Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu
1 lutego 2016
Ten manuskrypt pokazuje proces produkcji miękkich siłowników z elastomeru dielektrycznego opartych na membranach silikonowych. Szczegółowo przedstawiono trzy kluczowe etapy produkcji: odlewanie łopatek z cienkich membran silikonowych; tampodruk elektrod zgodnych z wymaganiami; i montaż wszystkich komponentów.
Ogólnym celem tej procedury jest wykonanie wytrzymałych dielektrycznych aktuatorów elastomerowych. W tym filmie przedstawiono wykonanie aktuatora płaskiego, składającego się z membrany silikonowej naciągniętej na ramę.
z dopasowanymi elektrodami wytłoczonymi po obu stronach. Dzięki dużym siłom aktywacji, dielektryczne siłowniki elastomerowe mają wiele potencjalnych zastosowań. Jednakże manualne procesy produkcyjne wykorzystywane do ich wytwarzania ograniczyły ich zastosowanie w produktach komercyjnych.
Główną zaletą tej techniki jest możliwość wytwarzania powtarzalnych i wytrzymałych siłowników o precyzyjnie zdefiniowanych kształtach. Zastosowanie elastomerów silikonowych o niskich stratach umożliwia szybką odpowiedź podczas aktywacji. Chociaż procedura przedstawia proces wykonania siłownika, tę samą technikę można wykorzystać do produkcji dielektrycznych generatorów elastomerowych oraz rozciągliwych czujników odkształceń.
Aby rozpocząć odlewanie warstwy poświęcalnej, odetnij z rolki arkusz wysokiej jakości politereftalanu etylenu (PET) o grubości 125 micron i długości 400 milimetrów. Połóż podłoże PET na stole próżniowym i włącz pompę próżniową. Umieść aplikator z prętem profilowym w automatycznym urządzeniu do powlekania filmów i ustaw prędkość powlekania na pięć milimetrów na sekundę.
Następnie nanieś dwa mililitry roztworu warstwy poświęcalnej przed prętem profilowym i uruchom urządzenie powlekające. Następnie wycofaj aplikator filmu, pozostawiając włączoną pompę próżniową oraz podłoże PET na płycie próżniowej. Pozostaw warstwę do wyschnięcia na powietrzu przez dwie minuty.
W celu odlewania membrany silikonowej dodaj 15 g bazy silikonowej oraz 1,50 g sieciującego do naczynia do mieszania. Następnie dodaj 10 g rozpuszczalnika silikonowego, aby zmniejszyć lepkość. Wymieszaj mieszaninę silikonową za pomocą mieszadła planetarnego.
Zastosuj dwuminutowy cykl mieszania przy 2 000 RPM oraz dwuminutowy cykl odgazowywania przy 2 200 RPM. Następnie ustaw wysokość uniwersalnego aplikatora na 225 micronów. Umieść aplikator na górze arkusza PET i ustaw prędkość aplikatora filmu na trzy milimetry na sekundę.
Kluczowe jest uzyskanie membran wolnych od defektów poprzez unikanie włączania cząsteczek kurzu podczas procesu odlewania. Osiągamy to, pracując w czystym środowisku i starannie oczyszczając podłoże przed nałożeniem membrany. Przenieś 10 mililitrów mieszaniny silikonowej z naczynia do mieszania na podłoże PET za pomocą strzykawki.
Uruchom automatyczny aplikator, aby nałożyć silikon na cały podłoże z PET. Wyłącz pompę i odczekaj pięć minut, aby rozpuszczalnik odparował z odlanej warstwy. Przenieś membranę na płytkę szklaną i umieść w piekarniku na 30 minut w temperaturze 80 °C.
Po 30 minutach wyjmij membranę z piekarnika i pozostaw ją do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez kolejne pięć minut. Następnie przykryj ją cienką folią PET, aby chronić powierzchnię przed zanieczyszczeniami. Przygotuj podkład wstępnie naciągnięty oraz podkład membrany, a następnie wytnij kanapkę z silikonowej membrany i podłoża PET zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Przymocuj laserowo wycinane, wstępnie rozciągnięte wsparcie do wyciętego kręgu z membrany silikonowej stroną klejącą do dołu, tak aby klej stykał się z powierzchnią silikonu. Przygotuj kąpiel z wrzącej wody i zanurz w niej cały zestaw, w tym membranę silikonową oraz wsparcie z klejem. Podczas zanurzenia delikatnie i powoli odklejaj podłoże PET od membrany silikonowej, aż zostaną one całkowicie rozdzielone.
Wyjmij membranę silikonową z kąpieli wodnej i pozostaw do wyschnięcia. W celu przyspieszenia procesu suszenia można użyć pistoletu z azotem. Zmierz grubość membrany za pomocą interferometru transmisyjnego zgodnie z protokołem producenta.
Ustaw urządzenie do wstępnego rozciągania na średnicę 45 mm i umieść wstępnie rozciągniętą wspierającą membranę silikonową na palcach rozciągacza, stroną klejącą do dołu. Przetnij wstępnie rozciągnięty materiał wspierający pomiędzy palcami rozciągacza. Następnie umieść linijkę promieniową na rozciągaczu i obracaj pierścień urządzenia w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby zwiększyć średnicę do 58,5 mm, w celu równomiernego rozciągnięcia membrany w obu osiach z faktorem 1,3.
Następnie zdejmij folię ochronną z uchwytu membrany PMMA, odsłaniając warstwę klejącą. Przyklej uchwyt membrany PMMA do powierzchni wstępnie naciągniętej membrany. Wytnij obszar wokół uchwytu membrany, aby oddzielić wstępnie naciągniętą membranę od rozciągacza.
Następnie zmierz końcową grubość wstępnie rozciągniętej membrany za pomocą interferometru transmisyjnego. Aby przygotować maszynę do druku tamograficznego, zamontuj kliszę z pożądanym wzorem elektrody na bloku magnetycznym. Umieść blok z kliszą na górze kubka wypełnionego farbą.
Następnie zainstaluj zespół w urządzeniu. Umieść płytkę wyrównawczą na podstawie drukarki. Uruchom cykl drukowania w maszynie do druku tampograficznego.
W ten sposób naniesie się projekt elektrody na płytkę wyrównującą. Należy wizualnie sprawdzić pokrycie się wydrukowanej elektrody z wytrawioną strukturą referencyjną płytki wyrównującej. Przesuń stół X-Y, aby skorygować ewentualne przesunięcia.
Wizualnie sprawdź dopasowanie do struktury referencyjnej i kontynuuj przesuwanie platformy oraz elektrod drukujących, aż do uzyskania idealnego nałożenia się wydrukowanego wzoru na strukturę referencyjną. Umieść wstępnie rozciągniętą membranę na podstawie drukarki. W maszynie do druku tampograficznego uruchom cykl drukowania, aby odbić elektrodę na membranie.
Odbij wzór na membranie dwukrotnie, aby zapewnić odpowiednią grubość elektrody wynoszącą około czterech mikronów. Po powtórzeniu procesu drukowania dla wszystkich wstępnie rozciągniętych membran, umieść membrany z odbitą elektrodą w piekarniku w temperaturze 80 stopni Celsjusza na 30 minut. Następnie połóż jedną z wydrukowanych membran odwróconą stroną do dołu na podstawie drukarki, eksponując tylną stronę membrany.
Rozpocznij serię dwóch cykli drukowania, aby uformować elektrodę dolną. Aby ukończyć wykonanie aktuatora, umieść membrany w piekarniku w temperaturze 80 °C przez 30 minut w celu usieciowania elektrody dolnej. Aby stworzyć połączenia elektryczne, najpierw usuń warstwę ochronną ramy aktuatora, aby odsłonić warstwę kleju.
Następnie naklej kawałek taśmy o wymiarach 18 mm na 2,5 mm na tej części ramy siłownika, która będzie miała kontakt z elektrodą dolną, i zegnij ją na bok ramy, aby zapewnić dostępny kontakt elektryczny. Następnie wsuń ramę siłownika do uchwytu membrany i delikatnie dociśnij membranę palcami, aby przywarła do warstwy klejącej ramy siłownika. Za pomocą skalpela przetnij membranę na granicy między uchwytem membrany a ramą siłownika, a następnie zdejmij uchwyt membrany.
Przyklej drugi kawałek taśmy przewodzącej o wymiarach 18 mm na 2,5 mm w strefie kontaktu górnej elektrody. Na koniec umieść drut na każdym kawałku taśmy przewodzącej, aby utworzyć połączenie elektryczne. Podłącz oba druty do źródła wysokiego napięcia i przyłóż sygnał prostokątny o częstotliwości 2 Hz i amplitudzie 2 kV.
Grubość suchej warstwy odlanej membrany silikonowej zależy od ustawienia szczeliny aplikatora, ale także od prędkości kodowania. Wpływ prędkości jest istotniejszy w przypadku grubszych membran. Przyłożenie pola elektrycznego o natężeniu powyżej 100 V/µm przy częstotliwości 1 Hz wykazuje, że siłownik może osiągać duże odkształcenia.
Rozciąganie siłownika w kierunku poprzecznym wykazuje zależność kwadratową od przyłożonego napięcia prądu stałego. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak wytwarzać płaskie elastomerowe siłowniki dielektryczne o krótkim czasie odpowiedzi. Zaletą jest zastosowanie elastomerów silikonowych o niskich stratach mechanicznych.
Kluczowym punktem tej procedury jest możliwość wytwarzania powtarzalnych aktuatorów z dobrze zdefiniowanymi elektrodami. Nasz proces wytwarzania wskazuje możliwą drogę do wielkoskalowej produkcji dielektrycznych elastomerowych aktuatorów.
Przegląd
Niniejszy manuskrypt szczegółowo opisuje proces wytwarzania miękkich siłowników z elastomerów dielektrycznych z wykorzystaniem membran silikonowych. Produkcja obejmuje trzy kluczowe etapy: odlewanie membran silikonowych metodą rozprowadzania raklem, druk tamionowy elastycznych elektrod oraz montaż komponentów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Miękka robotyka
- Technologia aktuatorów
Wprowadzenie
- Dielektryczne siłowniki elastomerowe charakteryzują się znaczną siłą aktywacji.
- Ręczne procesy produkcyjne ograniczają ich zastosowanie komercyjne.
- Możliwe jest wytwarzanie wytrzymałych siłowników o zdefiniowanych kształtach.
- Silikonowe elastomery o niskich stratach umożliwiają szybkie odpowiedzi na aktywację.
Cel badania
- W celu wytworzenia wytrzymałych elastomerowych siłowników dielektrycznych.
- W celu zademonstrowania powtarzalnej techniki produkcji.
- W celu zbadania zastosowań generatorów i czujników opartych na elastomerach dielektrycznych.
Zastosowane metody
- Odlewanie warstwy poświęcalnej z wykorzystaniem podłoży PET.
- Odlewanie membrany silikonowej z zastosowaniem precyzyjnych technik mieszania i nakładania.
- Druk tamponowy w celu nałożenia elastycznych elektrod.
- Montaż i wstępne rozciąganie komponentów w celu uformowania aktuatora.
Główne wyniki
- Pomyślne wykonanie wolnych od defektów membran silikonowych.
- Efektywne aplikowanie elektrod z precyzyjnym dopasowaniem.
- Wykazana odporność i powtarzalność działania siłowników.
- Potencjał do szerszych zastosowań w miękkiej robotyce i czujnikach.
Wnioski
- Przedstawiona technika zwiększa łatwość wytwarzania dielektrycznych siłowników elastomerowych.
- Otwiera ona możliwości zastosowań komercyjnych w różnych dziedzinach.
- W przyszłych pracach można badać dalsze zastosowania i optymalizacje.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Aktuatory z elastomerów dielektrycznych (DEA) oferują wysoką odkształcalność podczas aktywacji oraz miękkość, co umożliwia ich zastosowanie w haptyce, miękkiej robotyce i optyce z możliwością strojenia. Powtarzalny proces wytwarzania z wykorzystaniem membran silikonowych i wzorowanych elektrod podatnych rozwiązuje kluczowe ograniczenia produkcji manualnej, takie jak pełzanie wiskoelastyczne i krótka żywotność urządzeń. Proces ten wspiera wczesne etapy badań, dostarczając niezawodne i skalowalne prototypy aktuatorów do weryfikacji mechanizmów działania w systemach inspirowanych biologicznie oraz interfejsach ubieralnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie szlaków mechanotransdukcji poprzez kontrolowane wzbudzanie na dużym obszarze w podatnych podłożach.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne platformy aktuatorowe do spójnego aplikowania bodźców mechanicznych w modelach hodowli komórkowych lub tkankowych.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Umożliwia opracowanie rozciągliwych czujników odkształceń do monitorowania w czasie rzeczywistym odpowiedzi mechanicznych w testach bioaktywnych.
- Wartość operacyjna: Pozwala na uzyskanie precyzyjnie zdefiniowanych elektrod o wysokiej adhezji, co zapewnia wierność sygnału i powtarzalność w obrębie macierzy czujników.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera systemy istotne w badaniach nad chorobami, które wymagają dynamicznych sygnałów mechanicznych, takie jak modele tkanek naczyniowych lub mięśniowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia integrację z elastycznymi chwytakami lub bioinspirowanymi systemami napędowymi w celu przedklinijnej walidacji funkcjonalnej.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ta metoda wytwarzania plasuje się w kontinuum badawczym – od testowania hipotez we wczesnej fazie odkryć po walidację funkcjonalną w modelach przedklinicznych, szczególnie w przypadkach wymagających programowalnej aktywacji mechanicznej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez precyzyjną, powtarzalną stymulację mechaniczną systemów biologicznych przy użyciu wstępnie rozciągniętych membran silikonowych.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie testów dzięki standaryzowanym, niskostratnym membranom silikonowym z wzorowanymi elektrodami, zapewniając spójne wzbudzanie elektryczne.
- Analityka: Zapewnia wyjściowe dane ilościowe poprzez interferometryczny pomiar grubości i profilowanie odkształceń wzbudzania pod wpływem przyłożonego napięcia.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną dzięki zastosowaniu w odkształcalnych urządzeniach do hodowli komórkowych oraz bioinspirowanych aktuatorach naśladujących ruch fizjologiczny.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do generowania macierzy aktuatorów w wielu projektach z zakresu miękkiej robotyki i terapii ubieralnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększenie wiarygodności predykcyjnej w badaniach mechanobiologicznych dzięki ograniczeniu zmienności parametrów pracy siłowników oraz delaminacji elektrod.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i skalowalność poprzez odlewanie warstw poświęcalnych oraz druk tamponowy w celu uzyskania wysokiej wierności wzorców elektrod.
- Wartość strategiczna: Usprawnienie podejmowania decyzji typu go/no-go na wczesnych etapach rozwoju dzięki możliwości prowadzenia wiarygodnych badań nad perturbacjami mechanicznymi.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja koncepcji urządzeń mechanoterapeutycznych lub biohybrydowych z uwzględnieniem ryzyka dzięki powtarzalnym prototypom siłowników.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu litografii miękkiej, odlewania cienkich warstw oraz technik precyzyjnego pozycjonowania.
- Metoda zależy od dostępności urządzeń do powlekania wspomaganego próżniowo, mieszania planetarnego oraz druku tamponowego z utwardzaniem w kontrolowanej temperaturze.
- Konieczna jest standaryzacja grubości błony, współczynnika wstępnego rozciągania oraz protokołów tworzenia wzorów elektrod w ramach całego zespołu.
- W przypadku przeniesienia procesu na inne elastomery lub materiały podłoża należy uwzględnić kwestie adaptacyjne.
- Ograniczenia praktyczne obejmują wrażliwość na zanieczyszczenia cząsteczkowe podczas odlewania błony oraz tolerancję pozycjonowania podczas dwustronnego druku elektrod.
