Herstellungsverfahren einer Silikonbasis Dielectric Elastomer Actuators

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, robuste dielektrische Elastomeraktoren herzustellen. In diesem Video wird die Herstellung eines In-Plane-Aktors gezeigt, der aus einer auf einem Rahmen gespannten Silikonmembran besteht.

mit kompatiblen Elektroden, die auf beiden Seiten aufgebracht sind. Aufgrund ihrer hohen Aktorikstärken bieten dielektrische Elastomerelektroaktoren zahlreiche potenzielle Anwendungen. Allerdings haben die manuellen Herstellungsverfahren, die zur Fertigung verwendet werden, ihre Verwendung in kommerziellen Produkten eingeschränkt.

Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in der Möglichkeit, reproduzierbare und robuste Aktuatoren mit genau definierten Formen herzustellen. Die Verwendung von verlustarmen Silikonelastomeren ermöglicht eine schnelle Aktivierungsreaktion. Obwohl das Verfahren die Herstellung eines Aktuators beschreibt, kann dieselbe Technik auch zur Fertigung von Dielektrikum-Elastomer-Generatoren und dehnbaren Dehnungssensoren eingesetzt werden.

Um mit dem Opferschichtguss zu beginnen, schneiden Sie ein 400 Millimeter langes Blatt aus hochwertigem 125 Mikrometer dickem Polyethylenterephthalat oder PET von der Rolle ab. Legen Sie das PET-Substrat auf den Vakuumtisch und schalten Sie die Vakuumpumpe ein. Setzen Sie den Profilstreichaufsatz auf den automatischen Schichtbeschichter und stellen Sie die Beschichtungsgeschwindigkeit auf fünf Millimeter pro Sekunde ein.

Danach zwei Milliliter der Lösung der Opferschicht vor die Profilstange geben und die Beschichtungsmaschine starten. Anschließend den Filmapplikator zurückziehen, aber die Vakuumpumpe weiterlaufen lassen und das PET-Substrat auf der Vakuumplatte belassen. Die Schicht zwei Minuten lang an der Luft trocknen lassen.

Fügen Sie für das Gießen von Silikonmembranen 15 Gramm Silikonbasis und 1,50 Gramm Vernetzer in einen Mischtopf hinzu. Geben Sie anschließend 10 Gramm Silikonlösungsmittel hinzu, um die Viskosität zu verringern. Mischen Sie die Silikonmischung mit dem Rührer des Planetenmischers.

Verwenden Sie einen zweiminütigen Mischzyklus bei 2.000 U/min sowie einen zweiminütigen Entlüftungszyklus bei 2.200 U/min. Stellen Sie anschließend die Höhe eines Universalapplikators auf 225 Mikrometer ein. Platzieren Sie den Applikator an der Oberseite des PET-Blattes und stellen Sie die Geschwindigkeit des Schichtapplikators auf drei Millimeter pro Sekunde ein.

Es ist entscheidend, fehlerfreie Membranen zu erhalten, indem die Einschließung von Staubpartikeln während des Gießprozesses vermieden wird. Dies erreichen wir, indem wir in einer sauberen Umgebung arbeiten und das Substrat vor dem Beschichten sorgfältig reinigen. Übertragen Sie 10 Milliliter der Silikonmischung mit einer Spritze vom Mischgefäß auf das PET-Substrat.

Starten Sie den automatischen Applikator, um Silikon über das gesamte PET-Substrat aufzutragen. Schalten Sie die Pumpe aus und warten Sie fünf Minuten, damit das Lösungsmittel aus der gegossenen Schicht verdunsten kann. Übertragen Sie die Membran auf eine Glasplatte und stellen Sie sie 30 Minuten lang bei 80 Grad Celsius in den Ofen.

Nach 30 Minuten die Membran aus dem Ofen nehmen und weitere fünf Minuten bei Raumtemperatur abkühlen lassen. Anschließend mit einer dünnen PET-Folie abdecken, um die Oberfläche vor Verunreinigungen zu schützen. Stellen Sie die vorgedehnte Unterlage und die Membranunterlage her und schneiden Sie das gegossene Silikonmembran/PET-Trägersubstrat-Sandwich wie im Textprotokoll beschrieben zurecht.

Befestigen Sie die laserbeschnittene vorgespannte Unterlage mit der klebenden Seite nach unten auf dem ausgeschnittenen Silikonmembrankreis, sodass der Klebstoff mit der Silikonoberfläche in Kontakt kommt. Bereiten Sie ein Bad aus kochendem Wasser vor und tauchen Sie die gesamte Montage, einschließlich der Silikonmembran und der adhäsiven Unterlage, darin ein. Während des Eintauchens lösen Sie vorsichtig und langsam das PET-Substrat von der Silikonmembran ab, bis sie vollständig getrennt sind.

Entfernen Sie die Silikonmembran aus dem Wasserbad und lassen Sie sie trocknen. Eine Stickstoffpistole kann verwendet werden, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Messen Sie die Dicke der Membran mit dem Transmissionsinterferometer gemäß der Herstellerprotokoll.

Stellen Sie den Vordreher auf einen Durchmesser von 45 Millimetern ein und legen Sie die vorgedehnte Trägersilikonmembran mit der klebenden Seite nach unten auf die Finger des Vordrehers. Schneiden Sie die vorgedehnte Trägerschicht zwischen den Fingern des Vordrehers durch. Anschließend platzieren Sie das radiale Maßband auf dem Vordreher und drehen den ringförmigen Vordreher gegen den Uhrzeigersinn, um den Durchmesser des Vordrehers auf 58,5 Millimeter zu vergrößern und die Membran gleichmäßig biaxial um einen Faktor von 1,3 vorzudehnen.

Entfernen Sie anschließend die Schutzfolie vom PMMA-Membranhalter, um den Kleber freizulegen. Befestigen Sie den PMMA-Membranhalter auf der vorgedehnten Membranoberfläche. Schneiden Sie entlang des Membranhalters, um die vorgedehnte Membran vom Dehnrahmen zu lösen.

Danach die endgültige Dicke der vorgedehnten Membran mit dem Transmissionsinterferometer messen. Um die Tampondruckmaschine einzurichten, die Cliché-Platte mit dem gewünschten Elektrodenmuster auf dem Magnetblock installieren. Den Cliché-Block auf dem mit Tinte gefüllten Tintenbehälter platzieren.

Und bauen Sie die Baugruppe in die Maschine ein. Platzieren Sie die Ausrichtplatte auf der Druckerbasis. Starten Sie einen Druckzyklus auf der Tampondruckmaschine.

Das überträgt das Elektroden-Design auf die Ausrichtplatte. Überprüfen Sie visuell die Überlappung der gedruckten Elektrode und der geätzten Referenzstruktur der Ausrichtplatte. Bewegen Sie den X-Y-Verfahr-Schieber, um eine Fehlausrichtung zu korrigieren.

Überprüfen Sie visuell die Ausrichtung mit der Referenzstruktur und justieren Sie weiterhin die Plattformposition und drucken Sie die Elektroden, bis eine perfekte Überlagerung des gedruckten Musters auf der Referenzstruktur erreicht ist. Legen Sie eine vorher gedehnte Membran auf die Druckerbasis. Starten Sie an der Tampondruckmaschine einen Druckzyklus, um die Elektrode auf die Membran aufzudrucken.

Stempeln Sie die Membran zweimal, um eine ausreichende Elektrodendicke von etwa vier Mikrometern zu gewährleisten. Nachdem der Druckvorgang wiederholt wurde, bis alle vorgedehnten Membranen bestempelt sind, legen Sie die Membranen mit der bestempelten Elektrode für 30 Minuten in einen Ofen bei 80 Grad Celsius. Danach legen Sie eine der bedruckten Membranen mit der Unterseite nach oben auf die Druckerbasis, sodass die Rückseite der Membran freiliegt.

Starten Sie eine Serie von zwei Druckzyklen, um die untere Elektrode zu strukturieren. Um den Aktor fertigzustellen, bringen Sie die Membranen für 30 Minuten bei 80 Grad Celsius in den Ofen, um die untere Elektrode zu vernetzen. Um die elektrischen Anschlüsse herzustellen, entfernen Sie zuerst die Schutzfolie des Aktorrahmens, um den Klebstoff freizulegen.

Dann eine 18 Millimeter mal 2,5 Millimeter große Stück Tesafilm auf den Teil des Aktorrahmens aufbringen, der mit der unteren Elektrode in Kontakt kommt, und es zur Seite des Rahmens umklappen, um einen zugänglichen elektrischen Kontakt bereitzustellen. Anschließend den Aktorrahmen in den Membranhalter schieben und die Membran vorsichtig mit den Fingern andrücken, damit sie am Klebstoff des Aktorrahmens haftet. Mit einem Skalpell die Membran entlang der Grenze zwischen Membranhalter und Aktorrahmen abschneiden und den Membranhalter entfernen.

Bringen Sie ein zweites Stück leitfähiges Klebeband mit einer Größe von 18 Millimeter mal 2,5 Millimeter auf der Kontaktzone der oberen Elektrode an. Legen Sie abschließend jeweils einen Draht auf jedes Stück leitfähiges Klebeband, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Schließen Sie die beiden Drähte an eine Hochspannungsquelle an und geben Sie ein zweikilovoltiges Rechtecksignal mit zwei Hertz Frequenz an.

Die Dicke des trockenen Films der gegossenen Silikonmembran hängt von der Spalteinstellung des Auftragsgeräts ab, aber auch von der Beschichtungsgeschwindigkeit. Der Einfluss der Geschwindigkeit ist bei dickeren Membranen bedeutender. Die Anwendung eines elektrischen Feldes von mehr als 100 Volt pro Mikrometer bei einer Frequenz von einem Hertz zeigt, dass der Aktuator große Verformungen erreichen kann.

Die diametrale Aktivierungsdehnung des Aktors zeigt eine quadratische Abhängigkeit in Bezug auf die angelegte Gleichspannung. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie planare dielektrische Elastomeraktoren mit kurzen Ansprechzeiten hergestellt werden. Ein Vorteil der Verwendung von Silikonelastomeren mit geringen mechanischen Verlusten.

Der entscheidende Aspekt dieses Verfahrens ist die Fähigkeit, reproduzierbare Aktoren mit gut definierten Elektroden herzustellen. Unser Herstellungsprozess zeigt einen möglichen Weg hin zu einer großtechnischen Fertigung von dielektrischen Elastomer-Aktoren auf.