Articolo metodologico

Fabbricazione Processo di base di silicone elastomero dielettrici Attuatori

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DOI:

10.3791/53423

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1 febbraio 2016

 ,  ,  , 
1Microsystems for Space Technologies Laboratory, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

In questo articolo

Sommario

Questo manoscritto mostra il processo di fabbricazione per la produzione di attuatori morbidi in elastomero dielettrico basati su membrane di silicone. Le tre fasi chiave della produzione sono presentate in dettaglio: colata a lama di sottili membrane siliconiche; tampografia di elettrodi conformi; e l'assemblaggio di tutti i componenti.

Abstract

Tale contributo dimostra il processo di fabbricazione di trasduttori elastomeri dielettrici (DET). DET sono condensatori estensibili costituite da una membrana elastomerica dielettrico inserito tra due elettrodi conformi. Le grandi ceppi di attuazione di questi trasduttori quando usati come attuatori (oltre il 300% deformazione area) e la loro natura morbida e compiacente è stato sfruttato per una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'ottica elettricamente regolabili, dispositivi di feedback tattili, la raccolta di onde di energia, celle deformabili dispositivi -Cultura, pinze conformi, e la propulsione di un pesce-come dirigibile bio-ispirato. Nella maggior parte dei casi, DET sono realizzate con un elastomero acrilico commerciale proprietario e con elettrodi applicati a mano di polvere di carbone o grasso carbonio. Questa combinazione porta ad attuatori non riproducibili e lenti che presentano scorrimento viscoelastico e una vita breve. Vi presentiamo qui un flusso completo di processo per la fabbricazione riproducibile di DET basato sulla sottile di silicio elastomericoe film, tra cui colata di membrane di silicone sottile, membrana di rilascio e di prestiro, patterning di elettrodi robusto conforme, montaggio e collaudo. Le membrane sono espressi in polietilene tereftalato (PET) flessibile substrati rivestiti con uno strato sacrificale idrosolubile per facilità di rilascio. Gli elettrodi sono costituiti da particelle di carbonio nero disperse in una matrice di silicone e modellato usando una tecnica di stampaggio, che porta a precisamente definita elettrodi conformi che presentano un'elevata adesione alla membrana dielettrico su cui sono applicate.

Introduzione

Dielettrici trasduttori elastomero (DET) sono dispositivi morbidi che consistono di una membrana elastomerica dielettrico (spessore tipicamente 10-100 micron), inserito tra due elettrodi conformi, formando così un condensatore gommosa 1. DET possono essere utilizzati come attuatori in grado di produrre grandi deformazioni (fino a 1.700% strain superficie è stata dimostrata) 2, sensori di deformazione morbidi 3 o generatori morbide 4. Quando viene utilizzato come attuatori, viene applicata una tensione tra i due elettrodi. La forza elettrostatica generata comprime la membrana dielettrico, riducendo lo spessore e aumentando la sua superficie (Figura 1) 1. Oltre agli attuatori, la stessa struttura di base (membrana elastomero sottile ed elettrodi estensibili) può essere utilizzato come dispositivi sensori ceppo o raccolta di energia, sfruttando la variazione di capacità indotto dalla deformazione meccanica. Le grandi deformazioni generate da dielettrica elastomero unctuators (DEAS) e la loro natura morbida e compiacente è stato utilizzato per molte applicazioni, come le lenti elettricamente sintonizzabili 5, 6 motori rotativi, dispositivi coltura cellulare deformabili 7, e la propulsione di un bio ispirato pesce-come dirigibile 8.

La maggior parte DET riportati in letteratura usano un proprietario pellicola di elastomero acrilico da 3M VHB chiamato come membrana elastomero dielettrico, perché è stato dimostrato per esporre molto grandi deformazioni di attuazione 1. La disponibilità di questo materiale in forma di film è anche un fattore chiave nel suo ampio utilizzo per applicazioni DET, anche se (ceppo azionamento annullare), ha un certo numero di svantaggi importanti, come perdite meccaniche e viscoelastico scorrimento che limitano la sua velocità di risposta , un piccolo intervallo di temperatura di funzionamento, e una propensione per lo strappo. In confronto, gli elastomeri di silicone possono essere utilizzati anche come membrana dielettrico per DET, portando a dispositivi con una velocità di risposta 1000 volte più velocedi elastomeri acrilici, a causa della loro molto ridotte perdite meccaniche 9. Inoltre, sono disponibili in una vasta gamma di durezze, che dà ulteriore libertà di progettazione. Tuttavia, siliconi sono solitamente venduti in una forma base vischiosa, che deve essere applicato in sottili membrane da utilizzare per DET. Tuttavia, questo fornisce ancora un ulteriore grado di libertà, come lo spessore della membrana può essere scelta liberamente e non è imposto dal costruttore, come avviene per i film predefiniti.

Questo protocollo mostra la realizzazione di un attuatore elastomero dielettrico. Tuttavia, può essere applicata anche con poca o nessuna modifica per la fabbricazione di trasduttori elastomeri dielettrici in un senso più ampio, compresi i dispositivi di raccolta di energia e sensori di deformazione. Presentiamo qui un metodo per grande area (A4) casting di pellicole sottili (10-100 micron) silicone su substrati flessibili PET rivestiti con uno strato sacrificale idrosolubile. Lo strato sacrificale riduce le forze required per separare la membrana di silicone dal substrato, riducendo così la deformazione meccanica della membrana durante il rilascio. Deformazione della pellicola può portare a anisotrope proprietà meccaniche a causa di stress indotto addolcimento (effetto Mullins) 10 e dovrebbe quindi essere evitata. Gli elettrodi sono la seconda componente chiave di un DET. Il loro ruolo è di distribuire le cariche elettriche sulla superficie della membrana elastomerica. Per produrre un attuatore affidabile, gli elettrodi devono essere in grado di sopportare tensioni utilizzate superiori a 20% senza fessurazioni, degradanti, delaminazione o perdita di conducibilità; Inoltre, devono essere conformi per non irrigidire meccanicamente struttura 11. Tra le diverse tecniche che esistono per rendere compatibili gli elettrodi, le particelle di nerofumo applicata a mano o grassi di carbonio sono i due metodi più utilizzati 11. Tuttavia, questi metodi hanno non pochi inconvenienti: applicazione manuale impedisce miniaturizzazione del dispositivos, porta a risultati non riproducibili e richiede tempo. Inoltre, polvere di carbone o grasso non aderisce alla membrana e gli elettrodi prodotti con questo metodo sono soggetti ad usura e abrasione meccanica. Inoltre, nel caso di grasso, il fluido di legame può diffondere nella membrana dielettrico e modificarne le proprietà meccaniche. La durata di polvere o grasso elettrodi di carbonio non-incapsulato è quindi piuttosto breve. Qui, presentiamo i patterning di elettrodi compatibili da una tecnica detta stampaggio tampografia in cui un disegno preciso viene trasferito alla membrana mediante un timbro morbido silicone, consentendo di rapidamente e riproducibile modello elettrodi precisi, con caratteristiche fino a 0,5 mm. La soluzione applicata costituito da una miscela di nerofumo in una matrice di silicone, che è reticolato dopo l'applicazione, portando così ad elettrodi curati con forte adesione alla membrana elastomerica, che li rende molto resistenti e resistente all'abrasione e all'usura meccanica.

Il protocollo seguente descrive tutti i passaggi necessari per la produzione Deas veloci e affidabili con elettrodi conformi fantasia appunto. Questo include colata membrana e prestiro, patterning e l'allineamento degli elettrodi, il montaggio, il collegamento elettrico e collaudo. Ai fini del video, fabbrichiamo un semplice attuatore in piano con un elettrodo a forma di ingranaggio, come illustrato nella figura 2. L'attuatore è costituito da una membrana di silicone sottile tesa su un supporto della membrana, sul quale sono modellati due elettrodi conformi. Una cornice attuatore viene quindi inserito per fornire un contatto elettrico per l'elettrodo inferiore. Figura 3 mostra una vista esplosa del gruppo con i diversi componenti dell'attuatore. Sebbene il dispositivo realizzato nel video non ha alcuna applicazione pratica là dimostrare il principio di base di Deas, diversi attuatori volti a specifiche applicazioni sono state fatte usando esattamente lo stesso processo, talecome pinze morbide, lenti sintonizzabili, sintonizzabili sfasatori onde millimetriche, etc.

Protocollo

1. Silicone Membrana Produzione

  1. Sacrificial strato di fusione
    1. Tagliare una lastra lunga 400 millimetri di alta qualità 125 PET micron di spessore dal rotolo.
    2. Preparare la soluzione sacrificale (5% di acido acrilico poly in isopropanolo in peso): mescolare 32 g di isopropanolo e 8 g di soluzione poli acido acrilico (25% in acqua) in un tubo di plastica da 50 ml. Agitare bene.
    3. Pulire il substrato PET con garza gratuito panni impregnati di isopropanolo.
    4. Pulire il piano aspirante con garza gratuito panni impregnati di isopropanolo.
    5. Posare il substrato PET sul tavolo vuoto e accendere la pompa del vuoto.
    6. Ispezionare visivamente il tavolo vuoto per garantire che non le grandi particelle di polvere sono intrappolati tra la tabella di vuoto e il substrato PET. Ripetere la procedura di pulizia precedenti se si identificano le particelle di polvere.
    7. Pulire la superficie superiore del substrato PET con garza gratuito panni impregnati di isopropanolo.
    8. Posizionare il profilo asta di unpplicator sulla torre di verniciatura automatico del film e la velocità di rivestimento impostata a 5 mm / sec.
    9. Mettere 2 ml di soluzione strato sacrificale davanti dell'asta profilo e avviare la macchina spalmatrice.
    10. Quando l'asta del profilo ha raggiunto la fine del PET substrato ascensore fuori dalla torre di verniciatura e pulirlo strofinando con un wipe imbevuto di acqua calda e privo di lanugine.
    11. Ritrarre l'applicatore film, ma lasciare in funzione la pompa del vuoto e lasciare il substrato PET sul piatto vuoto. Lasciare lo strato asciutto in aria per 2 min.
  2. Membrana fusione silicone
    1. Preriscaldare il forno a 80 ° C.
    2. Aggiungere 15 g di base di silicone e 1,5 g di cross-linker ad un vaso di miscelazione. Aggiungere 10 g di solvente silicone per ridurre la viscosità.
    3. Mescolare la miscela di silicone con un miscelatore planetario. Utilizzare un ciclo di miscelazione 2 min a 2.000 giri, più un ciclo di degasaggio 2 min a 2.200 giri al minuto.
    4. Impostare l'altezza dell'applicatore universale a 225 micron. Posizionare l'applicatore in cima al foglio PET e impostare tegli filmare velocità applicatore a 3 mm / sec.
    5. Trasferimento 15 ml di miscela di silicone dal piatto di miscelazione al substrato sul PET con una siringa.
    6. Avviare l'applicatore automatico di applicare silicone sul substrato PET completa (figura 4A).
    7. Spegnere la pompa e attendere 5 minuti per lasciare evaporare il solvente dallo strato cast.
    8. Trasferire la membrana su una lastra di vetro e posto in forno per 30 minuti a 80 ° C.
    9. Pulire l'applicatore e piatto vuoto con panni privi di lanugine impregnati con isopropanolo.
    10. Dopo 30 min, rimuovere la membrana dal forno, lasciare raffreddare a temperatura ambiente per altri 5 minuti e coprire con un foglio di PET sottile per proteggere la superficie da contaminanti.

2. Rilasciare e prestiro di elastomero Membrane

  1. Prestiro supporto fabbricazione
    1. Tagliate un rettangolo di formato A4 dal rotolo di adesivo trasferimento di silicone a secco.
    2. Rimuovere uno of i coperchi di protezione dal trasferimento adesivo siliconico asciutto e manualmente applicare l'adesivo su una pellicola trasparente A4, avendo cura di evitare la formazione di bolle durante l'applicazione.
    3. Tagliare il modello di supporto prestiro nel film trasparente adesivo coperto utilizzando un controllo numerico (CNC) engraver del laser (figura 4B) secondo il protocollo del produttore.
  2. Supporto della membrana fabbricazione
    1. Tagliare a 500 mm da 290 millimetri rettangolo rotolo di adesivo trasferimento di silicone a secco.
    2. Peel via una delle coperture protettive dal collante trasferimento di silicone asciutto e laminare la pellicola su una di 3 mm di spessore poli (metacrilato di metile) (PMMA) piatto.
    3. Nel frame in PMMA, anelli di taglio di 52 mm di diametro esterno e 44 mm di diametro, che servirà come titolari di membrana all'interno.
  3. Rilascio Membrana
    1. Tagliare la membrana di silicone getto / PET panino substrato dal passo 1 in cerchi di 55 mm diameter utilizzando un laser incisore CNC (figura 4B) secondo il protocollo del produttore e staccarsi la pellicola protettiva.
    2. Fissare il laser-cut prestiro supporta sulla membrana cerchio lato adesivo siliconico taglio verso il basso, in modo che l'adesivo è a contatto con la superficie in silicone (Figura 4C).
    3. Preparare un bagno di acqua bollente e immergere l'assemblaggio (membrana di silicone e supporto adesivo) in esso.
    4. Mentre sommerso, delicatamente e lentamente sbucciare il substrato PET dalla membrana di silicone (Figura 4D).
    5. Rimuovere la membrana di silicone dal bagnomaria e lasciare asciugare all'aria o usare una pistola di azoto per accelerare il processo di essiccazione.
  4. Misurazione dello spessore della membrana e prestiro
    1. Misurare lo spessore della membrana con un interferometro trasmissione secondo il protocollo del produttore.
    2. Impostare la prestretcher ad un diametro di 45 mm, e posizionare il prestretch membrana di supporto in silicone sulle dita barella, lato adesivo verso il basso.
    3. Tagliare il supporto prestiro tra le dita barella (figura 4E).
    4. Aumentare il diametro della prestretcher a 58,5 mm per prestiro equi-biassialmente la membrana di un fattore 1,3 (30% di prestiro) ruotando l'anello prestretcher senso antiorario (figura 5).
    5. Rimuovere la pellicola di copertura dal supporto membrana PMMA esporre l'adesivo e bastone il titolare della membrana PMMA sulla superficie della membrana prestirato (figura 4F).
    6. Tagliare intorno al supporto della membrana per rimuovere la membrana prestirato dalla barella.
    7. Misurare lo spessore finale della membrana prestirato con un interferometro trasmissione.

3. patterning di conformità Elettrodi di tampografia

  1. Preparazione inchiostro conduttivo
    1. In un contenitore di plastica mixer 125 ml, 0,8 g di carbonio nero with 16 g di isopropanolo e 6 sfere di acciaio del diametro di 12 mm. Mescolare a 2.000 rpm per 10 min in un miscelatore planetario.
    2. Aggiungere 4 g elastomero siliconico parte A, 4 g parte B, e 16 g isoottano. Mescolare a 2.000 rpm per 10 min in un miscelatore planetario.
  2. Configurazione della macchina tampografica
    1. Installare il cliché con il modello elettrodo desiderato sul blocchetto magnetico (Figura 4G).
    2. Riempire il calamai con l'inchiostro a base di silicone conduttivo.
    3. Posizionare il blocco cliché (cliché fissato sul blocco magnetico) sulla parte superiore del calamaio dell'inchiostro pieno e installare il gruppo nella macchina.
    4. Fissare il cuscinetto di silicone sulla macchina.
  3. Allineamento
    1. Posizionare la piastra di allineamento (Figura 4H) sulla base della stampante.
    2. Avviare un ciclo di stampa sulla macchina tampografica, che si applicherà il disegno degli elettrodi sul piatto assetto secondo il protocollo del produttore.
    3. Visivamenteispezionare la sovrapposizione dell'elettrodo stampata e la struttura di riferimento inciso della piastra di allineamento. Spostare lo stadio xy θ per correggere eventuali disallineamenti.
    4. Pulire la piastra di allineamento e stampare un altro elettrodo.
    5. Ispezionare visivamente l'allineamento con la struttura di riferimento e continuare a spostare gli elettrodi di posizione della piattaforma e la stampa fino ad ottenere una perfetta sovrapposizione del disegno stampato sulla struttura di riferimento (Figura 4H).
  4. Stampa di elettrodi compatibili
    1. Collocare una membrana prestirato sulla base della stampante.
    2. Sulla macchina tampografica, avviare un ciclo di stampa per timbrare l'elettrodo sul lato superiore della membrana (Figura 4I). Stamp membrana due volte a garantire uno spessore sufficiente di elettrodo di circa 4 micron.
    3. Rimuovere la membrana dalla base della stampante, posizionare il prossimo membrana prestirato sulla base della stampante e ripetere il processo di stampa fino a quando tutti mem prestiratobrane sono timbrati.
    4. Posizionare le membrane con l'elettrodo stampata in un forno a 80 ° C per 30 min.
    5. Dopo 30 min, rimuovere le membrane dal forno.
    6. Posizionare una delle membrane stampato capovolto sulla base della stampante, esponendo il lato posteriore della membrana.
    7. Avviare un ciclo di stampa a modello l'elettrodo inferiore.
    8. Rimuovere la membrana dalla base stampante, posizionare il successivo membrana sulla base della stampante e ripetere il processo di stampa fino a quando tutte le membrane sono stampate su entrambi i lati.
    9. Collocare le membrane in forno a 80 ° C per 30 min per reticolare l'elettrodo inferiore.

4. Creazione di connessioni elettriche

  1. Cornici Cut attuatori che servirà come azienda cornice per l'attuatore nella stessa piastra PMMA usato per il supporto della membrana (cf 2,2) utilizzando incisore laser CNC.
  2. Peel-off il supporto dell'adesivo sulla parte superiore del telaio dell'attuatore.
  3. Applicare un 18 mm x 2.5 mm pezzo di nastro conduttivo sulla parte del telaio attuatore che entrerà in contatto con l'elettrodo inferiore, e ripiegarlo verso il lato del telaio per fornire il contatto elettrico (Figura 3).
  4. Far scorrere il telaio attuatore all'interno del supporto della membrana, e premere delicatamente la membrana con le dita a bastone per l'adesivo del telaio attuatore.
  5. Con un bisturi, tagliare la membrana al confine tra il titolare della membrana e telaio dell'attuatore e rimuovere il primo.
  6. Applicare un secondo pezzo di 18 mm x 2.5 mm nastro conduttivo sulla zona di contatto dell'elettrodo superiore.
  7. Mettere un filo su ogni pezzo di nastro adesivo conduttivo per effettuare la connessione elettrica. Collegare i due fili di una sorgente ad alta tensione, e applicare un segnale rettangolare di ampiezza 2 kV 2 Hz. Osservare l'espansione periodica del dispositivo.

Risultati

Membrana fusione silicone

Una volta che le membrane di silicone vengono rilasciati dal substrato PET e sono indipendenti su un telaio (alla fine della fase 2.2), lo spessore può essere misurato, per esempio mediante interferometria trasmissione. Figura 6 mostra l'omogeneità dello spessore di uno strato di silicone su tutta la larghezza del substrato PET 200 mm per 3 differenti altezze gap efficace (50, 100 e 150 micron) ad una velocità di colata di 1 mm / sec (si noti che, poiché l'applicatore è più largo del substrato PET, i piedi del resto dell'applicatore sulla vuoto e non sul ​​substrato PET in sé, come si può vedere in Figura 4A. Il divario efficace tra l'applicatore e il substrato è quindi pari alla altezza dell'applicatore meno lo spessore del substrato PET. Ad esempio un substrato PET di 125 micron e un'altezza di 225 micron applicatore, come utilizzato nel protocollo, porta ad un divario efficace di 100 micron). Per50 micron altezza gap efficaci, vi è una chiara differenza di altezza tra il lato destro e sinistro dello strato di silicone. Questo è perché l'altezza dell'applicatore deve essere impostata manualmente sul lato sinistro e destro, e un certo errore è inevitabile. Tuttavia con un'attenta regolazione dell'applicatore, generalmente ottenere membrane con spessore deviazione standard inferiore a 1 micron, che è il caso per l'altezza effettiva gap 100 micron (σ = 0,81 micron). Quando l'altezza dell'applicatore diventa troppo grande, ondulazione inizia ad apparire sulla membrana, causata dall'evaporazione del solvente nella miscela di silicone, come è visibile nella membrana fusione con un'intercapedine effettivo di 150 micron (Figura 6).

Il rapporto tra lo spessore del film secco ottenuto e l'altezza dell'applicatore dipende dalla miscela di silicone e la velocità di colata. La miscela silicone usato in questo articolo è costituito da un silicone 2-parti, e un solvente per ridurre la viscosity della miscela. Come il solvente evapora dalla membrana prima della polimerizzazione, una stima dello spessore del film può essere ottenuto moltiplicando l'altezza gap efficace la frazione di volume di solidi nella miscela silicone. Tuttavia, ci sono effetti dinamici al trascinamento dell'applicatore, che porta alla creazione di un menisco e uno spessore più sottile del previsto. Il rapporto fra l'altezza gap e lo spessore della membrana secca risultante dipende dalla velocità di colata, altezza applicatore, e dalla forma dell'applicatore. La Figura 7 mostra i risultati di un esperimento in cui le membrane sono state lanciate a velocità diverse e altezze per mostrare come influiscono questi parametri spessore del film secco. Si può notare che la fusione ad alta velocità porta a membrane sottili, e che l'effetto della velocità diventa più pronunciata come altezza gap aumenta.

Attuazione delle prestazioni

L'attuatore fabbricato è qui caratterizzato da measuring il diametro esterno dell'elettrodo dentata come funzione della tensione applicata. Una telecamera su un basamento fisso viene usato per fotografare l'attuatore come la tensione è aumentata. Le immagini vengono analizzate con uno script di elaborazione delle immagini (Vision, National Instruments) per quantificare l'espansione dell'attuatore. Ciò è stato fatto inserendo un cerchio al perimetro esterno del baricentro come elettrodo (Figura 8). L'aumento del diametro del cerchio dallo stato rilassato è presentato come tratto diametrale (cioè, il diametro azionato diviso per il diametro dell'attuatore quando rilassato). I risultati di due attuatori separati di identico spessore (34,5 micron) sono mostrati in figura 8. Entrambi i dispositivi comportano in modo simile con tratto diametrale del 10% a una tensione di azionamento 4 kV.

La velocità di risposta dell'attuatore è stata misurata applicando un segnale rettangolare di 3 kV 2 Hz, portando ad un ceppo di circa il 4%. L'espansione del actuator è stato girato con una telecamera ad alta velocità con una risoluzione temporale di 0.25 msec. Un fronte di salita è stato catturato, con 200 fotogrammi (50 msec) prima il grilletto di tensione, e 200 fotogrammi dopo. Le immagini dove poi analizzati per estrarre la deformazione tempo-dipendente (Figura 9). Il tempo di salita (tempo necessario per raggiungere il 90% della deformazione finale) è 3,75 msec, e non c'è viscoelastico strisciamento osservabile prima e dopo la fase di tensione, a differenza di quanto si osserva quando elastomeri acrilici sono usati come membrane, per cui aumentare i tempi di diverse centinaia di secondi si osservano di solito 12.

Applicazione del flusso di processo ad altri dispositivi

L'attuatore fabbricati in questo articolo illustra nostro processo di fabbricazione, nonché il principio di funzionamento di base di un DEA con un aumento della superficie degli elettrodi su applicazione di una tensione, ed è quindi un buon esempio per questa esercitazione. Tuttavia, questoattuatore ha scopo specifico diverso dimostrando il principio azionamento di un DEA. Tuttavia, il processo qui presentato è molto versatile e può essere usato per produrre una vasta gamma di trasduttori morbide verso applicazioni specifiche. Presentiamo qui alcuni esempi selezionati di applicazioni che abbiamo sviluppato sulla base attuatori fabbricati usando la metodologia presentata.

Lenti sintonizzabili bio-ispirati morbide sono stati fabbricati (Figura 10A). Questi sono in grado di cambiare la lunghezza focale di 20% in meno di 200 msec 9. Il dispositivo può essere azionato per più di 400 milioni di cicli senza notevole diminuzione delle prestazioni di attuazione, che mostra che la combinazione di materiali adeguati ed i processi di fabbricazione comporta Deas con velocità di risposta rapidi e lunghi tempi di vita. Lenti di geometria simile ma realizzati con l'elastomero acrilico commerciale diffuso VHB hanno una larghezza di banda più di 3 ordini di grandezza inferiore 9.

Patterning gli elettrodi compatibili con tampografia permette di realizzare elettrodi molto ben definiti, permettendo pertanto la realizzazione di elettrodi piccoli indipendenti sulla stessa membrana. Questo è per esempio dimostrato attraverso la realizzazione di un motore rotativo a base di DEA comprendente tre elettrodi elettricamente indipendenti (Figura 10B). L'asse e massa di prova al centro del motore può girare a 1.500 giri 13. Il concetto del motore è stato spinto ulteriormente per dimostrare che tampografia può anche produrre attuatori affidabili. Un robot rotolamento auto-commutazione è stato costruito per eseguire giri lungo una pista circolare (Figura 10C). Il robot viaggiato più di 25 km ad una velocità media di 15 cm / sec 13.

Altre applicazioni che sono stati prodotti con il presente processo (o lievi variazioni della stessa) sono deformabili sistemi di coltura cellulare 14, generatori elastomeri dielettrici 15, multi-segmento pinze morbide 16 o sintonizzabili onde millimetriche sfasatori radiofrequenza 17.

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Figura 1. Principio base di attuatori elastomeri dielettrici Top:. (1A) Nella sua forma più semplice, un DEA costituito da una membrana in elastomero morbido inserito tra due elettrodi conformi. (1B) Quando viene applicata una tensione continua tra gli elettrodi, le cariche elettrostatiche presenti sugli elettrodi creano una sollecitazione di compressione che comprime la membrana, portando ad una riduzione di spessore ed una espansione della superficie. Inferiore: (2A) dell'attuatore descritto nel protocollo costituito da una membrana su un telaio. Elettrodi circolari sono su entrambi i lati della membrana con estensioni al confine della membrana per consentire connessioni elettriche. L'ar attivaea è la zona in cui i due elettrodi si sovrappongono, cioè, il cerchio al centro. (2B) Quando viene applicata una tensione, la forza elettrostatica comprime la membrana. Questo provoca una diminuzione dello spessore della membrana nell'area attiva, e un aumento della superficie dell'elettrodo. Poiché la membrana è prestirato, la zona passivo intorno all'elettrodo rilassa per accogliere l'espansione della regione attiva centrale. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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. Figura 2. Demonstrator attuatore fabbricata in questo protocollo sinistra: dispositivo finito comprendente una membrana di silicone tesa fissata su un telaio, una coppia di elettrodi conforme modellata su entrambi i lati della membrana, e connessioni elettriche. RiGHT: immagine composita che mostra lo stato di riposo (nero) e stato di attivazione (ciano). Un aumento del 10% del diametro della struttura è osservato con 4 kV applicata tra gli elettrodi. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3. vista esplosa dell'attuatore. I vari componenti che formano l'attuatore fabbricati nel video. Il supporto della membrana mantiene la membrana di silicone prestirato ed è usato per manipolare la membrana in fase di stampa dell'elettrodo. Una volta che gli elettrodi sono guariti, il telaio attuatore è inserito all'interno del supporto della membrana e fornisce sia un telaio strutturale per mantenere l'attuatore, e un contatto elettrico per l'elettrodo inferiore. Quando la membrana è fissata al telaio attuatore, il metitolare mbrane può essere rimosso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 4. Panoramica del processo di fabbricazione. (A) Fusione delle membrane di silicone che utilizzano un gruppo di verniciatura automatica pellicola applicatore. (B) Taglio laser di membrana di silicone vulcanizzato e supporti prestiro. (C) Sistemazione di membrana di silicone sul sostegno prestiro. (D) Rilascio di membrana di silicone dal substrato PET sciogliendo dello strato sacrificale PAA in acqua calda. (E) Taglio di sezioni di supporto prestiro che collegano le dita. (F) prestiro e aderente di supporto della membrana alla superficie della membrana. (G) Cliché riempito di condinchiostro uctive. (H) Laser inciso elettrodo assetto, la figura inserto mostra esempio di un elettrodo ben allineato. (I) membrana in silicone con elettrodi timbrato. (J) dispositivo finito. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 5. Principio di funzionamento del prestretcher membrana. (A) a più dita metalliche è attaccato ad un anello di plastica e sono vincolati a muoversi in modo lineare (radiale) di modo lungo la loro lunghezza. L'anello è vincolata a muoversi circonferenzialmente. L'anello di plastica ha diversi slot in essa ricavata, in cui i perni metallici delle dita risiedono curvo. Raggio di un cerchio delimitante il bordo delle dita è R 1 . (B) L'anello prestretcher viene ruotato in senso antiorario, le dita si traducono simultaneamente, aumentando il raggio del cerchio che delimita il dito bordi da R 1 a R 2. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 6. omogeneità spessore degli strati di silicone fuse. Misurazione dello spessore della membrana siliconica reticolata per tutta la larghezza del substrato PET 200 mm, per tre diverse impostazioni gap dell'applicatore. La velocità di colata è di 1 mm / sec. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 7. spessore del film secco in funzione dei parametri di colata. Spessore secco ottenuto per diverse altezze applicatore e di velocità per una miscela di silicone solvente con 62% di contenuto solido in volume. Una velocità più elevata porta a membrane più sottili per le impostazioni uguali applicatore, e l'influenza di velocità aumenta con l'aumentare spessore della membrana. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 8. L'azionamento del manifestante. Tratto diametrale esterna in funzione della tensione applicata per due dispositivi con uno spessore (dopo prestiro) di 34,5 micron. Un aumento del diametro di circa 10% si osserva alla massima tensione applicata. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 9. Strain risposta al gradino di tensione. Un quadrato, 3 kV segnale 2 Hz viene applicata al dispositivo, generando un ceppo di circa il 4% (vedi Figura 8). L'espansione zona è osservata con una telecamera ad alta velocità a 4.000 frame al secondo. Ci vuole meno di 4 msec per l'attuatore a raggiungere il 90% della sua dimensione finale. Prima e dopo la transizione, la dimensione dell'attuatore rimanere stabile e non mostrano scorrimento viscoelastico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 10. attuatori elastomeri dielettrici realizzati con il flusso di processo presentato. Tre esempi di attuatori elastomeri dielettrici realizzati seguendo la metodologia descritta nel presente documento. (A) lente sintonizzabili veloci e morbidi in grado di cambiare la lunghezza focale del 20% in meno di 200 msec. (B) elastomero rotativo di micro-motore in grado di girare a 1.500 giri. (C) Auto-commutazione robot rolling. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussione

Il processo di fabbricazione può essere riassunto come segue. Iniziare applicando uno strato sacrificale idrosolubile sul substrato PET utilizzato per la fusione della membrana. Ciò evita la deformazione eccessiva durante il processo di rilascio che possono potenzialmente danneggiare la membrana. Il silicone è poi colato in uno strato sottile e asciugato in forno. Il foglio A4 PET con il rivestimento di silicone viene tagliato in dischi circolari di diametro 55 mm, e bloccato per supporti flessibili prestiro. I supporti prestiro vengono utilizzati per manipolare la membrana durante le fasi di rilascio e di prestiro strato sacrificale. Per separare la membrana dal substrato PET, è immersa in acqua calda per sciogliere lo strato sacrificale. Questo processo permette alla membrana di essere liberato senza dover tirarlo significativamente. Quando la membrana è indipendente, può essere prestirato. Prestiro consiste nell'allungamento meccanicamente la membrana in piano prima di fissarlo su cornici di contenimento. Questo passaggio genera inforze Ternal trazione nella membrana ed è necessario per la in-plane attuatori elastomero dielettrico, come dimostratore in produzione qui. Nel protocollo, usiamo equi-stiramento biassiale, cioè, un valore che si estende uguale in entrambe le direzioni nel piano. Tuttavia, a seconda dell'applicazione, diverse configurazioni di prestiro possono essere utilizzati, come monoassiale (stretching solo lungo xoy, mentre la membrana è permesso di rilassarsi nell'altra direzione), o anisotropo (valori diversi lungo x ed y).

Una tecnica chiamata tampografia viene usato per un elettrodo proprio modello conforme sulla membrana di silicone prestirato, che consente di definire con precisione elettrodi mm dimensioni sulla membrana. In questo processo, l'inchiostro viene applicato con una racla su un cliché (una piastra di acciaio in cui il disegno da stampare viene incisa, e successivamente prelevato dal cliché da un timbro silicone liscio prima di essere trasferito alla membrana 13). Maidisegno y richiede un proprio cliché. Questi possono essere ordinati da società specializzate, che li producono da un disegno elettronica della geometria. Per fare un elettrodo conduttivo estensibile, disperdere nerofumo in una matrice di silicone da forze di taglio utilizzando macinazione, che è una tecnica ben nota per rompere gli agglomerati di carbon black e disperdere omogeneamente la polvere in una matrice polimerica 18,19.

Durante la stampa, è importante che il disegno viene stampato con un preciso posizionamento e l'orientamento rispetto al telaio membrana. Per fare ciò, utilizzare uno stadio di precisione xy-θ e un assetto. L'allineatore è un pezzo di PMMA nella stessa forma del telaio membrana e ha la progettazione di elettrodi inciso sulla sua superficie utilizzando incisore laser CNC. Prima di stampare sulla membrana della stampa sulla piastra di allineamento per verificare l'allineamento. Se il disegno stampato non corrisponde al disegno inciso registriamo il palco xy θ fino al due disegni overlap (Figura 4H). Nel protocollo, la parte superiore e elettrodo inferiore hanno lo stesso disegno, in modo che la macchina tampografica possono essere lasciate intatte tra le applicazioni dei due elettrodi. Tuttavia, in alcuni casi, gli elettrodi geometrie sono diversi per l'elettrodo superiore e inferiore. In questo caso, mentre le membrane sono in forno per l'indurimento del elettrodo superiore (cioè, tra i passaggi 3.4.3 e 3.4.4), è necessario rimuovere il blocco cliché (l'insieme del cliché tenuto in posizione su un blocco magnetico) con il calamaio dalla macchina tampografica. Poi, il cliché installato deve essere sostituito con quello con il disegno elettrodo inferiore. Poiché il blocco cliché è stato spostato, è necessario effettuare una nuova procedura di allineamento (passo 3.3) mediante una piastra allineatore inciso con il disegno del secondo elettrodo. Una volta che sono applicati entrambi gli elettrodi, devono essere collegati ad un circuito di azionamento esterno che fornisce le cariche fo azionamento. Ci sono diverse soluzioni per effettuare i collegamenti elettrici tra gli elettrodi conformi e l'elettronica di guida. Qui, viene mostrato un metodo molto adatto per la prototipazione, usando le strutture coperte di adesivi e nastro conduttivo (Figura 3). Per la produzione in lotti, l'uso di circuiti stampati con tamponi rame contatto degli elettrodi è un'alternativa migliore (vedi Figura 10A per un esempio di un dispositivo realizzato con una PCB commerciale).

Utilizzare commerciali o prodotti per la maggior parte delle fasi del flusso di processo. Le due eccezioni sono la misura dello spessore delle membrane di silicone ed i passi di prestiro. Per la misurazione dello spessore, usare un interferometro casalingo trasmissione della luce bianca composto da una fonte di luce bianca collimata (dimensione dello spot <1 mm) che attraversa la membrana e raccolta da uno spettrometro. Il periodo delle frange di interferenza dell'intensità luce trasmessa come function di lunghezza d'onda è utilizzata per calcolare lo spessore della membrana 20. Notare che altri metodi possono essere utilizzati per misurare lo spessore, ma devono essere non distruttiva, e idealmente contactless per evitare di deformare la membrana molto sottile. Per il prestiro delle membrane, usare un prestretcher radiale casalingo, che è composto da 8 dita metalliche che possono essere spostati radialmente. Per prestiro una membrana, le dita sono spostati verso l'interno in modo che il supporto prestiro può essere attaccato alle dita della barella (figura 4E). Per prestiro la membrana, le dita sono spostati verso l'esterno, aumentando così efficacemente il diametro della membrana di silicone, portando a equi-biassiale prestiro della membrana. Gli otto dita sono collegate ad una corona circolare, la cui rotazione definisce la separazione radiale delle dita (Figura 5).

Avere un flusso di processo efficiente e consolidata come quello qui presentato è importanteper la fabbricazione di dispositivi riproducibili, robusto e affidabile. Rispetto all'acquisto film preimpostati, colata membrane in elastomero sottili dà molta libertà di progettazione, in quanto consente di scegliere e adattare le proprietà delle membrane all'applicazione. Ad esempio nel caso di elastomeri di silicone, la durezza e l'allungamento a rottura possono essere scelti selezionando prodotti con catena di diversa lunghezza e la densità di reticolazione, e lo spessore possono essere variate regolando il processo di colata. Quest'ultimo punto permette ad esempio di scegliere lo spessore della membrana finale e prestiro indipendente, che non è possibile con le pellicole pre-fatti.

La capacità di precisione modello all'elettrodo su piccola scala (cm al sub-mm) è anche un requisito importante per Deas, come la maggior parte dei dispositivi sono costituiti da zone attive e passive sulla stessa membrana. Ciò implica che la forma dell'elettrodo deve essere definita con precisione sulla membrana. Inoltre, come elettrodi devono essere applicati su entrambi i latidella membrana, è necessario allineare i due elettrodi uno rispetto all'altro: in aggiunta a una forma esattamente definita, gli elettrodi devono essere posizionati con precisione sulla membrana. Il processo di stampaggio qui presentato soddisfa questi due requisiti. Inoltre, tampografia è un processo veloce, come solo pochi secondi sono necessari per stampare un elettrodo, e attuatori può essere facilmente usando questo metodo elaborazione batch. Diversamente il grasso carbonio ampiamente usata o elettrodi polvere sciolto applicata manualmente, il nostro approccio porta a elettrodi che presentano una forte adesione alla membrana su cui sono applicate definita con precisione. Essi sono molto resistenti all'usura, e non possono essere delaminated dalla membrana 13. Nonostante il fatto che tampografia è un metodo di contatto, può essere usato per applicare inchiostro su membrane sottili e fragili silicone, perché l'unica parte che entrano in contatto con la membrana è un timbro morbido silicone. Tuttavia, vi è una certa stiction inevitabile tra il timbro e the membrana, che provoca una leggera deformazione della membrana quando il timbro si sposta verso l'alto. Se la membrana è troppo sottile, questo può portare alla rottura della membrana. Questo limita efficacemente l'applicazione del metodo tampografia alle membrane spessore di 10 micron. Per membrane sottili, devono essere utilizzati senza contatto metodi di patterning, come la stampa a getto d'inchiostro.

Sebbene Deas sono stati studiati per oltre 15 anni, la maggior parte delle Deas di oggi sono ancora basati su film poliacrilati ready-made in combinazione con elettrodi grasso applicati a mano. Questi metodi fatti a mano hanno causato Deas rimanga prevalentemente allo stato di prototipi di laboratorio, con l'adozione limitata da parte dell'industria, nonostante l'interessante prestazioni di Deas in termini di tensione e consumo energetico. Anche se sono già stati pubblicati processi di fabbricazione affidabili, riguardano la produzione di unprestretched, attuatori contrattili impilati ottenuti con impostazioni automatiche dedicate 21,22. Il process scorriamo presentiamo qui è un versatile processo per tutti gli usi che descrive tutti i passi importanti necessarie per fabbricare un DEA, e che può essere facilmente applicato per adattarsi a una applicazione target definito.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica, sovvenzione 200020-153122. Gli autori desiderano ringraziare i membri del nostro gruppo di trasduttori morbidi - passati e presenti - per il loro contributo al perfezionamento del nostro processo di fabbricazione.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Substrato in PET di alta qualità, 125  μ m spessoreDuPont TeijinMelinex ST-506bassa rugosità superficiale e assenza di difetti
Isopropanolo 99,9%Droguerie Schneitter
Soluzione di poli(acido acilico) (25%)Chemie Brunschwig00627-50Mw=50  kDa
Applicatore automatico di filmZehntnerZAA 2300con tavolo aspirante
Applicatore di aste profilateZehntnerACC378.02222.86 μ m
Legante per fornoFD 115
Kit siliconico Dow Corning Sygard 186Dow CorningSylgard 186silicone utilizzato per membrane di colata,
Solvente siliconico Dow Corning OS-2Solvente ecologico Dow CorningOS2. Miscela di 65% Esametildisilossano e 35% Octametiltrisilossano
Impastatrice planetaria ThinkyContenitoreThinky ARE-250
PE-HD 150 mlSemadeni1972Contenitore per miscelare il silicone per la membrana
Medical grade 125  ml PP vaso a bocca larga con tappoThinky250-UM125MLContenitore per mescolare l'inchiostro
Sfere in acciaio di qualità per cuscinetti 12 mmMcMaster-Carr9292K49
Applicatore universale con fessura regolabileZehntnerZUA 2000.220
Pellicola trasparente per lavagna luminosaLyreco978.758
Adesivo per trasferimento in silicone secco (rotolo)Adesivo Piastra di ricercaArclear 8932
in poli(metilmetacrilato) 500  mm x 290  mm x 3  mmLaumatPlexi 3mm
Spettrometro
USB per luce visibileOcean OpticsUSB4000-VIS-NIRSpettrometro per la misurazione dello spessore
Sorgente di luce bianca alogena al tungstenoOcean OpticsLS-1Sorgente luminosa per la misurazione dello spessore
Fibra ottica da 400 micrometriOcean OtticaQP400-2-VIS-NIRFibra ottica lato spettrometro per la misura dello spessore
Fibra ottica da 600 micrometriOcean OpticsP600-2-VIS-NIRFibra ottica lato sorgente luminosa per la misura dello spessore
NerofumoCabotBlack Pearl 2000
Silicone Nusil MED-4901NusilMED-4901utilizzato in inchiostro
conduttivoMacchina tampograficaTecaPrintTCM-101
Cliché in acciaio sottile... 100 mm x 200  mmTecaPrintE052 100 200Piastra in acciaio incisa con il disegno che devi stampare. L'incisione viene eseguita dalla ditta che vende il cliché.
Calamaio da 96 mmTecaPrint895103Componente della macchina tampografica in cui è contenuto l'inchiostro
Silicone morbido 30  mm pad di stampaTecaPrintT-1013Pad di stampa per la macchina tampografica
60 W CO2 Macchina per incisione laserTrotecSpeedy 300Per tagliare telai e lamine
Nastro conduttivo al carbonioSPI fornisce05081-ABPer i collegamenti elettrici agli elettrodi
4 canali 5 kV EAP controller Laboratoriodi biomimeticaSorgente ad alta tensione a bassa potenza per testare gli attuatori. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller

Riferimenti

  1. Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater then 100%. Science. 287 (5454), 836-839 (2000).
  2. 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).
  3. Böse, H., Fuss, E. Novel dielectric elastomer sensors for compression load detection. Proc. of SPIE. 9056, 905614(2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Anderson, I., et al. A thin membrane artificial muscle rotary motor. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 98 (1), 75-83 (2010).
  7. 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).
  8. Jordi, C., et al. Large planar dielectric elastomer actuators for fish-like propulsion of an airship. Proc. SPIE. 7642, 764223(2010).
  9. Maffli, L., Rosset, S., Ghilardi, M., Carpi, F., Shea, H. Ultrafast all-polymer electrically tuneable silicone lenses. Adv. Funct. Mater. 25 (11), (2015).
  10. 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).
  11. Rosset, S., Shea, H. R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 110 (2), 281-307 (2013).
  12. 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).
  13. Rosset, S., Shea, H. Towards fast, reliable, and manufacturable DEAs: miniaturized motor and Rupert the rolling robot. Proc. SPIE. 9430, (2015).
  14. 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).
  15. McKay, T., Rosset, S., Anderson, I., Shea, H. Dielectric elastomer generators that stack up. Smart Mater. Struct. 24 (1), 015014(2015).
  16. Araromi, A., et al. Rollable Multisegment Dielectric Elastomer Minimum Energy Structures for a Deployable Microsatellite Gripper. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 20 (1), 438(2015).
  17. 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).
  18. Awasthi, K., Kamalakaran, R., Singh, A., Srivastava, O. Ball-milled carbon and hydrogen storage. Int. J. Hydrogen Energy. 27 (4), 425-432 (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Lotz, P., Matysek, M., Schlaak, H. Fabrication and application of miniaturized dielectric elastomer stack actuators. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 58-66 (2011).
  22. Tepel, D., Hoffstadt, T., Maas, J. Automated manufacturing process for DEAP stack-actuators. Proc. SPIE. 9056, 905627(2014).

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