Siliconen membraan casting
Zodra de silicone membranen vrijkomen uit het PET substraat en zijn vrijstaand op een frame (aan het einde van stap 2,2), kan de dikte worden gemeten, bijvoorbeeld door verzending interferometrie. Figuur 6 toont de dikte homogeniteit van een siliconenlaag over de breedte van 200 mm PET substraat voor 3 verschillende effectieve gap hoogtes (50, 100 en 150 pm) met een gietsnelheid van 1 mm / sec (Merk op dat door de applicator is breder dan het PET substraat, de voet van de applicator rusten op de vacuüm en niet op de PET substraat zelf, zoals te zien in figuur 4A. De effectieve spleet tussen de applicator en het substraat is dus gelijk aan de hoogte applicator min de dikte van de PET substraat. Bijvoorbeeld een PET substraat van 125 pm en een applicator hoogte van 225 urn, zoals in het protocol, leidt tot een effectieve ruimte van 100 pm). Voorde 50 urn effectieve spleethoogte is er een duidelijke hoogteverschil tussen de linker- en rechterzijde van de siliconenlaag. Dit omdat de hoogte van de applicator handmatig worden ingesteld op de linker- en rechterzijde, en een fout onvermijdelijk. Maar met een zorgvuldige instelling van de applicator, we meestal verkregen membranen met een dikte standaarddeviatie van minder dan 1 urn, wat het geval is voor de 100 urn effectieve spleethoogte (σ = 0,81 pm). Wanneer de applicator hoogte te groot, golving begint op het membraan veroorzaakt door de verdamping van het oplosmiddel in het silicone mengsel, zoals zichtbaar in het membraan gegoten met een effectieve opening van 150 um (figuur 6) is.
De verhouding tussen de verkregen droge filmdikte en de applicator hoogte afhankelijk van de silicone mengsel en de snelheid van het gieten. Het silicone mengsel in dit artikel bestaat uit een 2-delen silicone en een oplosmiddel om de vi verlagenscosity van het mengsel. Als oplosmiddel verdampt uit het membraan vóór harden, kan een schatting van de filmdikte wordt verkregen door effectieve spleethoogte te vermenigvuldigen met de volumefractie van vaste stof in het silicone mengsel. Er zijn echter dynamisch effect op het achterste van de applicator, waardoor de vorming van een meniscus en een dunnere dikte dan verwacht. De relatie tussen de spleethoogte en de verkregen droge membraandikte is afhankelijk van de gietsnelheid, applicator hoogte en de applicator vorm. Figuur 7 toont de resultaten van een experiment waarbij membranen werden gegoten met verschillende snelheden en hoogtes te tonen hoe deze parameters beïnvloeden droge laagdikte. Te zien is dat gieten bij hoge snelheid leidt tot dunnere membranen, en dat het effect van de snelheid wordt meer uitgesproken als het verschil in hoogte toeneemt.
Aansturing Prestaties
De actuator hier gefabriceerd wordt gekenmerkt door MEASURing de buitendiameter van het tandwiel-achtige elektrode als functie van de aangelegde spanning. Een camera op een vaste stand wordt gebruikt om beelden van de actuator neemt de spanning wordt verhoogd. De beelden worden geanalyseerd met een beeldverwerking script (Vision, National Instruments) om de uitbreiding van de actuator te kwantificeren. Dit werd gedaan door het aanbrengen van een cirkel naar de buitenomtrek van het zwaartepunt dergelijke elektrode (figuur 8). De toename van de diameter van de cirkel van de ontspannen toestand wordt gepresenteerd als diametrale rek (dat wil zeggen, de geactiveerde diameter gedeeld door de diameter van de actuator wanneer ontspannen). De resultaten van twee afzonderlijke actuators identieke dikte (34,5 urn) getoond in figuur 8. Beide apparaten voeren eveneens met diametrale rek van 10% bij een bedieningsspanning van 4 kV.
De reactiesnelheid van de aandrijver werd gemeten door toepassing van een 2 Hz vierkante signaal van 3 kV, waardoor een spanning van ongeveer 4%. De uitbreiding van de actuator werd gefilmd met een high-speed camera met een tijd resolutie van 0,25 msec. Een stijgende flank werd gevangen, met 200 frames (50 msec) voordat de spanning trigger, en 200 frames na. De beelden werden vervolgens geanalyseerd om de tijdsafhankelijke vervorming extraheren (Figuur 9). De stijgtijd (tijd die nodig is om 90% van de uiteindelijke deformatie te bereiken) is 3,75 msec, en er is geen waarneembare viscoelastische kruip vóór en na de spanningsstap, in tegenstelling tot wat wordt waargenomen wanneer acrylelastomeren worden gebruikt als membranen, waarbij stijgtijden van enkele honderden seconden wordt meestal waargenomen 12.
Toepassing van het procesverloop andere apparaten
De actuator vervaardigd dit artikel toont onze fabricageproces, alsmede de fundamentele werkingsprincipe van een DEA met een vergroting van de oppervlakte van de elektroden bij het aanleggen van een spanning, en daarom een goed voorbeeld voor deze les. Echteractuator heeft geen specifieke ander doel dan het aantonen van de bediening principe van een DEA. Toch is de hier voorgestelde werkwijze is zeer veelzijdig en kan worden gebruikt om een breed scala van zacht transducers gericht op specifieke toepassingen te vervaardigen. Wij presenteren hier een paar geselecteerde voorbeelden van toepassingen die we ontwikkeld op basis van actuatoren vervaardigd met behulp van de voorgestelde methodiek.
Zachte bio-geïnspireerde afstelbare lenzen zijn vervaardigd (figuur 10A). Deze kunnen veranderen brandpuntsafstand met 20% in minder dan 200 psec 9. Het apparaat kan worden bediend voor meer dan 400 miljoen cycli zonder merkbare vermindering van activering prestaties, waaruit blijkt dat de combinatie van passende materialen en goede fabricageprocessen resulteren in DEAS met snelle respons snelheden en lange levensduur. Lenzen van soortgelijke geometrie maar maakte met de veelgebruikte commerciële acrylelastomeer VHB een bandbreedte van meer dan 3 orden van grootte kleiner 9.
Patroonvorming van de buigzame elektroden met tampondruk kunt maken heel precies gedefinieerde elektroden, waardoor de fabricage van onafhankelijke kleine elektroden op hetzelfde membraan. Dit is bijvoorbeeld aangetoond door de vervaardiging van een DEA-gebaseerde rotatiemotor met drie elektrisch onafhankelijke elektroden (Figuur 10B). De as en de proefmassa in het midden van de motor draaien op 1500 rpm 13. De motor concept is verder geduwd om dat tampondruk tonen kunnen ook betrouwbaar actuatoren. Een self-commutating rollende robot werd gebouwd om rondjes langs een cirkelvormige baan (figuur 10C) draaien. De robot bezocht meer dan 25 km met een gemiddelde snelheid van 15 cm / sec 13.
Andere toepassingen die zijn gemaakt met de huidige werkwijze (of lichte variaties daarvan) omvatten vervormbare celkweeksystemen 14, diëlektrische elastomeer generatoren 15, multi-segment zachte grijpers 16, of afstembare mm-golf radio frequentie faseverschuivers 17.

Figuur 1. Basisprincipe van diëlektrische elastomeer actuatoren Top:. (1A) In zijn meest eenvoudige vorm, een DEA bestaat uit een zachte elastomeer membraan tussen twee buigzame elektroden. (1B) Wanneer een gelijkspanning wordt aangelegd tussen de elektroden, de elektrostatische ladingen ingesteld op de elektroden maakt een drukspanning dat het membraan perst, wat leidt tot een diktevermindering en een oppervlak expansie. Bottom: (2A) van de in het protocol beschreven actuator bestaat uit een membraan gespannen op een frame. Circulaire elektroden aan weerszijden van het membraan met uitbreidingen van de rand van het membraan mogelijk te maken voor elektrische aansluitingen. De actieve area Het gebied waar de twee elektroden overlappen, dat wil zeggen, de cirkel in het midden. (2B) Wanneer een spanning wordt aangelegd, de elektrostatische kracht perst het membraan. Dit veroorzaakt een verlaging van het membraan dikte in het actieve gebied, en een toename van het oppervlak van de elektrode. Omdat het membraan wordt voorgerekt, de passieve zone rond de elektrode ontspant aan de uitbreiding van de centrale actieve gebied tegemoet te komen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

. Figuur 2. Demonstratiesysteem actuator gefabriceerd in dit protocol Links: afgelopen omvattende gestrekte silicone op een frame bevestigd membraan, een paar compliant elektrode gevormd aan beide zijden van het membraan, en elektrische aansluitingen. Right: samengestelde afbeelding toont de rusttoestand (zwart) en de geactiveerde toestand (cyaan). Een stijging van 10% van de diameter van de structuur wordt waargenomen met 4 kV aangebracht over de elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. explosieaanzicht van de actuator. De verschillende componenten die de aandrijving vervaardigd in de video vormen. Het membraan houdt de houder voorgespannen siliconen membraan wordt het membraan gedurende de elektrode drukstap manipuleren. Zodra de elektroden uitgehard, wordt de aandrijving frame in de membraan houder geplaatst en biedt zowel een structureel kader voor de actuator te houden, en een elektrisch contact met de onderelektrode. Eens het membraan is bevestigd aan de actuator frame, het membrane houder kan worden verwijderd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4. Overzicht van fabricageproces. (A) Gieten van silicone membranen met behulp van een automatische film applicator coater. (B) Laser snijden van genezen siliconen membraan en voorrek ondersteunt. (C) Het plaatsen van siliconen membraan op voorrek ondersteuning. (D) loslaten van silicone membraan van PET substraat door de oplossing van PAA opofferingslaag in heet water. (E) Het snijden van voorrek ondersteuningssecties tussen de vingers. (F) overspannen en hechtende membraan houder aan het membraanoppervlak. (G) Cliché gevuld met conductive inkt. (H) laser geëtste elektrode aligner, bijvoegsel figuur toont een voorbeeld van goed uitgelijnde elektrode. (I) Silicone membraan met gestempelde elektrode. (J) Finished apparaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Werking van het membraan prestretcher. (A) Verschillende metalen vingers zijn bevestigd op een kunststof ring en wordt gedwongen te bewegen in een lineaire (radiaal) fashion langs hun lengte. De annulus is beperkt tot de omtrek bewegen. De kunststof ring heeft verschillende gebogen sleuven gefreesd in, waarin de metalen pennen van de vingers bevinden. Straal van een cirkel begrenzende rand van de vingers is R 1 . (B) De prestretcher annulus wordt gedraaid tegen de klok in, de vingers tegelijk te vertalen, het verhogen van de straal van de cirkel begrenst de vinger randen van R1 tot R2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6. Dikte homogeniteit van de gegoten silicone lagen. Diktemeting van de uitgeharde silicone membraan over de breedte van 200 mm PET substraat, drie gap instellingen van de applicator. De casting snelheid is 1 mm / sec. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
content "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figuur 7. Droge laagdikte in functie van casting parameters. Laagdikte verkregen voor verschillende applicator hoogten en snelheid voor een siliconen-oplosmiddel mengsel met 62% stevige inhoud in volume. Een hogere snelheid leidt tot dunnere membranen voor gelijke applicator instellingen, en de invloed van de snelheid neemt toe met toenemende membraandikte.
Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 
Figuur 8. Aansturing van de demonstrator. Buiten diametrale rek als functie van de aangelegde spanning voor twee apparaten met een laagdikte (na overspannen) van 34,5 pm. Een toename van de diameter van ongeveer 10% wordt waargenomen bij de maximale aangelegde spanning. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9. Strain reactie op een spanning invoerwaarde. Een vierkante, 3 kV 2 Hz-signaal wordt toegevoerd aan de inrichting, het genereren van een spanning van ongeveer 4% (zie Figuur 8). Het gebied uitbreiding wordt waargenomen met een high speed camera op 4000 frames per seconde. Het duurt minder dan 4 msec de actuator 90% van zijn uiteindelijke afmeting bereiken. Voor en na de overgang, de afmeting van de aandrijving stabiel blijven en geen visco-elastische kruip niet laten zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 10. Diëlektrische elastomeer actuators gemaakt met de gepresenteerde processtroom. Drie voorbeelden van diëlektrische elastomeer actuators die door de in dit document beschreven methode. (A) Snelle en zachte afstembare lens kan veranderen de brandpuntsafstand met 20% in minder dan 200 psec. (B) Rotary elastomeer micro-motor die in staat spinnen bij 1500 tpm. (C) Zelf woon-werkverkeer rollende robot. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.