till membranet och elektroderna som framställs genom denna metod är utsatta för slitage och mekanisk nötning. Också, i fallet med fett kan bindningsvätskan diffunderar in i det dielektriska membranet och ändra dess mekaniska egenskaper. Livslängden på un-inkapslat kolpulver eller fett elektroder är således ganska kort. Här presenterar vi mönstring av kompatibla elektroderna genom en stansteknik som heter tampongtryck där en exakt utformning överförs till membranet via en mjuk silikon stämpel, vilket gör det möjligt att snabbt och reproducerbart mönster exakta elektroder, med funktioner ner till 0,5 mm. Den applicerade lösningen består av en blandning av kolsvart i en silikonmatris, som är tvärbunden efter applicering, vilket sålunda leder till härdade elektroder med stark vidhäftning till det elastomeriska membranet, vilket gör dem mycket motståndskraftiga och motståndskraftig mot mekanisk nötning och förslitning.
Följande protokoll beskriver alla de åtgärder som krävs för att tillverka snabba och pålitliga deas med exakt mönstrade kompatibla elektroder. Detta inkluderar membrangjutning och försträckning, mönstring och inriktning av elektroderna, montering, elektrisk anslutning och testning. För ändamålet av videon, fabricera vi en enkel i planet manöverorgan med en kugghjulsformad elektrod, såsom visas i fig 2. Ställdonet består av ett tunt silikonmembran sträcks över en membranhållare, på vilken två eftergivliga elektroder är mönstrade. Ett manöverdon ramen införes sedan för att ge elektrisk kontakt till den undre elektroden. Figur 3 visar en sprängvy av aggregatet med de olika komponenterna i manövreringsorganet. Även om anordningen realiseras i videon har ingen praktisk tillämpning än att visa den grundläggande principen om Deas har olika ställdon som syftar till specifika tillämpningar gjorts med exakt samma process, t.ex.som mjuka gripdon, avstämbara linser, avstämbara mm-våg fasskiftare, etc.
Protocol
1. Silicone Membran Production
- Offerskikt gjutning
- Skär en 400 mm lång skiva av hög kvalitet 125 ^ m tjocka PET från valsen.
- Bered offer lösning (5% poly akrylsyra i isopropanol i vikt): blanda 32 g isopropanol och 8 g poly akrylsyralösning (25% i vatten) i en 50 ml plaströr. Skaka väl.
- Rengör PET-substrat med luddfria våtservetter impregnerade med isopropanol.
- Rengör vakuumbord med luddfria våtservetter impregnerade med isopropanol.
- Lay PET substratet på vakuumbordet och slå på vakuumpumpen.
- Okulärbesiktiga vakuumbord att säkerställa att inga stora dammpartiklar fastnar mellan vakuumbord och PET-substratet. Upprepa föregående reningssteg om dammpartiklar identifieras.
- Rengör den övre ytan hos PET-substratet med luddfria våtservetter impregnerade med isopropanol.
- Placera profilstången enpplicator på den automatiska filmbeläggaren och ställa beläggningshastighet på 5 mm / sek.
- Sätt 2 ml av offerskiktet lösning framför profilstången och starta beläggningsmaskinen.
- När profilstången har nått slutet av PET lyft substratet den ur beläggaren och rengör den genom att torka med en luddfri torkduk indränkt i varmt vatten.
- Dra tillbaka filmapplikator men lämna vakuumpumpen igång och lämna PET substrat på vakuumplattan. Låt skiktet torka i luft under två minuter.
- Silikonmembrangjutning
- Värm ugnen till 80 ° C.
- Lägg 15 g silikonbas och 1,5 g tvärbindningsmedel till en blandnings kruka. Lägg 10 g silikonlösningsmedlet för att minska viskositeten.
- Blanda silikonblandningen med en planetblandare. Använd en 2 min blandningscykel vid 2000 rpm plus en 2 min avgas cykel vid 2.200 rpm.
- Ställa in höjden på den universella applikatorn till 225 | im. Placera applikatorn vid toppen av PET-arket och ställa than filmapplikator hastigheten till 3 mm / sek.
- Överför 15 ml av silikonblandningen från blandnings potten om till PET-substratet med en spruta.
- Starta den automatiska applikatorn att applicera silikon under hela PET-substrat (Figur 4A).
- Stäng av pumpen och vänta i 5 minuter för att låta lösningsmedlet avdunsta från det gjutna skiktet.
- Överför membranet på en glasplatta och plats i ugnen i 30 minuter vid 80 ° C.
- Rengör applikatorn och vakuumplattan med luddfria våtservetter impregnerade med isopropanol.
- Efter 30 minuter, ta bort membranet ur ugnen, låt svalna i rumstemperatur under ytterligare 5 min och täck den med en tunn PET folie för att skydda ytan från föroreningar.
2. Släpp och försträckning av elastomera membran
- Försträcknings stöd tillverkning
- Skär ett A4-format rektangel från rullen torr silikonöverförings lim.
- Ta bort en of skydden från det torra silikon överförings lim och manuellt applicera limmet på en A4 OH-film, var noga med att undvika bildandet av bubblor under applicering.
- Skär försträckstöd mönster i självhäftande täckta OH-film med hjälp av en dator numerisk styrning (CNC) laser gravör (Figur 4B) enligt tillverkarens protokoll.
- Membranstödjande tillverkning
- Skär en 500 mm x 290 mm rektangel i rulle torr silikonöverförings lim.
- Skala bort en av skydden från det torra silikonöverförings lim och laminera folien på en 3 mm tjock poly (metylmetakrylat) (PMMA) platta.
- I PMMA ramen, skurna ringar av 52 mm ytterdiameter och 44 mm innerdiameter som kommer att fungera som membranhållare.
- Membran frisättning
- Skär den gjutna silikonmembran / PET-substrat smörgås från steg 1 i cirklar 55 mm i diametereter med hjälp av en CNC laser gravör (Figur 4B) enligt tillverkarens protokoll och dra bort skyddsfilmen.
- Fäst laserskurna försträck stöd på den skurna silikonmembran cirkel adhesiva sidan nedåt, så att bindemedlet är i kontakt med silikonytan (Figur 4C).
- Förbered ett bad med kokande vatten och dränka aggregatet (silikonmembran och vidhäftande stöd) in i den.
- Medan nedsänkt försiktigt och långsamt dra PET substratet bort från silikonmembranet (figur 4D).
- Ta bort silikonmembranet från vattenbadet och låt den torka i luft eller använd en kväve pistol för att påskynda torkningen.
- Membrantjockleksmätning och försträck
- Mäta tjockleken av membranet med en transmissions interferometer enligt tillverkarens protokoll.
- Ställ försträcknings till en diameter på 45 mm och placera prestretsnings support-silikonmembranet på båren fingrarna, klistersidan nedåt.
- Skär försträck stöd mellan bår fingrarna (figur 4E).
- Öka diametern hos försträcknings till 58,5 mm till equi-biaxiellt försträck membranet med en faktor 1,3 (30% försträck) genom rotation av försträcknings ringen moturs (fig 5).
- Ta bort täckfilmen från PMMA membranhållaren exponera limmet och hålla PMMA membranhållaren på den försträckta membranytan (Figur 4F).
- Skär runt membranhållaren för att ta bort den försträckta membranet från båren.
- Mät den slutliga tjockleken av det försträckta membranet med ett transmissions interferometer.
3. Mönstring följs Elektroder av Pad Printing
- Ledande bläck beredning
- I en 125 ml plastmixerbehållaren, placera 0,8 g kolsvart wed 16 g isopropanol och 6 stålkulor av 12 mm diameter. Blanda vid 2000 rpm under 10 minuter i en planetblandare.
- Tillsätt 4 g silikon elastomer del A, 4 g del B, och 16 g isooktan. Blanda vid 2000 rpm under 10 minuter i en planetblandare.
- Inställning av dynan tryckmaskin
- Installera klichén med det önskade elektrodmönstret på magnetblocket (figur 4G).
- Fyll inkcup med det ledande silikonbaserade bläck.
- Placera klichéblocket (kliché fixerad på den magnetiska block) ovanpå bläckfyllda inkcup och installera enheten i maskinen.
- Fäst silikondyna på maskinen.
- Inriktning
- Placera Aligner plattan (figur 4H) på skrivarens bottenplatta.
- Initiera en tryckningscykel på dynan tryckmaskin, som kommer att tillämpas elektroddesign på inriktaren platta enligt tillverkarens protokoll.
- Visuelltinspektera överlappningen av den tryckta elektroden och den etsade referensstruktur riktanplattan. Flytta xy-θ scenen för att korrigera för någon förskjutning.
- Rengör Aligner plattan och skriva ut en annan elektrod.
- Inspektera anpassning till referensstruktur och fortsätta flytta plattformens position och tryckelektroderna tills du får en perfekt överlagring av det tryckta mönstret på referenskonstruktionen (figur 4H).
- Skriva kompatibla elektroder
- Placera en försträckt membran på skrivarens bottenplatta.
- På pad utskrift maskin, lansera en tryckcykel för att stämpla elektroden på membranet ovansidan (Figur 4I). Stämpla membranet två gånger för att säkerställa en tillräcklig elektrod tjocklek av ca 4 fim.
- Ta bort membranet från skrivarens bottenplatta, placera nästa försträckta membranet på skrivarens bottenplatta och upprepa tryckprocessen tills alla försträckt membran stämplas.
- Placera membran med den stämplade elektroden i en ugn vid 80 ° C under 30 minuter.
- Efter 30 minuter, ta bort membranen från ugnen.
- Placera en av de tryckta membranen upp och ner på skrivarens bottenplatta, utsätta membranet baksidan.
- Initiera en tryckcykel för att mönstra det nedre elektroden.
- Ta bort membranet från skrivarens bottenplatta, placera nästa membranet på skrivarens bottenplatta och upprepa tryckprocessen tills alla membran stämplat på båda sidor.
- Placera membran i ugn vid 80 ° C under 30 min för att tvärbinda den nedre elektroden.
4. Skapa elektriska anslutningar
- Klipp ställdons ramar som kommer att fungera som hållande ramen för ställdonet i samma PMMA platta som används för membranhållaren (jfr 2.2) med en CNC laser gravör.
- Avskalning uppbackning av limmet på ovansidan av manöverramen.
- Applicera ett 18 mm x 2,5 mm stycke av ledande tape på den del av manöverramen som kommer att komma i kontakt med den undre elektroden, och vik den till sidan av ramen för att åstadkomma den elektriska kontakten (figur 3).
- Skjut manöver ram inuti membranhållaren och tryck försiktigt membranet med fingrarna för att hålla det till limmet av manöverramen.
- Med en skalpell, skär membranet vid gränsen mellan membranhållaren och ställdon ramen och ta bort tidigare.
- Applicera ett andra stycke av 18 mm x 2,5 mm ledande tejp på kontaktzonen hos toppelektroden.
- Placera en tråd på varje del av ledande tape för att göra en elektrisk anslutning. Anslut de två ledningarna till en högspänningskälla, och tillämpa en 2 Hz fyrkantig signal med 2 kV amplitud. Beakta det periodiska expansion av anordningen.
Representative Results
Silikonmembrangjutning
När silikonmembran frigörs från PET-substratet och är fristående på en ram (vid slutet av steg 2,2), kan deras tjocklek mätas, till exempel genom överföring interferometri. Figur 6 visar tjockleken homogeniteten hos ett silikonskikt över bredden av 200 mm PET-substrat för 3 olika effektiv spalthöjder (50, 100 och 150 | j, m) vid en gjutningshastighet av 1 mm / sek (observera att eftersom applikatom är bredare än PET-substratet, fötter applikatom vila på vakuum och inte på PET-substratet självt, såsom kan ses i figur 4A. Det effektiva mellanrummet mellan applikatorn och substratet är därför lika till applikatorn höjden minus tjockleken hos PET-substratet. Till exempel en PET-substrat av 125 ^ m och en applikator höjd på 225 ^ m, såsom användes i protokollet, leder till en effektiv gap av 100 ^ m). Förden 50 | im effektivt gapet höjd, finns det en tydlig höjdskillnad mellan den vänstra och högra sidan av silikonskiktet. Detta beror på höjden av applikatorn måste ställas in manuellt på vänster och höger sida, och en del fel är oundviklig. Men med noggrann inställning av applikatorn, vi i allmänhet erhålla membran med en tjocklek standardavvikelse av mindre än 1 | im, vilket är fallet för den 100 | im effektiv spalthöjden (σ = 0,81 | am). När applikatorn höjden blir för stor, börjar vågighet visas på membranet, som orsakas av avdunstning av lösningsmedlet i silikonblandningen, som är synligt i membranet gjuts med en effektiv gap på 150 | j, m (Figur 6).
Förhållandet mellan den erhållna torra filmtjockleken och appliceringshöjden beror på silikonblandningen och hastigheten på gjutning. Silikonblandningen används i denna artikel består av en 2-delad silikon, och ett lösningsmedel för att minska VIscosity av blandningen. Som lösningsmedel avdunstar från membranet före härdning, kan en uppskattning av filmtjockleken erhållas genom att multiplicera den effektiva gapet höjden med den volymfraktionen av fast material i silikonblandningen. Det finns dock dynamiska effekter vid den bakre av applikatorn, vilket leder att skapa en menisk och en tunnare tjocklek än förväntat. Relationen mellan spalthöjden och den erhållna torra membrantjockleken beror på gjutningshastigheten, appliceringshöjden och genom applikatorn form. Figur 7 visar resultaten av ett experiment där membran göts vid olika hastigheter och höjder för att visa hur dessa parametrar påverkar torr skikttjocklek. Det kan ses att gjutning vid höga hastigheter leder till tunnare membran, och att effekten av hastigheten blir mer uttalad när spalthöjden ökar.
Manövrerings Prestanda
Manövreringsorganet tillverkas här kännetecknas av measuring den yttre diametern för tyngdpunkten liknande elektrod som en funktion av pålagd spänning. En kamera på en fast stativ används för att ta bilder av ställdonet som spänningen ökar. Bilderna analyseras med en bildbehandlings skript (Vision, National Instruments) för att kvantifiera expansionen av manövreringsorganet. Detta gjordes genom att anpassa en cirkel till utsidan omkrets för tyngdpunkten liknande elektrod (Figur 8). Ökningen av diametern på den cirkel från det avspända tillståndet presenteras som diametral sträckning (dvs det manövrerade diametern dividerad med diametern av manövreringsorganet när den är avspänd). Resultaten av två separata manöverdon av samma tjocklek (34,5 um) visas i figur 8. Båda enheterna utför liknande med diametral sträcka av 10% vid en aktiveringsspänning på 4 kV.
Svarshastigheten hos manöverdonet mättes genom att anbringa en 2 Hz fyrkantig signal med 3 kV, vilket leder till en stam av ca 4%. Expansionen av actutören filmades med en höghastighetskamera med en tidsupplösning på 0,25 msek. En stigande kanten fångades, med 200 ramar (50 ms) innan spännings trigger, och 200 ramar efter. Bilderna där sedan analyseras för att extrahera tidsberoende deformation (Figur 9). Stigtiden (tid som behövs för att nå 90% av den slutliga deformationen) är 3,75 ms, och det finns ingen observerbar viskoelastiska kryp före och efter spänningssteg, till skillnad från vad som observeras när akrylelaster används som membran, för vilken stiger tider av flera hundra sekunder observeras vanligtvis 12.
Tillämpning av processflödet till andra enheter
Ställdonet tillverkas i den här artikeln visar vår tillverkningsprocess, liksom den grundläggande funktion principen om en DEA med en ökning av ytan av elektroderna vid tillämpning av en spänning, och är därför ett bra exempel för denna tutorial. Men dettaMotorn har ingen specifik ändamål annat än att visa principen påverkan av en DEA. Icke desto mindre är förfarandet som presenteras här mycket mångsidig och kan användas för att tillverka en mängd olika mjuka transduktorer som syftar till specifika tillämpningar. Vi presenterar här några utvalda exempel på tillämpningar som vi utvecklats baserat på ställdon tillverkade med den presenterade metoden.
Mjuka bioinspirerade avstämbara objektiv har tillverkats (figur 10A). Dessa är i stånd att ändra brännvidden med 20% på mindre än 200 ^ sek 9. Enheten kan påverkas för mer än 400 miljoner cykler utan märkbar minskning av aktiverings prestanda, vilket visar att kombinationen av lämpliga material och goda tillverkningsprocesser resulterar i DEAS med snabba svarstider och lång livslängd. Linser av liknande geometri men görs med hjälp av allmänt använda kommersiella akryl elastomer VHB har en bandbredd mer än 3 tiopotenser mindre Mönstring av kompatibla elektroder med tampongtryck gör att mycket noggrant definierade elektroder, vilket möjliggör tillverkning av självständiga småskaliga elektroder på samma membran. Detta är till exempel visas genom tillverkning av en DEA-baserad rotationsmotor omfattande tre elektriskt oberoende elektroder (Figur 10B). Axeln och provmassan vid centrum av motorn kan rotera med 1500 varv per minut 13. Motorkonceptet har skjutits ytterligare för att visa att tampongtryck kan också ge tillförlitliga ställdon. En självkommuterande rullande roboten byggdes för att köra varv längs en cirkulär bana (figur 10C). Roboten körts mer än 25 km med en medelhastighet på 15 cm / sek 13. Andra program som har tagits fram med föreliggande förfarande (eller små variationer därav) innefattar deformerbara cellodlingssystem 14, Dielektriska elastomer generatorer 
Figur 1. Grundläggande princip av dielektriska elastomer ställdon Överst:. (1A) I sin enklaste form, en DEA består av en mjuk elastomer membran inneslutet mellan två kompatibla elektroder. (1B) När en likspänning pålägges mellan elektroderna, de elektrostatiska laddningarna väckt den elektrod skapa en tryckspänning som pressar membranet, vilket leder till en tjockleksreduktion och en expansions yta. Nederst: (2A) manöverdonet beskrivs i protokollet består av ett membran sträckt på en ram. Cirkulära elektroder är på vardera sidan av membranet med förlängningar gränsen av membranet för att möjliggöra elektriska kopplingar. Den aktiva arEA är den zon där de båda elektrodöverlappar varandra, dvs., en cirkel i centrum. (2B) När en spänning appliceras, komprimerar den elektrostatiska kraften membranet. Detta orsakar en minskning av membrantjockleken i det aktiva området, och en ökning av ytan av elektroden. Eftersom membranet är försträckt, den passiva zonen runt elektroden slappnar att rymma expansion av det centrala aktiva området. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
. Figur 2. Demonstrator ställdon tillverkas i detta protokoll Vänster: Färdiga innefattande en sträckt silikonmembran fäst på en ram, ett par kompatibel elektrod mönstrade på båda sidor av membranet, och elektriska anslutningar. RiGHT: sammansatt bild som visar vilotillståndet (svart) och aktiverade tillståndet (cyan). En ökning av diametern av strukturen 10% observeras med 4 kV anbringas över elektroderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 3. sprängvy av ställdonet. De olika komponenterna som bildar ställdonet tillverkas i videon. Membranhållaren bibehåller den försträckta silikonmembranet och används för att manipulera membranet under elektroden tryckningssteget. När elektroderna är härdas verkar motorn ramen införd inuti membranhållaren och ger både en strukturell ram för att hålla manövreringsorganet, och en elektrisk kontakt till den undre elektroden. När membranet är fastsatt vid manövreringsorganet ram, migmbrane Hållaren kan tas bort. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 4. Översikt av tillverkningsprocessen. (A) Gjutning av silikon membran med hjälp av en automatisk filmapplikator beläggnings. (B) Laserskärning av härdad silikonmembran och försträck stöd. (C) Placering av silikon membran på försträcknings stöd. (D) Releasing av silikonmembran av PET-substrat genom upplösning av PAA offerskikt i varmt vatten. (E) Kapning av försträckningsstödsektioner som förbinder fingrarna. (F) Försträcknings och vidhäftning av membranhållaren till membranytan. (G) Cliché fylld med condtiv bläck. (H) Laser etsade elektrod Aligner, infälld bild visar exempel på en väl i linje elektrod. (I) Silikon membran med stansad elektrod. (J) Färdig enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 5. Arbetssätt av membranförsträcknings. (A) Ett flertal metallfingrar är fästa vid en plast ring och är begränsade till att röra sig i en linjär (radiell) sätt längs deras längd. Ringen är tvingad att röra sig i omkretsriktningen. Plast ringen har flera krökta slitsar maskinbearbetade in i det, i vilka metallstift på fingrarna är bosatta. Radien i en cirkel som begränsar kanten av fingrarna är R en . (B) Den försträcknings ringen vrids moturs, fingrarna översätter samtidigt, vilket ökar radie av en cirkel som begränsar fingret kanter från R 1 till R 2. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 6. Tjocklek homogenitet hos de gjutna silikonskikten. Tjockleksmätning av det härdade silikonmembran över bredden av den 200 mm PET-substrat, för tre olika inställningar gap av applikatorn. Gjutningshastigheten är 1 mm / sek. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 7. Torrfilm tjocklek som en funktion av gjutparametrar. Torr filmtjocklek erhålls för olika appliceringshöjder och hastighet för ett silikonlösningsmedelsblandning med 62% torrhalt i volym. En högre hastighet leder till tunnare membran för lika appliceringsinställningar, och påverkan av hastigheten ökar med ökande membrantjocklek. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Aktivering av demonstra. Utanför diametral sträckning som en funktion av den pålagda spänningen för två enheter med en tjocklek (efter försträck) av 34,5 | im. En ökning av diameter av omkring 10% observeras vid maximal pålagd spänning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Stam svar på en ingångsspänningssteg. En kvadratisk, 3 kV 2 Hz-signalen matas till anordningen, att alstra en stam av ca 4% (se fig 8). Expansionsområdet observeras med en höghastighetskamera vid 4000 bilder per sekund. Det tar mindre än 4 msek för ställdonet för att nå 90% av sitt slutliga dimensionen. Före och efter övergången, dimension ställdonet förblir stabila och visar inte viskoelastiska kryp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. Dielektriska elastomer ställdon som gjorts med den presenterade processflödet. Tre exempel på dielektriska elastomer ställdon görs genom att följa den metod som beskrivs i detta dokument. (A) Snabb och mjuka avstämbara lins som kan ändra dess brännvidd med 20% på mindre än 200 ps. (B) Rotary elastomer mikro-motor som kan snurra vid 1500 rpm. (C) självkommuterande rullande robot. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Tillverkningsprocessen kan sammanfattas enligt följande. Börja genom att applicera ett vattenlösligt offerskikt på PET-substrat som används för gjutning av membranet. Detta undviker överdriven deformation under utgivningsprocessen som potentiellt kan skada membranet. Silikonet sedan gjuten i ett tunt skikt och härdas i en ugn. A4 PET-arket med silikonbeläggningen skärs till cirkulära skivor med 55 mm diameter, och höll sig till flexibla försträck stöd. De försträckstöd används för att manipulera membranet under offerskiktet frisättning och försträcksteg. För att separera membranet från PET-substratet, är det doppas i hett vatten för att lösa offerskiktet. Denna process gör membranet ska friges utan att behöva dra på den betydligt. När membranet är fristående, kan den försträckt. Försträckning består i att mekaniskt sträckning av membranet i planet innan det fastställs den på att hålla ramar. Detta steg genererar iinterna dragkrafter i membranet och är nödvändig för i-planet dielektrisk elastomer ställdon, såsom demonstrator som produceras här. I protokollet, använder vi equi-biaxiell sträckning, dvs lika stretching värde både i planet riktningar. Men beroende på tillämpning, olika försträckkonfigurationer kan användas, såsom uniaxiell (sträckning endast längs x eller y, medan membranet tillåts att koppla av i den andra riktningen) eller anisotropisk (olika värden längs x- och y).
En teknik som kallas tampongtryck används för att exakt mönster ett eftergivligt elektrod på det försträckta silikonmembranet, vilket gör det möjligt att exakt definiera mm-format elektroderna på membranet. I denna process, bläck appliceras med en räkel på en kliché (en stålplatta på vilken mönstret som skall tryckas etsas, och därefter plockas upp från klichén av en jämn silikonstämpel innan de överförs till membranet 13). Någonsiny design kräver sin egen kliché. Dessa kan beställas från specialiserade företag, som producerar dem från en elektronisk ritning av geometrin. För att göra en sträckbar ledande elektrod, dispergera kolsvart i en silikonmatris med skjuvkrafter med användning av kulmalning, som är en välkänd teknik för att bryta tätorterna kolsvart och homogent dispergera pulvret i en polymermatris 18,19.
När du skriver, är det viktigt att design skrivs ut med en exakt positionering och orientering i förhållande till membranramen. För att göra detta, använd en precisions xy-θ scenen och en Aligner. Inriktaren är ett stycke av PMMA i samma form som membranet ramen och har den elektrodkonstruktion etsad på dess yta med användning av en CNC-laser gravör. Innan du skriver på membranet trycker vi på inriktningsplattan för att kontrollera justeringen. Om det tryckta mönstret inte matchar den etsade designen anpassar vi xy-θ skede tills två utföranden overlap (figur 4H). I protokollet, toppen och botten elektrod har samma design, så dynan tryckmaskin kan lämnas orörd mellan ansökningarna från de två elektroderna. Men i vissa fall, elektrodgeometrier är olika för den övre och undre elektroden. I det fallet, under det att membranen är i ugnen för härdning av den övre elektroden (dvs mellan steg 3.4.3 och 3.4.4), är det nödvändigt att avlägsna klichén blocket (aggregatet bestående av klichén hålles på plats på en magnetisk block) med bläckhorn från dynan tryckpress. Sedan måste den installerade klichén bytas ut mot en med bottenelektrodkonstruktion. Eftersom klichéblocket har flyttats, är det nödvändigt att genomföra en ny inriktning förfarande (steg 3,3) med en Aligner platta etsas med utformningen av den andra elektroden. När båda elektroderna är fästa, måste de vara anslutna till en yttre drivkrets som levererar laddningarna feller aktivering. Det finns olika lösningar för att göra de elektriska anslutningarna mellan de eftergivliga elektroderna och drivelektroniken. Här är en metod väl lämpad för prototyper visas med hjälp av klistertäckta bänkar och ledande tejp (Figur 3). För serietillverkning, är användningen av kretskort med kopparpads kontakt med elektroderna ett bättre alternativ (se figur 10A för ett exempel på en anordning gjord med en kommersiell PCB).
Använd kommersiell utrustning eller produkter för de flesta av stegen i processflödet. De två undantagen är mätningen av tjockleken hos silikon membran och försträckningssteg. För tjockleksmätningen, använd en hemmagjord vitt ljustransmission interferometer som består av en kollimerad vit ljuskälla (punktstorlek <1 mm) korsar membranet och samlas in av en spektrometer. Perioden av interferensfransarna hos det utstrålande ljusintensiteten som funktion av våglängd används för att beräkna tjockleken hos membranet 20. Observera att andra metoder kan användas för att mäta tjockleken, men de måste vara icke-förstörande, och idealiskt kontaktlöst för att undvika deformering av mycket tunna membran. För försträckning av membranen, använd en hemmagjord radiell försträcknings, som består av 8 metalliska fingrar som kan förskjutas radiellt. För att försträck ett membran är fingrarna förflyttas inåt, så att försträcknings bäraren kan vara fast till fingrarna hos båren (Figur 4E). För att försträck membranet är fingrarna förflyttas utåt, vilket sålunda effektivt ökar diametern hos rullmembranet, vilket leder till equi-biaxiell försträckning av membranet. De åtta fingrarna är anslutna till en ring, vars vridning definierar den radiella separationen av fingrarna (fig 5).
Att ha en effektiv och väletablerade processflöde som den presenteras här är viktigtatt tillverka reproducerbara enheter som är robusta och pålitliga. Jämfört med att köpa färdiga filmer, gjutning av tunna elastomermembran ger mycket designfrihet, eftersom den tillåter att välja och skräddarsy egenskaperna hos membranen till ansökan. Till exempel i fallet med silikonelastomerer, kan hårdheten och förlängning vid brott väljas genom att välja produkter med olika kedjelängd och täthet av tvärbindning, och tjockleken kan varieras genom att justera gjutprocessen. Den senare punkten tillåter exempelvis att välja slutlig membrantjocklek och försträck oberoende, vilket inte är möjligt med färdiga filmer.
Förmågan att exakt mönster elektroden i liten skala (cm till sub-mm) är också en viktig förutsättning för Deas, eftersom de flesta enheter består av aktiva och passiva zoner på samma membran. Detta innebär att elektrodens form måste definieras på membranet. Dessutom som elektroder måste appliceras på båda sidorav membranet, är det nödvändigt att rikta in de två elektroderna relativt varandra: i tillägg till en exakt definierad form, elektroderna måste också vara exakt placerade på membranet. Den stämpling process som presenteras här uppfyller dessa två krav. Dessutom är dyntryckning en snabb process, som endast ett fåtal sekunder krävs för att skriva ut en elektrod, och ställdon kan enkelt vara satsframställda med denna metod. Till skillnad från den i stor utsträckning kol fett eller löst puder elektroder appliceras manuellt, leder vår syn på exakt definierade elektroder som utgör en stark vidhäftning till membranet på vilket de tillämpas. De är mycket motståndskraftiga mot slitage, och inte kan delamineras från membranet 13. Trots det faktum att tampongtryck är en kontaktmetod, kan den användas för att applicera bläck på tunna och ömtåliga silikonmembran, eftersom den enda del som är i kontakt med membranet är ett mjukt silikon stämpel. Det finns dock vissa oundvikliga stiction mellan stämpeln och the membran, vilket orsakar en lätt deformering av membranet när stämpeln flyttar tillbaka uppåt. Om membranet är för tunn, kan detta leda till bristning av membranet. Detta begränsar effektivt tillämpningen av dynan tryckmetoden till membran tjockare än 10 | im. För tunnare membran, bör beröringsmönstringsmetoder användas, såsom bläckstråleutskrift.
Även deas har studerats i mer än 15 år, de flesta av dagens deas bygger fortfarande på färdiga polyakrylat filmer i kombination med hand tillämpad fett elektroder. Dessa handgjorda metoder har orsakat DEAS förbli mestadels på tillståndet i lab prototyper, med begränsad antagande av industrin, trots den intressanta prestanda DEAS när det gäller spänning och strömförbrukningen. Även tillförlitliga tillverkningsprocesser har redan publicerats, de avser tillverkning av unprestretched, staplade kontraktila ställdon som erhållits med dedikerade automatiserade inställningar 21,22. Process flöde vi presenterar här är en mångsidig allrengöringsmedel process som beskriver alla de viktiga steg som krävs för att tillverka en DEA, och som lätt kan appliceras för att passa en definierad målprogrammet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High quality PET substrate, 125 μm thick | DuPont Teijin | Melinex ST-506 | low surface roughness and absence of defects |
| Isopropanol 99.9% | Droguerie Schneitter | ||
| Poly(acylic acid) solution (25%) | Chemie Brunschwig | 00627-50 | Mw=50 kDa |
| Automatic film applicator | Zehntner | ZAA 2300 | with vacuum table |
| Profile rod applicator | Zehntner | ACC378.022 | 22.86 μm |
| Oven | Binder | FD 115 | |
| Dow Corning Sygard 186 silicone kit | Dow Corning | Sylgard 186 | silicone used for casting membranes |
| Dow Corning OS-2 silicone solvent | Dow Corning | OS2 | environmentally-friendly solvent. Mixture of 65% Hexamethyldisiloxane and 35% Octamethyltrisiloxane |
| Thinky planetary mixer | Thinky | ARE-250 | |
| container PE-HD 150 ml | Semadeni | 1972 | Container to mix the silicone for the membrane |
| Medical grade 125 ml PP wide mouth jar with cap | Thinky | 250-UM125ML | Container to mix the ink |
| Bearing-Quality steel balls 12 mm | McMaster-Carr | 9292K49 | |
| Universal applicator with adjustable gap | Zehntner | ZUA 2000.220 | |
| Transparency film for overhead projector | Lyreco | 978.758 | |
| Dry silicone transfer adhesive (roll) | Adhesive Research | Arclear 8932 | |
| poly(methyl methacrylate) plate 500 mm x 290 mm x 3 mm | Laumat | Plexi 3mm | |
| Prestretching rig | "home made" | ||
| USB spectrometer for visible light | Ocean Optics | USB4000-VIS-NIR | Spectrometer for the thickness measurement |
| Tungsten halogen white light source | Ocean Optics | LS-1 | Light source for the thickness measurement |
| 400 micrometer optical fiber | Ocean Optics | QP400-2-VIS-NIR | Optical fiber on the spectrometer side for the thickness measurement |
| 600 micrometer optical fiber | Ocean Optics | P600-2-VIS-NIR | Optical fiber on the light source side for the thickness measurement |
| Carbon black | Cabot | Black Pearl 2000 | |
| Silicone Nusil MED-4901 | Nusil | MED-4901 | silicone used in conductive ink |
| Pad-printing machine | TecaPrint | TCM-101 | |
| Thin steel cliché 100 mm x 200 mm | TecaPrint | E052 100 200 | Steel plate etched with the design you need to print. The etching is performed by the company selling the cliché. |
| 96 mm inkcup | TecaPrint | 895103 | Component of the pad printing machine in which the ink is contained |
| Soft silicone 30 mm printing pad | TecaPrint | T-1013 | Printing pad for the pad printing machine |
| 60 W CO2 Laser engraving machine | Trotec | Speedy 300 | To cut frames and foils |
| Carbon conductive tape | SPI supplies | 05081-AB | For electrical connections to the electrodes |
| 4 channels 5 kV EAP controller | Biomimetics laboratory | low power high voltage source to test the actuators. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller |
References
- Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater then 100%. Science. 287 (5454), 836-839 (2000).
- Keplinger, C., Li, T., Baumgartner, R., Suo, Z., Bauer, S. Harnessing snap-through instability in soft dielectrics to achieve giant voltage-triggered deformation. Soft Matter. 8 (2), 285-288 (2012).
- Böse, H., Fuss, E. Novel dielectric elastomer sensors for compression load detection. Proc. of SPIE. 9056, 905614 (2014).
- Koh, S., Keplinger, C., Li, T., Bauer, S., Suo, S. Dielectric Elastomer Generators: How Much Energy Can Be Converted? IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 33-41 (2012).
- Carpi, F., Frediani, G., Turco, S., De Rossi, D. Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers. Adv. Funct. Mater. 21 (21), 4152-4158 (2011).
- Anderson, I., et al. A thin membrane artificial muscle rotary motor. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 98 (1), 75-83 (2010).
- Akbari, S., Shea, H. R. An array of 100um x 100um dielectric elastomer actuators with 80% strain for tissue engineering applications. Sens. Actuators A-Phys. 186, 236-241 (2012).
- Jordi, C., et al. Large planar dielectric elastomer actuators for fish-like propulsion of an airship. Proc. SPIE. 7642, 764223 (2010).
- Maffli, L., Rosset, S., Ghilardi, M., Carpi, F., Shea, H. Ultrafast all-polymer electrically tuneable silicone lenses. Adv. Funct. Mater. 25 (11), (2015).
- Rosset, S., Maffli, L., Houis, S., Shea, H. R. An instrument to obtain the correct biaxial hyperelastic parameters of silicones for accurate DEA modeling. Proc. SPIE. 9056, 90560M (2014).
- Rosset, S., Shea, H. R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 110 (2), 281-307 (2013).
- Rosset, S., O’Brien, B., Gisby, T., Xu, D., Shea, H. R., Anderson, A. Self-sensing dielectric elastomer actuators in closed-loop operation. Smart Mater. Struct. 22 (10), 104018 (2013).
- Rosset, S., Shea, H. Towards fast, reliable, and manufacturable DEAs: miniaturized motor and Rupert the rolling robot. Proc. SPIE. 9430, (2015).
- Poulin, A., Rosset, S., Shea, H. Toward compression of small cell population: Harnessing stress in passive regions of dielectric elastomer actuators. Proc. SPIE. 9056, 90561Q (2014).
- McKay, T., Rosset, S., Anderson, I., Shea, H. Dielectric elastomer generators that stack up. Smart Mater. Struct. 24 (1), 015014 (2015).
- Araromi, A., et al. Rollable Multisegment Dielectric Elastomer Minimum Energy Structures for a Deployable Microsatellite Gripper. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 20 (1), 438 (2015).
- Romano, P., Araromi, O., Rosset, S., Shea, H., Perruisseau-Carrier, J. Tunable millimeter-wave phase shifter based on dielectric elastomer actuation. Appl. Phys. Lett. 104 (2), 024104 (2014).
- Awasthi, K., Kamalakaran, R., Singh, A., Srivastava, O. Ball-milled carbon and hydrogen storage. Int. J. Hydrogen Energy. 27 (4), 425-432 (2002).
- Leong, C. K., Chung, D. Carbon black dispersions as thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance. Carbon. 41 (13), 2459-2469 (2003).
- Transmission Measurements of Polymer Thin Films. Ocean Optics application note. , Available from: http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/App-Note-Transmission-Measurements-of-Polymer-Thin-Films.pdf (2014).
- Lotz, P., Matysek, M., Schlaak, H. Fabrication and application of miniaturized dielectric elastomer stack actuators. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 58-66 (2011).
- Tepel, D., Hoffstadt, T., Maas, J. Automated manufacturing process for DEAP stack-actuators. Proc. SPIE. 9056, 905627 (2014).
