Name: Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Naucz się wytwarzać siłowniki z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu. Poznaj techniki odlewania membran, druku tamponowego elektrod i montażu komponentów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca została częściowo sfinansowana przez Szwajcarską Narodową Fundację Nauki, grant 200020-153122. Autorzy pragną podziękować członkom naszej grupy miękkich przetworników – byłym i obecnym – za ich wkład w udoskonalenie przepływu naszego procesu produkcyjnego.

1. Produkcja membran silikonowych
<ol>
	<li>Odlewanie warstw protektorowych
	<ol>
		<li>Wytnij z rolki arkusz wysokiej jakości PET o grubości 125 μm o długości 400 mm.</li>
		<li>Przygotować roztwór protektorowy (5% wagowo kwasu poliakrylowego w izopropanolu): wymieszać razem 32 g izopropanolu i 8 g roztworu kwasu poliakrylowego (25% w wodzie) w plastikowej tubie o pojemności 50 ml. Wstrząsnąć.</li>
		<li>Wyczyść podłoże PET niestrzępiącymi się chusteczkami nasączonymi izopropanolem.</li>
		<li>Wyczyść stół próżniowy niestrzępiącymi się chusteczkami nasączonymi izopropanolem.</li>
		<li>Połóż podłoże PET na stole próżniowym i włącz pompę próżniową.</li>
		<li>Sprawdź wzrokowo stół podciśnieniowy, aby upewnić się, że żadne duże cząsteczki kurzu nie są uwięzione między stołem próżniowym a podłożem PET. Powtórz poprzednie kroki czyszczenia, jeśli zostaną zidentyfikowane cząsteczki kurzu.</li>
		<li>Oczyść górną powierzchnię podłoża PET niestrzępiącymi się chusteczkami nasączonymi izopropanolem.</li>
		<li>Umieścić aplikator pręta profilowego na automatycznej powlekarce folii i ustawić prędkość powlekania na 5 mm/sek.</li>
		<li>Umieścić 2 ml roztworu warstwy protektorowej przed prętem profilowym i uruchomić powlekarkę.</li>
		<li>Gdy pręt profilowy dotrze do końca podłoża PET, wyjmij go z powlekarki i wyczyść, przecierając niestrzępiącą się ściereczką nasączoną gorącą wodą.</li>
		<li>Cofnij aplikator folii, ale pozostaw włączoną pompę próżniową i pozostaw podłoże PET na płycie próżniowej. Pozostaw warstwę do wyschnięcia na powietrzu przez 2 minuty.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Odlewanie membran silikonowych
	<ol>
		<li>Rozgrzej piekarnik do 80 °C.</li>
		<li>Do garnka dodać 15 g bazy silikonowej i 1,5 g środka sieciującego. Dodaj 10 g rozpuszczalnika silikonowego, aby zmniejszyć lepkość.</li>
		<li>Wymieszaj mieszaninę silikonu za pomocą miksera planetarnego. Stosować 2-minutowy cykl mieszania przy 2,000 obr./min oraz 2-minutowy cykl odgazowywania przy 2,200 obr./min.</li>
		<li>Ustaw wysokość aplikatora uniwersalnego na 225 μm. Umieść aplikator na górze arkusza PET i ustaw prędkość aplikatora folii na 3 mm/sek.</li>
		<li>Przenieść 15 ml mieszaniny silikonu z naczynia do mieszania na podłoże PET za pomocą strzykawki.</li>
		<li>Uruchom automatyczny aplikator, aby nałożyć silikon na całe podłoże PET (Rysunek 4A).</li>
		<li>Wyłącz pompę i odczekaj 5 minut, aby rozpuszczalnik odparował z warstwy wylewu.</li>
		<li>Przenieść membranę na szklaną płytkę i wstawić do piekarnika na 30 minut w temperaturze 80 °C.</li>
		<li>Wyczyść aplikator i płytkę próżniową niestrzępiącymi się chusteczkami nasączonymi izopropanolem.</li>
		<li>Po 30 minutach wyjmij membranę z piekarnika, pozostaw do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez kolejne 5 minut i przykryj cienką folią PET, aby chronić powierzchnię przed zanieczyszczeniami.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Uwalnianie i wstępne rozciąganie membran elastomerowych
<ol>
	<li>Produkcja podpór przed rozciąganiem
	<ol>
		<li>Wytnij prostokąt formatu A4 z rolki suchego silikonowego kleju transferowego.</li>
		<li>Zdejmij jedną z osłon ochronnych z suchego silikonowego kleju transferowego i ręcznie nałóż klej na przezroczystą folię A4, uważając, aby uniknąć tworzenia się pęcherzyków podczas aplikacji.</li>
		<li>Wytnij wzór podpory przed rozciągnięciem w pokrytej klejem przezroczystej folii za pomocą grawera laserowego sterowanego numerycznie (CNC) (Rysunek 4B) zgodnie z protokołem producenta.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Produkcja podpór membranowych
	<ol>
		<li>Wytnij prostokąt o wymiarach 500 mm na 290 mm w rolce suchego silikonowego kleju transferowego.</li>
		<li>Zdejmij jedną z osłon ochronnych z suchego silikonowego kleju transferowego i zalaminuj folię na płytce z poli(metakrylanu metylu) (PMMA) o grubości 3 mm.</li>
		<li>W ramie z PMMA należy wyciąć pierścienie o średnicy zewnętrznej 52 mm i średnicy wewnętrznej 44 mm, które posłużą jako uchwyty membrany.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uwalnianie membrany
	<ol>
		<li>Pokrój odlewaną membranę silikonową/warstwę podłoża PET z kroku 1 na kółka o średnicy 55 mm za pomocą grawera laserowego CNC (rysunek 4B) zgodnie z protokołem producenta i odklej folię ochronną.</li>
		<li>Przymocuj wycięty laserowo wspornik do wstępnego rozciągania na wyciętym okręgu membrany silikonowej stroną do dołu, tak aby klej stykał się z powierzchnią silikonu (Rysunek 4C).</li>
		<li>Przygotuj kąpiel z wrzącą wodą i zanurz w niej zestaw (membranę silikonową i podparcie samoprzylepne).</li>
		<li>Po zanurzeniu delikatnie i powoli oderwij podłoże PET od membrany silikonowej (Rysunek 4D).</li>
		<li>Usuń membranę silikonową z łaźni wodnej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu lub użyj pistoletu do azotu, aby przyspieszyć proces suszenia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar grubości membrany i wstępne rozciąganie
	<ol>
		<li>Zmierz grubość membrany za pomocą interferometru transmisyjnego zgodnie z protokołem producenta.</li>
		<li>Ustawić napinacz na średnicę 45 mm i umieścić silikonową membranę podporową do rozciągania na palcach noszy, stroną klejącą do dołu.</li>
		<li>Przeciąć wspornik do wstępnego rozciągania między palcami noszy (Rysunek 4E).</li>
		<li>Zwiększ średnicę napinacza do 58,5 mm, aby równoosiowo rozciągnąć membranę o współczynnik 1,3 (30% rozciągnięcia wstępnego), obracając pierścień napinacza w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (rysunek 5).</li>
		<li>Usuń folię ochronną z uchwytu membrany PMMA, odsłaniając klej i przyklej uchwyt membrany PMMA do wstępnie rozciągniętej powierzchni membrany (Rysunek 4F).</li>
		<li>Przeciąć wokół uchwytu membrany, aby usunąć wstępnie rozciągniętą membranę z noszy.</li>
		<li>Zmierzyć końcową grubość wstępnie rozciągniętej membrany za pomocą interferometru transmisyjnego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Wzorowanie elektrod zgodnych z metodą tampodruku
<ol>
	<li>Przygotowanie farby przewodzącej
	<ol>
		<li>W plastikowym pojemniku miksera o pojemności 125 ml umieść 0,8 g sadzy z 16 g izopropanolu i 6 stalowymi kulkami o średnicy 12 mm. Mieszaj z prędkością 2 000 obr./min przez 10 minut w mikserze planetarnym.</li>
		<li>Dodaj 4 g elastomeru silikonowego część A, 4 g część B i 16 g izooktanu. Mieszaj z prędkością 2 000 obr./min przez 10 minut w mikserze planetarnym. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja maszyny do tampodruku
	<ol>
		<li>Zamontuj kliszę z żądanym wzorem elektrody na bloku magnetycznym (Rysunek 4G).</li>
		<li>Napełnij pojemnik z kałamarzem przewodzącym tuszem na bazie silikonu.</li>
		<li>Umieść blok klisz (klisza przymocowana do bloku magnetycznego) na wierzchu pojemnika z atramentem wypełnionego atramentem i zainstaluj zespół w urządzeniu.</li>
		<li>Zamocuj silikonową podkładkę na maszynie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>wyrównanie
	<ol>
		<li>Umieść płytkę wyrównującą (Rysunek 4H) na podstawie drukarki.</li>
		<li>Zainicjuj cykl drukowania na maszynie tampodrukowej, która nałoży wzór elektrody na płytkę wyrównywającą zgodnie z protokołem producenta.</li>
		<li>Sprawdź wzrokowo nakładanie się wydrukowanej elektrody i wytrawionej struktury referencyjnej płytki wyrównującej kołków. Przesuń stolik x-y-θ, aby skorygować wszelkie niewspółosiowości.</li>
		<li>Wyczyść płytkę wyrównującą i wydrukuj kolejną elektrodę.</li>
		<li>Sprawdź wzrokowo wyrównanie ze strukturą odniesienia i kontynuuj przesuwanie pozycji platformy i elektrody drukujące, aż uzyskasz idealną superpozycję wydrukowanego wzoru na strukturze referencyjnej (Rysunek 4H).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Drukowanie elektrod zgodnych z przepisami
	<ol>
		<li>Umieść wstępnie rozciągniętą membranę na podstawie drukarki.</li>
		<li>Na maszynie do tampodruku uruchom cykl drukowania, aby wytłoczyć elektrodę na górnej stronie membrany (Rysunek 4I). Dwukrotnie wytłoczyć membranę, aby zapewnić wystarczającą grubość elektrody około 4 μm.</li>
		<li>Zdejmij membranę z podstawy drukarki, umieść następną wstępnie rozciągniętą membranę na podstawie drukarki i powtarzaj proces drukowania, aż wszystkie wstępnie rozciągnięte membrany zostaną wytłoczone.</li>
		<li>Umieścić membrany z wytłoczoną elektrodą w piecu w temperaturze 80 °C na 30 minut.</li>
		<li>Po 30 minutach wyjmij błony z piekarnika.</li>
		<li>Umieść jedną z zadrukowanych membran do góry nogami na podstawie drukarki, odsłaniając tylną stronę membrany.</li>
		<li>Zainicjuj cykl drukowania, aby nadać wzór dolnej elektrodzie.</li>
		<li>Zdejmij membranę z podstawy drukarki, umieść następną membranę na podstawie drukarki i powtarzaj proces drukowania, aż wszystkie membrany zostaną wytłoczone po obu stronach.</li>
		<li>Umieścić membrany w piecu w temperaturze 80 °C na 30 minut, aby usieciować dolną elektrodę.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Tworzenie połączeń elektrycznych
<ol>
	<li>Wytnij ramy siłownika, które będą służyć jako rama mocująca siłownik w tej samej płycie PMMA, która jest używana do uchwytu membrany (cf 2.2) za pomocą grawera laserowego CNC.</li>
	<li>Odklej podkład kleju na górze ramy siłownika.</li>
	<li>Nałóż kawałek taśmy przewodzącej o wymiarach 18 mm x 2,5 mm na część ramy siłownika, która będzie stykać się z dolną elektrodą, i złóż go na bok ramy, aby zapewnić styk elektryczny (rysunek 3).</li>
	<li>Wsuń ramę siłownika do uchwytu membrany i delikatnie dociśnij membranę palcami, aby przykleić ją do kleju ramy siłownika.</li>
	<li>Za pomocą skalpela przeciąć membranę na granicy między uchwytem membrany a ramą siłownika i usunąć tę pierwszą.</li>
	<li>Nałóż drugi kawałek taśmy przewodzącej o wymiarach 18 mm x 2,5 mm na strefę styku górnej elektrody.</li>
	<li>Umieść drut na każdym kawałku taśmy przewodzącej, aby wykonać połączenie elektryczne. Podłącz dwa przewody do źródła wysokiego napięcia i zastosuj sygnał kwadratowy 2 Hz o amplitudzie 2 kV. Obserwuj okresowe rozszerzanie się urządzenia.</li>
</ol>

<ol><li>Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+electrically+actuated+elastomers+with+strain+greater+then+100%25%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-speed electrically actuated elastomers with strain greater then 100%.</a> Science. 287 (5454), 836-839 (2000).</li>
<li>Keplinger, C., Li, T., Baumgartner, R., Suo, Z., Bauer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harnessing+snap-through+instability+in+soft+dielectrics+to+achieve+giant+voltage-triggered+deformation%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Harnessing snap-through instability in soft dielectrics to achieve giant voltage-triggered deformation.</a> Soft Matter. 8 (2), 285-288 (2012).</li>
<li>Böse, H., Fuss, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+dielectric+elastomer+sensors+for+compression+load+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">Novel dielectric elastomer sensors for compression load detection.</a> Proc. of SPIE. 9056, 905614(2014).</li>
<li>Koh, S., Keplinger, C., Li, T., Bauer, S., Suo, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectric+Elastomer+Generators%3A+How+Much+Energy+Can+Be+Converted%3F%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE.+ASME.+Trans.+Mechatron%22%5BJournal%5D)">Dielectric Elastomer Generators: How Much Energy Can Be Converted?</a> IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 33-41 (2012).</li>
<li>Carpi, F., Frediani, G., Turco, S., De Rossi, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+Tunable+Lens+with+Muscle-Like+Electroactive+Elastomers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers.</a> Adv. Funct. Mater. 21 (21), 4152-4158 (2011).</li>
<li>Anderson, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thin+membrane+artificial+muscle+rotary+motor%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A+Mater.+Sci.+Process%22%5BJournal%5D)">A thin membrane artificial muscle rotary motor.</a> Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 98 (1), 75-83 (2010).</li>
<li>Akbari, S., Shea, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+array+of+100um+x+100um+dielectric+elastomer+actuators+with+80%25+strain+for+tissue+engineering+applications%5BTitle%5D)+AND+%22+Sens.+Actuators+A-Phys%22%5BJournal%5D)">An array of 100um x 100um dielectric elastomer actuators with 80% strain for tissue engineering applications.</a> Sens. Actuators A-Phys. 186, 236-241 (2012).</li>
<li>Jordi, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+planar+dielectric+elastomer+actuators+for+fish-like+propulsion+of+an+airship%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Large planar dielectric elastomer actuators for fish-like propulsion of an airship.</a> Proc. SPIE. 7642, 764223(2010).</li>
<li>Maffli, L., Rosset, S., Ghilardi, M., Carpi, F., Shea, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+all-polymer+electrically+tuneable+silicone+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Ultrafast all-polymer electrically tuneable silicone lenses.</a> Adv. Funct. Mater. 25 (11), (2015).</li>
<li>Rosset, S., Maffli, L., Houis, S., Shea, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+instrument+to+obtain+the+correct+biaxial+hyperelastic+parameters+of+silicones+for+accurate+DEA+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">An instrument to obtain the correct biaxial hyperelastic parameters of silicones for accurate DEA modeling.</a> Proc. SPIE. 9056, 90560M(2014).</li>
<li>Rosset, S., Shea, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+and+stretchable+electrodes+for+dielectric+elastomer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A+Mater.+Sci.+Process%22%5BJournal%5D)">Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators.</a> Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 110 (2), 281-307 (2013).</li>
<li>Rosset, S., O’Brien, B., Gisby, T., Xu, D., Shea, H. R., Anderson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-sensing+dielectric+elastomer+actuators+in+closed-loop+operation%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Mater.+Struct%22%5BJournal%5D)">Self-sensing dielectric elastomer actuators in closed-loop operation.</a> Smart Mater. Struct. 22 (10), 104018(2013).</li>
<li>Rosset, S., Shea, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+fast%2C+reliable%2C+and+manufacturable+DEAs%3A+miniaturized+motor+and+Rupert+the+rolling+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Towards fast, reliable, and manufacturable DEAs: miniaturized motor and Rupert the rolling robot.</a> Proc. SPIE. 9430, (2015).</li>
<li>Poulin, A., Rosset, S., Shea, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+compression+of+small+cell+population%3A+Harnessing+stress+in+passive+regions+of+dielectric+elastomer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Toward compression of small cell population: Harnessing stress in passive regions of dielectric elastomer actuators.</a> Proc. SPIE. 9056, 90561Q(2014).</li>
<li>McKay, T., Rosset, S., Anderson, I., Shea, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectric+elastomer+generators+that+stack+up%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Mater.+Struct%22%5BJournal%5D)">Dielectric elastomer generators that stack up.</a> Smart Mater. Struct. 24 (1), 015014(2015).</li>
<li>Araromi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rollable+Multisegment+Dielectric+Elastomer+Minimum+Energy+Structures+for+a+Deployable+Microsatellite+Gripper%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE.+ASME.+Trans.+Mechatron%22%5BJournal%5D)">Rollable Multisegment Dielectric Elastomer Minimum Energy Structures for a Deployable Microsatellite Gripper.</a> IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 20 (1), 438(2015).</li>
<li>Romano, P., Araromi, O., Rosset, S., Shea, H., Perruisseau-Carrier, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+millimeter-wave+phase+shifter+based+on+dielectric+elastomer+actuation%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Tunable millimeter-wave phase shifter based on dielectric elastomer actuation.</a> Appl. Phys. Lett. 104 (2), 024104(2014).</li>
<li>Awasthi, K., Kamalakaran, R., Singh, A., Srivastava, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ball-milled+carbon+and+hydrogen+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Ball-milled carbon and hydrogen storage.</a> Int. J. Hydrogen Energy. 27 (4), 425-432 (2002).</li>
<li>Leong, C. K., Chung, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+black+dispersions+as+thermal+pastes+that+surpass+solder+in+providing+high+thermal+contact+conductance%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Carbon black dispersions as thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance.</a> Carbon. 41 (13), 2459-2469 (2003).</li>
<li>Transmission Measurements of Polymer Thin Films. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Ocean+Optics+application+note%22">Ocean Optics application note</a>. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/App-Note-Transmission-Measurements-of-Polymer-Thin-Films.pdf">http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/App-Note-Transmission-Measurements-of-Polymer-Thin-Films.pdf</a> (2014).</li>
<li>Lotz, P., Matysek, M., Schlaak, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+application+of+miniaturized+dielectric+elastomer+stack+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE.+ASME.+Trans.+Mechatron%22%5BJournal%5D)">Fabrication and application of miniaturized dielectric elastomer stack actuators.</a> IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 58-66 (2011).</li>
<li>Tepel, D., Hoffstadt, T., Maas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+manufacturing+process+for+DEAP+stack-actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Automated manufacturing process for DEAP stack-actuators.</a> Proc. SPIE. 9056, 905627(2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Proces produkcji można podsumować w następujący sposób. Zacznij od nałożenia rozpuszczalnej w wodzie warstwy protektorowej na podłoże PET używane do odlewania membrany. Pozwala to uniknąć nadmiernych deformacji podczas procesu uwalniania, które mogą potencjalnie uszkodzić membranę. Silikon jest następnie odlewany cienką warstwą i utwardzany w piecu. Arkusz PET A4 z powłoką silikonową jest cięty na okrągłe krążki o średnicy 55 mm i przyklejany do elastycznych wsporników do wstępnego rozciągania. Podpory wstępnego rozciągania służą do manipulowania membraną podczas etapów zwalniania warstwy protektorowej i wstępnego rozciągania. Aby oddzielić membranę od podłoża PET, zanurza się ją w gorącej wodzie w celu rozpuszczenia warstwy protektorowej. Proces ten pozwala na uwolnienie membrany bez konieczności jej znacznego ciągnięcia. Gdy membrana jest wolnostojąca, można ją wstępnie rozciągnąć. Rozciąganie wstępne polega na mechanicznym rozciągnięciu membrany w płaszczyźnie przed zamocowaniem jej na ramach mocujących. Ten etap generuje wewnętrzne siły rozciągające w membranie i jest niezbędny dla dynamicznych siłowników z elastomeru dielektrycznego w płaszczyźnie, takich jak produkowany tutaj demonstrator. W protokole stosujemy rozciąganie równodwuosiowe, czyli równą wartość rozciągania w obu kierunkach w płaszczyźnie. Jednak w zależności od zastosowania można zastosować różne konfiguracje rozciągania wstępnego, takie jak jednoosiowa (rozciąganie tylko wzdłuż x lub y, podczas gdy membrana może się rozluźniać w przeciwnym kierunku) lub anizotropowa (różne wartości wzdłuż x i y).
Technika zwana tampodrukiem służy do precyzyjnego wymodelowania podatnej elektrody na wstępnie rozciągniętej membranie silikonowej, co pozwala na precyzyjne zdefiniowanie elektrod o rozmiarze mm na membranie. W tym procesie tusz jest nakładany za pomocą rakla na kliszę (stalową płytkę, na której wytrawiony jest wzór do wydrukowania, a następnie zbierany ze stereotypu za pomocą gładkiego stempla silikonowego przed przeniesieniem na membranę13). Każdy projekt wymaga swojej własnej kliszy. Można je zamówić w wyspecjalizowanych firmach, które produkują je na podstawie elektronicznego rysunku geometrii. Aby uzyskać rozciągliwą elektrodę przewodzącą, należy zdyspersować sadzę w osnowie silikonowej za pomocą sił ścinających za pomocą mielenia kulowego, które jest dobrze znaną techniką rozbijania aglomeracji sadzy i jednorodnego dyspersji proszku w matrycy polimerowej18,19.
Podczas drukowania ważne jest, aby projekt był wydrukowany z precyzyjnym położeniem i orientacją względem ramy membrany. Aby to zrobić, użyj precyzyjnego stolika x-y-θ i nakładki. Aligner to kawałek PMMA w tym samym kształcie co rama membrany, z wzorem elektrody wytrawionym na jej powierzchni za pomocą grawera laserowego CNC. Przed drukowaniem na membranie drukujemy na płycie wyrównującej w celu sprawdzenia wyrównania. Jeśli wydrukowany wzór nie pasuje do wytrawionego wzoru, dostosowujemy stolik x-y-θ do momentu, aż oba wzory zajdą na siebie (rysunek 4H). W protokole górna i dolna elektroda mają tę samą konstrukcję, więc maszynę do tampodruku można pozostawić nietkniętą między zastosowaniami dwóch elektrod. Jednak w niektórych przypadkach geometrie elektrod są różne dla elektrody górnej i dolnej. W takim przypadku, gdy membrany znajdują się w piecu do utwardzania górnej elektrody (tj. między krokami 3.4.3 i 3.4.4), konieczne jest usunięcie bloku klisz (zespołu składającego się ze kliszy utrzymywanego na miejscu na bloku magnetycznym) za pomocą kałamarza z maszyny do tampodruku. Następnie zainstalowaną kliszę należy wymienić na tę z konstrukcją dolnej elektrody. Ponieważ blok kliszy został przesunięty, konieczne jest przeprowadzenie nowej procedury wyrównania (krok 3.3) przy użyciu płytki wyrównującej z wytrawionym wzorem drugiej elektrody. Po przyłożeniu obu elektrod należy je podłączyć do zewnętrznego obwodu napędowego, który dostarcza ładunki do aktywacji. Istnieją różne rozwiązania w zakresie wykonywania połączeń elektrycznych między zgodnymi elektrodami a elektroniką sterującą. W tym miejscu pokazano metodę dobrze nadającą się do prototypowania, wykorzystującą ramy pokryte klejem i taśmę przewodzącą (ilustracja 3). W przypadku produkcji seryjnej lepszą alternatywą jest zastosowanie płytek drukowanych z miedzianymi podkładkami stykającymi się z elektrodami (patrz rysunek 10A dla przykładu urządzenia wykonanego z komercyjnej płytki drukowanej).
Używaj komercyjnego sprzętu lub produktów na większości etapów przepływu procesu. Dwa wyjątki to pomiar grubości membran silikonowych i etapy wstępnego rozciągania. Do pomiaru grubości należy użyć domowego interferometru transmisyjnego światła białego składającego się ze skolimowanego źródła światła białego (wielkość plamki < 1 mm) przechodzącego przez membranę i zebranego przez spektrometr. Okres prążków interferencyjnych natężenia światła przepuszczanego w funkcji długości fali służy do obliczenia grubości membrany20. Należy pamiętać, że do pomiaru grubości można użyć innych metod, ale muszą one być nieniszczące, a najlepiej bezdotykowe, aby uniknąć deformacji bardzo cienkiej membrany. Do wstępnego rozciągania membran należy użyć domowego napinacza promieniowego, który składa się z 8 metalowych palców, które można przesuwać promieniowo. Aby wstępnie rozciągnąć membranę, palce są przesuwane do wewnątrz, tak aby wspornik wstępnego rozciągania mógł zostać przyklejony do palców noszy (Rysunek 4E). Aby wstępnie rozciągnąć membranę, palce są przesuwane na zewnątrz, co skutecznie zwiększa średnicę membrany silikonowej, co prowadzi do równo-dwuosiowego wstępnego rozciągania membrany. Osiem palców jest połączonych pierścieniem, którego obrót określa promieniowe rozdzielenie palców (ryc. 5).
Posiadanie wydajnego i dobrze ugruntowanego przepływu procesów, takiego jak ten przedstawiony tutaj, jest ważne dla produkcji powtarzalnych urządzeń, które są solidne i niezawodne. W porównaniu z zakupem gotowych folii, odlewanie cienkich membran elastomerowych daje dużą swobodę projektowania, ponieważ pozwala na wybór i dostosowanie właściwości membran do zastosowania. Na przykład w przypadku elastomerów silikonowych twardość i wydłużenie przy zerwaniu można wybrać, wybierając produkty o różnej długości łańcucha i gęstości usieciowania, a grubość można zmieniać, dostosowując proces odlewania. Ten ostatni punkt pozwala na przykład wybrać ostateczną grubość membrany i samodzielnie naciągnąć wstępne, co nie jest możliwe w przypadku gotowych folii.
Zdolność do precyzyjnego modelowania elektrody w małej skali (od cm do sub-mm) jest również ważnym wymogiem dla DEA, ponieważ większość urządzeń składa się ze stref aktywnych i pasywnych na tej samej membranie. Oznacza to, że kształt elektrody musi być precyzyjnie określony na membranie. Ponadto, ponieważ elektrody muszą być umieszczone po obu stronach membrany, konieczne jest ustawienie obu elektrod względem siebie: oprócz precyzyjnie określonego kształtu, elektrody muszą być również precyzyjnie umieszczone na membranie. Przedstawiony tutaj proces tłoczenia spełnia te dwa wymagania. Co więcej, tampodruk jest szybkim procesem, ponieważ do wydrukowania elektrody potrzeba tylko kilku sekund, a siłowniki można łatwo przetwarzać wsadowo przy użyciu tej metody. W przeciwieństwie do powszechnie stosowanych elektrod z smarem węglowym lub sypkim proszkiem nakładanych ręcznie, nasze podejście prowadzi do precyzyjnie zdefiniowanych elektrod, które wykazują silną przyczepność do membrany, na którą są nakładane. Są bardzo odporne na zużycie i nie można ich rozwarstwić z membrany13. Pomimo tego, że tampodruk jest metodą kontaktową, może być stosowany do nakładania tuszu na cienkie i kruche membrany silikonowe, ponieważ jedyną częścią stykającą się z membraną jest miękka stempel silikonowy. Istnieje jednak pewne nieuniknione tarcie między stemplem a membraną, co powoduje niewielkie odkształcenie membrany, gdy stempel przesunie się z powrotem w górę. Jeśli membrana jest zbyt cienka, może to doprowadzić do pęknięcia membrany. Skutecznie ogranicza to zastosowanie metody tampodruku do membran grubszych niż 10 μm. W przypadku cieńszych membran należy stosować bezdotykowe metody tworzenia wzorów, takie jak druk atramentowy.
Chociaż DEA są badane od ponad 15 lat, większość dzisiejszych DEA nadal opiera się na gotowych foliach poliakrylowych w połączeniu z ręcznie nakładanymi elektrodami smarowymi. Te ręcznie wykonane metody spowodowały, że DEA pozostały w większości na poziomie prototypów laboratoryjnych, z ograniczonym przyjęciem przez przemysł, pomimo interesujących wyników DEA pod względem obciążenia i zużycia energii. Chociaż opublikowano już wyniki dotyczące niezawodnych procesów produkcyjnych, dotyczą one produkcji nienaciągniętych, ułożonych w stos siłowników kurczliwych uzyskiwanych za pomocą dedykowanych automatycznych konfiguracji21,22. Przepływ procesu, który tutaj prezentujemy, jest wszechstronnym, uniwersalnym procesem, który opisuje wszystkie ważne kroki niezbędne do wytworzenia DEA i który można łatwo zastosować w celu dopasowania do zdefiniowanej aplikacji docelowej.

Dielektryczne przetworniki elastomerowe (DET) to miękkie urządzenia, które składają się z elastomerowej membrany dielektrycznej (zazwyczaj o grubości 10-100 μm), umieszczonej pomiędzy dwoma podatnymi elektrodami, tworząc w ten sposób gumowy kondensator1. DET mogą być używane jako siłowniki zdolne do wytwarzania bardzo dużych odkształceń (wykazano do 1 700% odkształceń powierzchniowych)2, czujniki miękkich odkształceń3 lub jako generatory miękkiej mocy4. W przypadku stosowania jako siłowniki, napięcie jest przykładane między dwiema elektrodami. Wytworzona siła elektrostatyczna ściska membranę dielektryczną, zmniejszając jej grubość i zwiększając powierzchnię (rysunek 1)1. Oprócz siłowników, ta sama podstawowa konstrukcja (cienka membrana elastomerowa i rozciągliwe elektrody) może być używana jako czujnik tensometryczny lub urządzenia do pozyskiwania energii, wykorzystując zmianę pojemności wywołaną odkształceniem mechanicznym. Duże odkształcenia generowane przez siłowniki z elastomeru dielektrycznego (DEA) oraz ich miękka i podatna natura zostały wykorzystane w wielu zastosowaniach, takich jak elektrycznie przestrajalne soczewki5, silniki obrotowe6, odkształcalne urządzenia do hodowli komórkowych7 oraz napęd inspirowanego biologicznie sterowca przypominającego ryby8.
Większość DET opisywanych w literaturze używa zastrzeżonej folii z elastomeru akrylowego od 3M o nazwie VHB jako membrany z elastomeru dielektrycznego, ponieważ wykazano, że wykazuje ona bardzo duże odkształcenia aktywacyjne1. Dostępność tego materiału w postaci folii jest również kluczowym czynnikiem jego szerokiego zastosowania w zastosowaniach DET, mimo że (pomijając naprężenia uruchamiające) ma on szereg istotnych wad, takich jak straty mechaniczne i pełzanie lepkosprężyste, które ograniczają jego szybkość reakcji, mały zakres temperatur pracy i skłonność do rozdzierania. Dla porównania, elastomery silikonowe mogą być również stosowane jako membrana dielektryczna dla DET, co prowadzi do urządzeń o szybkości reakcji 1000 razy szybszej niż elastomery akrylowe, ze względu na znacznie zmniejszone straty mechaniczne9. Ponadto są dostępne w szerokim zakresie twardości, co daje dodatkową swobodę projektowania. Jednak silikony są zwykle sprzedawane w lepkiej postaci bazowej, która musi być stosowana w cienkich membranach, aby można je było stosować do DET. Zapewnia to jednak jeszcze dodatkowy stopień swobody, ponieważ grubość membrany może być dowolnie wybrana i nie jest narzucana przez producenta, jak ma to miejsce w przypadku folii prefabrykowanych.
Ten protokół pokazuje produkcję siłownika z elastomeru dielektrycznego. Jednak może być również stosowany z niewielkimi lub żadnymi modyfikacjami do produkcji przetworników z elastomeru dielektrycznego w szerszym sensie, w tym urządzeń do pozyskiwania energii i czujników naprężeń. Przedstawiamy tutaj metodę wielkopowierzchniowego (A4) odlewania cienkich (10-100 μm) folii silikonowych na elastycznych podłożach PET pokrytych rozpuszczalną w wodzie warstwą protektorową. Warstwa protektorowa zmniejsza siły potrzebne do oddzielenia membrany silikonowej od podłoża, zmniejszając w ten sposób mechaniczne odkształcenia membrany podczas uwalniania. Deformacja folii może prowadzić do anizotropowych właściwości mechanicznych spowodowanych zmiękczeniem wywołanym naprężeniami (efekt Mullinsa)10 i dlatego należy tego unikać. Elektrody są drugim kluczowym elementem DET. Ich rolą jest rozprowadzenie ładunków elektrycznych na powierzchni membrany elastomerowej. Aby wyprodukować niezawodny siłownik, elektrody muszą być w stanie wytrzymać powtarzające się naprężenia wyższe niż 20% bez pękania, degradacji, rozwarstwiania lub utraty przewodności; Ponadto muszą być one zgodne, aby nie usztywniać mechanicznie konstrukcji11. Spośród różnych technik, które istnieją w celu wytwarzania elektrod zgodnych z przepisami, dwie najczęściej stosowane metody to ręcznie nakładane cząstki sadzy lub smar węglowy11. Metody te mają jednak sporo wad: ręczne stosowanie zapobiega miniaturyzacji urządzeń, prowadzi do niepowtarzalnych wyników i jest czasochłonne. Ponadto proszek węglowy lub smar nie przylega do membrany, a elektrody wytwarzane tą metodą ulegają zużyciu i ścieraniu mechanicznemu. Również w przypadku smaru plastycznego płyn wiążący może dyfundować do membrany dielektrycznej i modyfikować jej właściwości mechaniczne. W związku z tym żywotność niehermetyzowanych elektrod węglowych w proszku lub smaru jest dość krótka. W tym artykule przedstawiamy modelowanie elektrod zgodnych z przepisami za pomocą techniki tłoczenia zwanej tampodrukiem, w której precyzyjny wzór jest przenoszony na membranę za pomocą miękkiego stempla silikonowego, co pozwala na szybkie i powtarzalne modelowanie precyzyjnych elektrod o cechach do 0,5 mm. Zastosowane rozwiązanie składa się z mieszaniny sadzy w osnowie silikonowej, która po aplikacji jest sieciowana, dzięki czemu powstają utwardzone elektrody o silnej przyczepności do membrany elastomerowej, dzięki czemu są bardzo sprężyste i odporne na ścieranie mechaniczne i zużycie.
Poniższy protokół opisuje wszystkie kroki wymagane do produkcji szybkich i niezawodnych DEA z precyzyjnie wykonanymi elektrodami. Obejmuje to odlewanie membrany i wstępne rozciąganie, modelowanie i wyrównywanie elektrod, montaż, podłączenie elektryczne i testowanie. Na potrzeby filmu wytwarzamy prosty siłownik w płaszczyźnie z elektrodą w kształcie przekładni, jak pokazano na rysunku 2. Siłownik składa się z cienkiej silikonowej membrany rozciągniętej na uchwycie membrany, na której wzorowane są dwie zgodne elektrody. Następnie wkładana jest rama siłownika, aby zapewnić kontakt elektryczny z dolną elektrodą. Rysunek 3 przedstawia widok rozstrzelony zespołu z różnymi elementami siłownika. Chociaż urządzenie pokazane na filmie nie ma praktycznego zastosowania poza zademonstrowaniem podstawowej zasady działania DEA, różne siłowniki przeznaczone do konkretnych zastosowań zostały wykonane przy użyciu dokładnie tego samego procesu, takie jak miękkie chwytaki, przestrajalne soczewki, przestrajalne przesuwniki fazowe fal milimetrowych itp.

<table><tbody><tr><td>Wysokiej jakości podłoże PET, 125&nbsp; &#956; m grubości</td><td>DuPont Teijin</td><td>Melinex ST-506</td><td>niska chropowatość powierzchni i brak wad</td></tr><tr><td>Izopropanol 99,9%</td><td>Droguerie Schneitter</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Roztwór poli(kwasu acylowego) (25%)</td><td>Chemie Brunschwig</td><td>00627-50</td><td>Mw=50&nbsp; kDa</td></tr><tr><td>Automatyczny aplikator folii</td><td>Zehntner</td><td>ZAA 2300</td><td>ze stołem próżniowym</td></tr><tr><td>Aplikator prętów profilowych</td><td>Zehntner</td><td>ACC378.022</td><td>22.86 &#956; m</td></tr><tr><td>Spoiwo</td><td>do piekarnika</td><td>FD 115</td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 186 zestaw silikonowy</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 186</td><td>silikon używany do odlewania membran</td></tr><tr><td>Dow Corning OS-2 rozpuszczalnik silikonowy</td><td>Dow Corning</td><td>OS2</td> rozpuszczalnik <td>przyjazny dla środowiska. Mieszanina 65% heksametylodiloksanu i 35% oktametylotriloksanu</td></tr><tr><td>Mikser planetarny</td><td>Thinky</td><td>Pojemnik ARE-250</td><td></td></tr><tr><td>PE-HD 150 ml</td><td>Semadeni</td><td>1972</td><td>Pojemnik do mieszania silikonu na membranę</td></tr><tr><td>Klasa medyczna 125&nbsp; ml Słoik PP z szerokimi ustami z nakrętką</td><td>Thinky</td><td>250-UM125ML</td><td>Pojemnik do mieszania atramentu</td></tr><tr><td>Łożysko Kulki stalowe wysokiej jakości 12 mm</td><td>McMaster-Carr</td><td>9292K49</td><td></td></tr><tr><td>Uniwersalny aplikator z regulowaną szczeliną</td><td>Zehntner</td><td>ZUA 2000.220</td><td></td></tr><tr><td>Folia przezroczysta do rzutnika</td><td>Lyreco</td><td>978.758</td><td></td></tr><tr><td>Suchy silikonowy klej transferowy (rolka)</td><td>Klej Badania</td><td>Arclear 8932</td><td></td></tr><tr><td>płyta z poli(metakrylanu metylu) 500&nbsp; mm x 290&nbsp; mm x 3&nbsp; mm</td><td>Laumat</td><td>Plexi 3mm</td><td></td></tr><tr><td>Prestretching</td> rig <td>"domowej roboty"</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Spektrometr USB do światła widzialnego</td><td>Ocean Optics</td><td>USB4000-VIS-NIR</td><td>Spektrometr do pomiaru grubości</td></tr><tr><td>Wolframowe halogenowe źródło światła białego</td><td>Ocean Optics</td><td>LS-1</td><td>Źródło światła do pomiaru grubości</td></tr><tr><td>400 mikrometry światłowód</td><td>Ocean Optyka</td><td>QP400-2-VIS-NIR</td><td>Światłowód po stronie spektrometru do pomiaru grubości</td></tr><tr><td>Światłowód 600 mikrometrów</td><td>Ocean Optics</td><td>P600-2-VIS-NIR</td><td>Światłowód po stronie źródła światła do pomiaru grubości</td></tr><tr><td>Sadza</td><td>Cabot</td><td>Black Pearl 2000</td><td></td></tr><tr><td>Silikon Nusil MED-4901</td><td>Nusil</td><td>MED-4901</td><td>silikon stosowany w tuszu</td></tr> <tr><td>przewodzącymTampodrukarka</td><td>TecaPrint</td><td>TCM-101</td><td></td></tr><tr><td>Cienka stalowa klisza&eacute; 100&nbsp; mm x 200&nbsp; mm</td><td>TecaPrint</td><td>E052 100 200</td><td>Stalowa tabliczka z wytrawionym wzorem, który chcesz wydrukować. Trawienie jest wykonywane przez firmę sprzedającą klisze&eacute;.</td></tr><tr><td>Kałamarz 96 mm</td><td>TecaPrint</td><td>895103</td><td>Element maszyny do tampodruku, w którym znajduje się tusz</td></tr><tr><td>Miękki silikon 30&nbsp; mm tampona drukarska</td><td>TecaPrint</td><td>T-1013</td><td>Tampona drukarska do tampodruku</td></tr><tr><td>60 W CO2 Maszyna do grawerowania laserowego</td><td>Trotec</td><td>Speedy 300</td><td>Do cięcia ram i folii</td></tr><tr><td>Taśma przewodząca węgiel</td><td>SPI dostarcza</td><td>05081-AB</td><td>Do połączeń elektrycznych z elektrodami</td></tr><tr><td>4 kanały 5 kV EAP kontroler Laboratorium</td><td></td><td></td> <td>biomimetyczneźródło wysokiego napięcia małej mocy do testowania siłowników. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller</td></tr></tbody></table>

proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Ten wkład demonstruje proces produkcji przetworników z elastomeru dielektrycznego (DET). DET to rozciągliwe kondensatory składające się z elastomerowej membrany dielektrycznej umieszczonej między dwiema podatnymi elektrodami. Duże odkształcenia uruchamiające tych przetworników, gdy są używane jako siłowniki (ponad 300% odkształcenia powierzchniowego) oraz ich miękka i podatna natura zostały wykorzystane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w elektrycznie przestrajanej optyce, urządzeniach do haptycznego sprzężenia zwrotnego, zbieraniu energii fal, odkształcalnych urządzeniach do hodowli komórek, zgodnych chwytakach i napędzie inspirowanego biologicznie sterowca przypominającego ryby. W większości przypadków DET są wykonane z komercyjnego opatentowanego elastomeru akrylowego i z ręcznie nakładanych elektrod z proszku węglowego lub smaru węglowego. Ta kombinacja prowadzi do niepowtarzalnych i powolnych siłowników wykazujących lepkosprężyste pełzanie i krótką żywotność. Przedstawiamy tutaj kompletny przebieg procesu powtarzalnego wytwarzania DET na bazie cienkich elastomerowych folii silikonowych, w tym odlewanie cienkich membran silikonowych, uwalnianie i wstępne rozciąganie membrany, modelowanie wytrzymałych, zgodnych elektrod, montaż i testowanie. Membrany są wylewane na elastycznych podłożach z politereftalanu etylenu (PET) pokrytych rozpuszczalną w wodzie warstwą protektorową w celu ułatwienia uwalniania. Elektrody składają się z cząstek sadzy rozproszonych w matrycy silikonowej i wzorzystych przy użyciu techniki tłoczenia, co prowadzi do precyzyjnie zdefiniowanych podatnych elektrod, które wykazują wysoką przyczepność do membrany dielektrycznej, na którą są nakładane.

Odlewanie membrany silikonowej
Po oddzieleniu membran silikonowych od podłoża PET i ich zamocowaniu na ramce (na koniec kroku 2.2), ich grubość można zmierzyć, na przykład za pomocą interferometrii transmisyjnej. Rysunek 6 przedstawia jednorodność grubości warstwy silikonu w poprzek szerokości 200 mm podłoża PET dla 3 różnych efektywnych wysokości szczeliny (50, 100 i 150 µm) przy prędkości odlewania 1 mm/sec (należy zauważyć, że ponieważ aplikator jest szerszy niż podłoże PET, jego stopki opierają się na podkładce próżniowej, a nie na samym podłożu PET, co widać na Rysunku 4A. Efektywna szczelina między aplikatorem a podłożem jest zatem równa wysokości aplikatora pomniejszonej o grubość podłoża PET. Na przykład podłoże PET o grubości 125 µm i wysokość aplikatora 225 µm, zastosowane w protokole, dają efektywną szczelinę 100 µm). Dla efektywnej wysokości szczeliny 50 µm występuje wyraźna różnica wysokości między lewą a prawą stroną warstwy silikonu. Wynika to z faktu, że wysokość aplikatora musi być ustawiona ręcznie po lewej i prawej stronie, a pewien błąd jest nieunikniony. Jednak przy dokładnym ustawieniu aplikatora zazwyczaj otrzymujemy membrany o odchyleniu standardowym grubości mniejszym niż 1 µm, co ma miejsce dla efektywnej wysokości szczeliny 100 µm (σ=0,81 µm). Gdy wysokość aplikatora staje się zbyt duża, na membranie zaczyna pojawiać się falistość spowodowana odparowaniem rozpuszczalnika z mieszaniny silikonowej, co jest widoczne w membranie odlanej z efektywną szczeliną 150 µm (Rysunek 6).
Zależność między uzyskaną grubością suchej warstwy a wysokością aplikatora zależy od mieszaniny silikonowej oraz prędkości odlewania. Mieszanina silikonowa użyta w tym artykule składa się z 2 części silikonu oraz rozpuszczalnika w celu zmniejszenia lepkości mieszaniny. Ponieważ rozpuszczalnik odparowuje z membrany przed utwardzeniem, szacunkową grubość warstwy można uzyskać, mnożąc efektywną wysokość szczeliny przez ułamkową zawartość części stałych w mieszaninie silikonowej. Jednakże na tylnej krawędzi aplikatora występują efekty dynamiczne, prowadzące do powstania menisku i uzyskania mniejszej grubości niż oczekiwano. Zależność między wysokością szczeliny a wynikową grubością suchej membrany zależy od prędkości odlewania, wysokości aplikatora oraz kształtu aplikatora. Rysunek 7 przedstawia wyniki eksperymentu, w którym membrany były odlewane przy różnych prędkościach i wysokościach, aby pokazać, jak parametry te wpływają na grubość suchej warstwy. Można zauważyć, że odlewanie przy wysokich prędkościach prowadzi do powstania cieńszych membran i że wpływ prędkości staje się bardziej wyraźny wraz ze wzrostem wysokości szczeliny.
Wydajność działania
Wytworzony w ten sposób aktuator charakteryzuje się poprzez pomiar średnicy zewnętrznej elektrody o strukturze zębatki w funkcji przyłożonego napięcia. Do wykonywania zdjęć aktuatora podczas zwiększania napięcia wykorzystuje się kamerę na stałym statywie. Obrazy są analizowane za pomocą skryptu do przetwarzania obrazów (Vision, National Instruments) w celu ilościowego określenia stopnia rozszerzenia aktuatora. Zrobiono to poprzez dopasowanie okręgu do zewnętrznego obrysu zębatej elektrody (Rysunek 8). Przyrost średnicy okręgu względem stanu spoczynkowego przedstawiono jako rozciągnięcie diametralne (tj. średnica po aktywacji podzielona przez średnicę aktuatora w stanie spoczynku). Wyniki dla dwóch oddzielnych aktuatorów o identycznej grubości (34,5 µm) przedstawiono na Rysunku 8. Oba urządzenia działają podobnie, osiągając rozciągnięcie diametralne na poziomie 10% przy napięciu aktywującym wynoszącym 4 kV.
Szybkość odpowiedzi siłownika zmierzono poprzez przyłożenie sygnału prostokątnego o częstotliwości 2 Hz i napięciu 3 kV, co doprowadziło do odkształcenia wynoszącego około 4%. Rozszerzanie się siłownika filmowano za pomocą kamery wysokiej rozdzielczości z rozdzielczością czasową 0,25 msec. Przechwycono zbocze narastające, rejestrując 200 klatek (50 msec) przed wyzwalaczem napięcia oraz 200 klatek po nim. Następnie przeanalizowano obrazy w celu wyznaczenia odkształcenia zależnego od czasu (Rysunek 9). Czas narastania (czas potrzebny do osiągnięcia 90% końcowego odkształcenia) wynosi 3,75 msec i nie obserwuje się pełzania wiskoelastycznego przed ani po skoku napięcia, w przeciwieństwie do tego, co zauważono przy zastosowaniu elastomerów akrylowych jako membran, dla których czasy narastania zazwyczaj wynoszą kilkaset sekund12.
Zastosowanie przepływu procesu do innych urządzeń
Siatewniczy aktuator wykonany w niniejszym artykule demonstruje nasz proces wytwarzania, a także podstawową zasadę działania DEA, polegającą na zwiększeniu powierzchni elektrod po przyłożeniu napięcia, i stanowi zatem dobrą ilustrację dla tego samouczka. Aktuator ten nie ma jednak innego konkretnego przeznaczenia niż zademonstrowanie zasady działania DEA. Niemniej jednak proces tutaj przedstawiony jest bardzo wszechstronny i może być wykorzystany do produkcji szerokiej gamy miękkich przetworników przeznaczonych do konkretnych zastosowań. Przedstawiamy tutaj kilka wybranych przykładów zastosowań, które opracowaliśmy w oparciu o aktuatory wykonane zgodnie z zaprezentowaną metodologią.
Wykonano miękkie, inspirowane biologicznie soczewki z regulowaną ogniskową (Ryc. 10A). Są one zdolne do zmiany ogniskowej o 20% w czasie krótszym niż 200 µsec9. Urządzenie może być uruchamiane przez ponad 400 milionów cykli bez zauważalnego spadku wydajności działania, co pokazuje, że połączenie odpowiednich materiałów i właściwych procesów wykonania pozwala uzyskać DEAs o szybkim czasie odpowiedzi i długiej żywotności. Soczewki o podobnej geometrii, ale wykonane z powszechnie stosowanego komercyjnego elastomeru akrylowego VHB, mają pasmo przenoszenia mniejsze o ponad 3 rzędy wielkości9.
Wzorcowanie elastycznych elektrod za pomocą druku tamponowego pozwala na tworzenie bardzo precyzyjnie zdefiniowanych elektrod, co umożliwia wykonanie niezależnych elektrod w małej skali na tej samej membranie. Zostało to zaprezentowane na przykład poprzez wykonanie silnika obrotowego opartego na DEA, składającego się z trzech elektrycznie niezależnych elektrod (Rycina 10B). Oś oraz masa próbna w centrum silnika mogą obracać się z prędkością 1,500 rpm13. Koncepcja silnika została rozwinięta, aby wykazać, że druk tamponowy może służyć również do produkcji niezawodnych siłowników. Zbudowano samo-komutującego robota toczącego się, który pokonywał pętle wzdłuż okrągłego toru (Rycina 10C). Robot przebył ponad 25 km ze średnią prędkością 15 cm/sec13.
Inne zastosowania opracowane przy użyciu obecnego procesu (lub jego niewielkich modyfikacji) obejmują odkształcalne systemy hodowli komórkowych14, dielektryczne generatory elastomerowe15, wielosegmentowe miękkie chwytaki16 lub strojone przesuwniki fazowe wysokich częstotliwości w pasmie milimetrowym17.
<img alt="Schemat przetwornika elektromechanicznego; stany spoczynku i aktywacji; membrana elastomerowa, elektrody." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
Rysunek 1. Podstawowa zasada działania dielektrycznych aktuatorów elastomerowych. Góra: (1A) W najprostszej formie DEA składa się z miękkiej membrany elastomerowej umieszczonej pomiędzy dwiema podatnymi elektrodami. (1B) Po przyłożeniu napięcia DC pomiędzy elektrody, ładunki elektrostatyczne zgromadzone na elektrodach wytwarzają naprężenie ściskające, które zgniata membranę, prowadząc do zmniejszenia jej grubości i rozszerzenia powierzchni. Dół: (2A) aktuator opisany w protokole składa się z membrany rozciągniętej na ramie. Okrągłe elektrody znajdują się po obu stronach membrany z przedłużeniami do jej krawędzi w celu umożliwienia połączeń elektrycznych. Obszar aktywny to strefa, w której dwie elektrody nakładają się na siebie, t.j. okrąg w centrum. (2B) Po przyłożeniu napięcia siła elektrostatyczna ściska membranę. Powoduje to zmniejszenie grubości membrany w obszarze aktywnym i zwiększenie powierzchni elektrody. Ponieważ membrana jest wstępnie rozciągnięta, pasywna strefa wokół elektrody rozluźnia się, aby dostosować się do rozszerzenia centralnego obszaru aktywnego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Demonstracja siłownika miękkiej robotyki; mechaniczna przekładnia z wbudowanym projektem serca w materiale elastycznym." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Siłownik demonstracyjny wykonany zgodnie z niniejszym protokołem. Po lewej: gotowe urządzenie składające się z rozciągniętej membrany silikonowej zamocowanej na ramie, pary elastycznych elektrod naniesionych na obie strony membrany oraz połączeń elektrycznych. Po prawej: obraz kompozytowy przedstawiający stan spoczynku (czarny) i stan aktywacji (cyjan). Przy przyłożeniu 4 kV do elektrod obserwuje się 10% wzrost średnicy struktury. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat montażu miękkiego siłownika z elektrodami, silikonową membraną i elementami ramy siłownika." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Widok rozłożony siłownika. Różne komponenty tworzące siłownik wykonany w filmie. Uchwyt membrany utrzymuje wstępnie naciągniętą silikonową membranę i służy do manipulowania membraną podczas etapu drukowania elektrod. Po utwardzeniu elektrod wewnątrz uchwytu membrany umieszcza się ramę siłownika, która stanowi zarówno strukturę nośną siłownika, jak i kontakt elektryczny z dolną elektrodą. Po przymocowaniu membrany do ramy siłownika można usunąć uchwyt membrany. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wytwarzanie membrany silikonowej; przygotowanie podłoża, rozciągacz wstępny, proces stemplowania elektrod." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Przegląd procesu wytwarzania. (A) Odlewanie membran silikonowych przy użyciu automatycznego aplikatora powłok. (B) Wycinanie laserowe utwardzonej membrany silikonowej i wsporników do wstępnego rozciągania. (C) Umieszczanie membrany silikonowej na wsporniku do wstępnego rozciągania. (D) Uwalnianie membrany silikonowej z podłoża PET poprzez rozpuszczenie poświęcalnej warstwy PAA w gorącej wodzie. (E) Wycinanie sekcji wspornika do wstępnego rozciągania łączących palce. (F) Wstępne rozciąganie i przytwierdzanie uchwytu membrany do powierzchni membrany. (G) Klisza wypełniona przewodzącym atramentem. (H) Wytrawiony laserowo wyrównywacz elektrod; rysunek wstawkowy pokazuje przykład prawidłowo wyrównanej elektrody. (I) Membrana silikonowa ze stemplowaną elektrodą. (J) Gotowe urządzenie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig4large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat pierścienia wstępnego naciągacza; ilustruje ograniczenia ruchu i mechanizm obrotu palców." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Zasada działania wstępnego naciągacza membrany. (A) Kilka metalowych palców jest przymocowanych do plastikowego pierścienia i jest ograniczonych do ruchu liniowego (promieniowego) wzdłuż swojej długości. Pierścień jest ograniczony do ruchu obwodowego. W plastikowym pierścieniu wykonano kilka zakrzywionych szczelin, w których znajdują się metalowe piny palców. Promień okręgu ograniczającego krawędzie palców wynosi R1. (B) Pierścień wstępnego naciągacza jest obracany przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, co powoduje jednoczesne przesunięcie palców, zwiększając promień okręgu ograniczającego krawędzie palców z R1 do R2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres zależności grubości warstwy suchej od pozycji; przerwy 50, 100, 150 μm; analiza danych dotycząca jednorodności materiału." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6. Homogeniczność grubości odlewanych warstw silikonu. Pomiar grubości utwardzonej membrany silikonowej w poprzek szerokości podłoża z PET o szerokości 200 mm dla trzech różnych ustawień przerwy aplikatora. Prędkość odlewania wynosi 1 mm/sec. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres grubości suchej warstwy w zależności od ustawienia szczeliny; wpływ zmiany prędkości; analiza danych naukowych." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7. Grubość suchej warstwy jako funkcja parametrów odlewania. Grubość suchej warstwy uzyskana dla różnych wysokości aplikatora i prędkości dla mieszaniny silikonu z rozpuszczalnikiem o 62% zawartości części stałych objętościowo. Wyższa prędkość prowadzi do uzyskania cieńszych membran przy tych samych ustawieniach aplikatora, a wpływ prędkości wzrasta wraz ze wzrostem grubości membrany. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres napięcia w funkcji rozciągnięcia średnicowego; analiza danych dotycząca wpływu elektrycznego na rozciągnięcie materiału." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8. Aktywacja demonstratora. Zewnętrzne rozciągnięcie średnicowe jako funkcja przyłożonego napięcia dla dwóch urządzeń o grubości (po wstępnym rozciągnięciu) 34.5 µm. Przy maksymalnym przyłożonym napięciu obserwuje się zwiększenie średnicy o około 10%. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig8large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Równowaga statyczna; wykres przemieszczenia względnego w funkcji czasu; ilustracja dynamiki odpowiedzi systemu." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 9"> 
Rycina 9. Odpowiedź odkształcenia na skokowy sygnał napięciowy. Do urządzenia przyłożono sygnał prostokątny o wartości 3 kV i częstotliwości 2 Hz, co spowodowało odkształcenie wynoszące około 4% (patrz Rycina 8). Rozszerzenie obszaru obserwowano za pomocą kamery wysokich prędkości przy 4,000 klatkach na sekundę. Siłownik osiągnął 90% swojego końcowego wymiaru w czasie krótszym niż 4 msec. Przed i po przejściu wymiary siłownika pozostawały stabilne i nie wykazywały pełzania wiskoelastycznego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig9large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat komponentów mechanicznych z zestawem rotora, połączeniami przewodów, plastikową obudową." src="/files/ftp_upload/53423/53423fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 10"> 
Rycina 10. Dielektryczne siłowniki elastomerowe wykonane zgodnie z przedstawionym procesem technologicznym. Trzy przykłady dielektrycznych siłowników elastomerowych wykonanych zgodnie z metodologią opisaną w niniejszym dokumencie. (A) Szybka i miękka soczewka regulowana, zdolna do zmiany ogniskowej o 20% w czasie krótszym niż 200 µsec. (B) Rotacyjny elastomerowy mikromotor zdolny do obrotów z prędkością 1,500 rpm. (C) Samokomutujący robot toczący. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53423/53423fig10large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

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.

Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

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.

fabrication-process-of-silicone-based-dielectric-elastomer-actuators

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Prezentujemy protokoły wytwarzania i automatyzacji macierzy mikrozaworów opartych na elastomerowym polidimetylosiloksanie (PDMS), które nie wymagają dodatkowej energii do zamknięcia i charakteryzują się precyzyjnymi objętościami zdefiniowanymi fotolitograficznie. Przedstawiono równoległy mieszalnik o objętości subnanolitrowej oraz zintegrowany mikrofluidyczny system perfuzyjny.

Chip mikrofluidyczny sterowany macierzami elastomerowych mikrozaworów

W niniejszym protokole prezentujemy proces wytwarzania macierzy mikroaktuatorów z pionowo przesuniętymi słupkami, na której opiera się ta technologia, oraz sposób, w jaki technologia bazowa ta może zostać zmodyfikowana w celu prowadzenia wysokoprzepustowych dynamicznych mechanicznie hodweli komórkowych w dwu- i trójwymiarowych paradygmatach hodowli.

Mikrofabrykowane platformy do mechanicznie dynamicznej hodowli komórek

Ten artykuł opisuje projektowanie i produkcję miękkiego urządzenia do manipulatorów chirurgicznych. Moduł podstawowy zawiera trzy elastyczne siłowniki hydrauliczne do uzyskiwania wielokierunkowego gięcia i wydłużania oraz mechanizm oparty na granulowanym zakleszczaniu, który umożliwia kontrolę sztywności. Podano również pełną charakterystykę mechaniczną.

Projekt i wykonanie jednostki elastomerowej dla miękkich robotów modułowych w chirurgii małoinwazyjnej

Mikroprzepływowe wytwarzanie podwójnych emulsji zazwyczaj obejmuje urządzenia o wzorzystej zwilżalności lub specjalnie wykonane elementy szklane. W tym miejscu opisujemy wytwarzanie i testowanie generatora podwójnej emulsji z polidimetylosiloksanu (PDMS), który nie wymaga obróbki powierzchni ani skomplikowanych procesów produkcyjnych i jest w stanie wytwarzać podwójne emulsje do 14 μm.

Podwójne wytwarzanie emulsji przy użyciu współosiowego urządzenia do ustawiania ostrości przepływu z polidimetylosiloksanu (PDMS)

Ten protokół opisuje podejście oparte na prętach, łączące techniki druku 3D i miękkiej litografii do produkcji miękkich chwytaków. Takie podejście eliminuje potrzebę zewnętrznego źródła powietrza poprzez włączenie elementu komory i zmniejsza ryzyko niedrożności podczas procesu uszczelniania, szczególnie w przypadku zminiaturyzowanych kanałów pneumatycznych.

Oparta na prętach produkcja konfigurowalnych miękkich robotycznych pneumatycznych chwytaków do delikatnej manipulacji tkankami

Ten artykuł opisuje proces mikroprzepływowy i parametry przygotowania cząstek uruchamiających z elastomerów ciekłokrystalicznych. Proces ten pozwala na przygotowanie cząstek uruchamiających oraz zmianę ich wielkości i kształtu (od spłaszczonej do silnie prolate, morfologii rdzeń-powłoka i janus), a także wielkość aktywacji.

Przygotowanie mikroprzepływowe siłowników z elastomeru ciekłokrystalicznego

Tutaj prezentujemy metodę produkcji miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami. Siłowniki są zdolne do generowania sprzężonych ruchów zginania i skręcania, co rozszerza ich zastosowanie w miękkiej robotyce.

Produkcja miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z komorami skośnymi

Ten protokół opisuje metodę szybkiej produkcji miękkich siłowników pneumatycznych i robotów o cienkiej obudowie. Metoda produkcji rozpoczyna się od laminowania arkuszy termoplastycznego poliuretanu (TPU), a następnie cięcia laserowego/spawania dwuwymiarowego wzoru w celu uformowania siłowników i robotów.

Szybka produkcja cienkich, miękkich siłowników pneumatycznych i robotów

Ten artykuł opisuje szybki i prosty proces produkcji jonowych, elektromechanicznie aktywnych materiałów kompozytowych do siłowników w zastosowaniach biomedycznych, biomimetycznych i miękkiej robotyki. Szczegółowo opisano kluczowe etapy wytwarzania, ich znaczenie dla końcowych właściwości siłowników oraz niektóre z głównych technik charakteryzacji.

Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla

Ten protokół opisuje techniki mikrofabrykacji wymagane do zbudowania urządzenia do elektroporacji mikroprzepływowej typu lab-on-a-chip. Konfiguracja eksperymentalna wykonuje kontrolowane transfekcje na poziomie pojedynczej komórki w ciągłym przepływie i może być rozszerzona do wyższych przepustowości dzięki kontroli populacyjnej. Przedstawiono analizę pokazującą możliwość elektrycznego monitorowania stopnia przepuszczalności błony komórkowej w czasie rzeczywistym.

Wytwarzanie i działanie systemu mikroelektroporacji o ciągłym przepływie z detekcją przepuszczalności

Protokół ten przedstawia ulepszoną procedurę wyjmowania z formy dla techniki podwójnego odlewania polidimetylosiloksanu (PDMS) poprzez wprowadzenie oleju silikonowego jako nieadhezyjnej bariery między warstwami PDMS. W przeciwieństwie do metod plazmowej lub chemicznej modyfikacji powierzchni, podejście to nie wymaga specjalistycznego ani kosztownego sprzętu, co czyni je bardziej dostępną i opłacalną alternatywą.

Ulepszone podwójne odlewanie polidimetylosiloksanu (PDMS) poprzez obróbkę olejem silikonowym w celu gęsto upakowanej replikacji mikrostruktury

Naucz się wytwarzać siłowniki z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu. Poznaj techniki odlewania membran, druku tamponowego elektrod i montażu komponentów.

Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

Przeglądaj więcej filmów