Proceso de fabricación de elastómeros dieléctricos actuadores basados ​​en silicona

El objetivo general de este procedimiento es fabricar actuadores dieléctricos de elastómero robustos. En este video se muestra la fabricación de un actuador en el plano, que consiste en una membrana de silicona estirada sobre un marco.

con electrodos conformes estampados en ambos lados. Gracias a sus grandes fuerzas de actuación, los actuadores dieléctricos de elastómero tienen muchas aplicaciones potenciales. Sin embargo, los procesos de producción manual utilizados para fabricarlos han limitado su uso en productos comerciales.

La principal ventaja de esta técnica es la capacidad de fabricar actuadores reproducibles y robustos con formas definidas con precisión. El uso de elastómeros de silicona de baja pérdida permite una respuesta de actuación rápida. Aunque el procedimiento presenta la fabricación de un actuador, la misma técnica puede utilizarse para fabricar generadores de elastómero dieléctrico y sensores de deformación estirables.

Para iniciar la técnica de colado con capa sacrificial, corte una hoja de 400 milímetros de largo de polietileno tereftalato o PET de alta calidad y 125 micrones de espesor del rollo. Coloque el sustrato de PET sobre la mesa de vacío y encienda la bomba de vacío. Coloque el aplicador de varilla de perfil en el recubridor automático de películas y ajuste la velocidad de recubrimiento a cinco milímetros por segundo.

Luego, coloque dos mililitros de solución de capa sacrificial delante de la varilla de perfil y encienda la máquina recubridora. A continuación, retire el aplicador de película pero mantenga la bomba de vacío en funcionamiento y deje el sustrato de PET sobre la placa de vacío. Deje secar la capa al aire durante dos minutos.

Para la colada de membrana de silicona, agregue 15 gramos de base de silicona y 1,50 gramos de agente de reticulación a un recipiente de mezcla. Luego agregue 10 gramos de disolvente de silicona para disminuir la viscosidad. Mezcle la mezcla de silicona con el mezclador planetario.

Utilice un ciclo de mezclado de dos minutos a 2.000 RPM más un ciclo de desgasificación de dos minutos a 2.200 RPM. A continuación, ajuste la altura de un aplicador universal a 225 micrones. Coloque el aplicador en la parte superior de la lámina de PET y establezca la velocidad del aplicador de película en tres milímetros por segundo.

Es fundamental obtener membranas libres de defectos evitando la inclusión de partículas de polvo durante el proceso de colado. Hacemos esto trabajando en un ambiente limpio y limpiando cuidadosamente el sustrato antes de recubrir la membrana. Transfiera 10 mililitros de la mezcla de silicona desde el recipiente de mezcla al sustrato de PET con una jeringa.

Encienda el aplicador automático para aplicar silicona sobre todo el sustrato de PET. Apague la bomba y espere cinco minutos para permitir que el disolvente se evapore de la capa vertida. Transfiera la membrana a una placa de vidrio y colóquela en el horno durante 30 minutos a 80 grados Celsius.

Después de 30 minutos, retire la membrana del horno y déjela enfriar a temperatura ambiente durante cinco minutos adicionales. Luego, cúbrala con una fina lámina de PET para proteger la superficie de contaminantes. Fabrique el soporte preestirado y el soporte de la membrana, y corte el sándwich de membrana de silicona fundida/sustrato de PET según se describe en el protocolo del texto.

Fije el soporte preestirado cortado con láser sobre el círculo de membrana de silicona con el lado adhesivo hacia abajo, de modo que el adhesivo entre en contacto con la superficie de silicona. Prepare un baño de agua hirviendo y sumerja el conjunto, incluyendo la membrana de silicona y el soporte adhesivo, en el agua. Mientras está sumergido, desprenda suavemente y lentamente el sustrato de PET de la membrana de silicona hasta que estén completamente separados.

Retire la membrana de silicona del baño de agua y déjela secar. Puede utilizarse una pistola de nitrógeno para acelerar el proceso de secado. Mida el espesor de la membrana con el interferómetro de transmisión según el protocolo del fabricante.

Configure el preestirador con un diámetro de 45 milímetros y coloque la membrana de silicona de soporte previamente estirada sobre los dedos del estirador, con el lado adhesivo hacia abajo. Corte el soporte previamente estirado entre los dedos del estirador. A continuación, coloque la regla radial sobre el estirador y gire el anillo del preestirador en sentido antihorario para aumentar el diámetro del preestirador hasta 58,5 milímetros, estirando así la membrana equibiaxialmente por un factor de 1,3.

A continuación, retire la película protectora del soporte de la membrana de PMMA para exponer el adhesivo. Pegue el soporte de la membrana de PMMA sobre la superficie de la membrana previamente estirada. Corte alrededor del soporte de la membrana para separar la membrana estirada del estirador.

Luego, mida el espesor final de la membrana preestirada con el interferómetro de transmisión. Para configurar la máquina de tampografía, instale la cliché con el patrón de electrodo deseado sobre el bloque magnético. Coloque el bloque de cliché encima de la copa de tinta llena de tinta.

Y coloque el conjunto en la máquina. Coloque la placa alineadora sobre la base de la impresora. Inicie un ciclo de impresión en la máquina de impresión por tampón.

Que aplicará el diseño del electrodo sobre la placa de alineación. Inspeccione visualmente la superposición del electrodo impreso y la estructura de referencia grabada en la placa de alineación. Mueva la etapa atenuadora X-Y para corregir cualquier desalineación.

Inspeccione visualmente la alineación con la estructura de referencia y continúe moviendo la posición de la plataforma e imprimiendo los electrodos hasta lograr una superposición perfecta del patrón impreso sobre la estructura de referencia. Coloque una membrana preestirada sobre la base de la impresora. En la máquina de impresión por tampón, inicie un ciclo de impresión para estampar el electrodo sobre la membrana.

Estampe la membrana dos veces para asegurar un espesor suficiente del electrodo de aproximadamente cuatro micrómetros. Después de repetir el proceso de impresión hasta que todas las membranas preestiradas hayan sido estampadas, coloque las membranas con el electrodo estampado en un horno a 80 grados Celsius durante 30 minutos. Luego coloque una de las membranas impresas boca abajo sobre la base de la impresora, exponiendo la cara posterior de la membrana.

Inicie una serie de dos ciclos de impresión para trazar el electrodo inferior. Para finalizar el actuador, coloque las membranas en el horno a 80 grados Celsius durante 30 minutos para entrecruzar el electrodo inferior. Para crear las conexiones eléctricas, primero retire el respaldo protector del marco del actuador para exponer el adhesivo.

Luego, coloque un trozo de cinta de 18 milímetros por 2,5 milímetros sobre la parte del marco del actuador que entrará en contacto con el electrodo inferior y dóblelo hacia el lateral del marco para proporcionar un contacto eléctrico accesible. A continuación, deslice el marco del actuador dentro del soporte de la membrana y presione suavemente la membrana con los dedos para adherirla al adhesivo del marco del actuador. Con un bisturí, corte la membrana en el borde entre el soporte de la membrana y el marco del actuador, y retire el soporte de la membrana.

Aplique un segundo trozo de cinta conductiva de 18 milímetros por 2,5 milímetros en la zona de contacto del electrodo superior. Finalmente, coloque un cable sobre cada trozo de cinta conductiva para establecer una conexión eléctrica. Conecte los dos cables a una fuente de alto voltaje y aplique una señal cuadrada de dos hercios y una amplitud de dos kilovoltios.

El espesor seco de la película de la membrana de silicona depende del ajuste de separación del aplicador, pero también de la velocidad de codificación. La influencia de la velocidad es más importante en membranas más gruesas. La aplicación de un campo eléctrico superior a 100 voltios por micrón a una frecuencia de un hercio muestra que el actuador puede alcanzar grandes deformaciones.

El estiramiento diametral por actuación del actuador muestra una dependencia cuadrática con respecto al voltaje de corriente continua aplicado. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión sobre cómo fabricar actuadores planos de elastómero dieléctrico con tiempos de respuesta cortos. Una ventaja de usar elastómeros de silicona con bajas pérdidas mecánicas.

El punto clave de este procedimiento es la capacidad de fabricar actuadores reproducibles con electrodos bien definidos. Nuestro proceso de fabricación muestra una ruta posible hacia la fabricación a gran escala de actuadores de elastómero dieléctrico.