Processo de fabricação de base de silicone dielétricos Elastomer Atuadores
1 de fevereiro de 2016
Este manuscrito mostra o processo de fabricação para a fabricação de atuadores macios de elastômero dielétrico baseados em membranas de silicone. As três principais etapas da produção são apresentadas em detalhes: fundição de lâminas de membranas finas de silicone; tampografia de eletrodos compatíveis; e a montagem de todos os componentes.
O objetivo geral deste procedimento é fabricar atuadores dielétricos de elastômero robustos. Neste vídeo, é mostrada a fabricação de um atuador no plano, composto por uma membrana de silicone esticada sobre uma estrutura.
com eletrodos conformes estampados em ambos os lados. Graças às suas grandes forças de atuação, os atuadores dielétricos de elastômero possuem muitas aplicações potenciais. No entanto, os processos de produção manual utilizados para fabricá-los têm limitado seu uso em produtos comerciais.
A principal vantagem desta técnica é a capacidade de fabricar atuadores reprodutíveis e robustos com formas definidas com precisão. O uso de elastômeros de silicone com baixa perda permite uma resposta de atuação rápida. Embora o procedimento apresente a fabricação de um atuador, a mesma técnica pode ser utilizada para fabricar geradores de elastômero dielétrico e sensores de deformação extensíveis.
Para iniciar a moldagem por camada sacrificável, corte uma folha de 400 milímetros de comprimento de tereftalato de polietileno ou PET de alta qualidade com espessura de 125 mícrons do rolo. Coloque o substrato de PET sobre a mesa a vácuo e ligue a bomba de vácuo. Posicione o aplicador de haste de perfil no recozidor automático de filme e ajuste a velocidade de revestimento para cinco milímetros por segundo.
Em seguida, coloque dois mililitros da solução da camada sacrificial na frente da barra de perfil e inicie a máquina de revestimento. A seguir, recolha o aplicador de filme, mas mantenha a bomba de vácuo ligada e deixe o substrato de PET sobre a placa de vácuo. Deixe a camada secar ao ar por dois minutos.
Para a moldagem em membrana de silicone, adicione 15 gramas da base de silicone e 1,50 gramas do agente de reticulação a um recipiente de mistura. Em seguida, adicione 10 gramas de solvente de silicone para reduzir a viscosidade. Misture a composição de silicone com o misturador planetário.
Utilize um ciclo de mistura de dois minutos a 2.000 RPM, seguido por um ciclo de desgaseificação de dois minutos a 2.200 RPM. Em seguida, ajuste a altura de um aplicador universal para 225 mícrons. Posicione o aplicador no topo da folha de PET e defina a velocidade do aplicador de filme em três milímetros por segundo.
É fundamental obter membranas livres de defeitos evitando a inclusão de partículas de poeira durante o processo de vazamento. Fazemos isso trabalhando em um ambiente limpo e limpando cuidadosamente o substrato antes de revestir a membrana. Transfira 10 mililitros da mistura de silicone do recipiente de mistura para o substrato de PET com uma seringa.
Inicie o aplicador automático para aplicar silicone sobre todo o substrato de PET. Desligue a bomba e aguarde cinco minutos para permitir que o solvente evapore da camada moldada. Transfira a membrana para uma placa de vidro e coloque-a no forno por 30 minutos a 80 graus Celsius.
Após 30 minutos, remova a membrana do forno e deixe esfriar à temperatura ambiente por mais cinco minutos. Em seguida, cubra-a com uma fina folha de PET para proteger a superfície contra contaminantes. Confeccione o suporte pré-esticado e o suporte da membrana e corte o sanduíche da membrana de silicone fundida/substrato de PET conforme descrito no protocolo do texto.
Fixe o suporte pré-esticado cortado a laser sobre o círculo de membrana de silicone com o lado adesivo voltado para baixo, de modo que o adesivo entre em contato com a superfície de silicone. Prepare um banho de água fervente e mergulhe o conjunto, incluindo a membrana de silicone e o suporte adesivo, na água. Enquanto estiver submerso, retire lentamente e com cuidado o substrato de PET da membrana de silicone até que ambos estejam completamente separados.
Remova a membrana de silicone do banho-maria e deixe secar. Uma pistola de nitrogênio pode ser usada para acelerar o processo de secagem. Meça a espessura da membrana com o interferômetro de transmissão de acordo com o protocolo do fabricante.
Defina o pré-esticador com um diâmetro de 45 milímetros e coloque a membrana de silicone de suporte pré-esticada sobre os dedos do esticador, com o lado adesivo voltado para baixo. Corte o suporte pré-esticado entre os dedos do esticador. Em seguida, coloque a régua radial sobre o esticador e gire o anel do pré-esticador no sentido anti-horário para aumentar o diâmetro do pré-esticador para 58,5 milímetros, esticando assim a membrana equibiaxialmente por um fator de 1,3.
Em seguida, remova a película de proteção do suporte da membrana de PMMA, expondo o adesivo. Fixe o suporte da membrana de PMMA sobre a superfície da membrana pré-esticada. Corte ao redor do suporte da membrana para remover a membrana pré-esticada do esticador.
Em seguida, meça a espessura final da membrana pré-esticada com o interferômetro de transmissão. Para configurar a máquina de padografia, instale a clichê com o padrão de eletrodo desejado no bloco magnético. Coloque o bloco da clichê sobre a copa de tinta cheia de tinta.
E instale o conjunto na máquina. Coloque a placa de alinhamento na base da impressora. Inicie um ciclo de impressão na máquina de tampografia.
Que aplicará o design do eletrodo na placa de alinhamento. Inspeccione visualmente a sobreposição do eletrodo impresso e da estrutura de referência gravada na placa de alinhamento. Mova o estágio deslizante X-Y para corrigir qualquer desalinhamento.
Inspecione visualmente o alinhamento com a estrutura de referência e continue ajustando a posição da plataforma e imprimindo os eletrodos até que uma sobreposição perfeita do padrão impresso sobre a estrutura de referência seja obtida. Coloque uma membrana pré-esticada na base da impressora. Na máquina de impressão por tampografia, inicie um ciclo de impressão para carimbar o eletrodo sobre a membrana.
Carimbe a membrana duas vezes para garantir uma espessura suficiente do eletrodo de cerca de quatro mícrons. Após repetir o processo de impressão até que todas as membranas pré-esticadas sejam carimbadas, coloque as membranas com o eletrodo carimbado em uma estufa a 80 graus Celsius por 30 minutos. Em seguida, posicione uma das membranas impressas de cabeça para baixo na base da impressora, expondo o lado traseiro da membrana.
Inicie uma série de dois ciclos de impressão para definir o padrão do eletrodo inferior. Para finalizar o atuador, coloque as membranas no forno a 80 graus Celsius por 30 minutos para reticulizar o eletrodo inferior. Para criar as conexões elétricas, remova primeiro a proteção traseira da estrutura do atuador para expor a camada adesiva.
Em seguida, aplique um pedaço de fita de 18 milímetros por 2,5 milímetros na parte da estrutura do atuador que entrará em contato com o eletrodo inferior e dobre-a para o lado da estrutura para fornecer um contato elétrico acessível. Depois, deslize a estrutura do atuador para dentro do suporte da membrana e pressione suavemente a membrana com os dedos para fixá-la na cola da estrutura do atuador. Com um bisturi, corte a membrana na borda entre o suporte da membrana e a estrutura do atuador e remova o suporte da membrana.
Aplicar um segundo pedaço de fita condutiva de 18 milímetros por 2,5 milímetros na zona de contato do eletrodo superior. Finalmente, colocar um fio sobre cada pedaço da fita condutiva para estabelecer uma conexão elétrica. Conectar os dois fios a uma fonte de alta tensão e aplicar um sinal quadrado de dois hertz com amplitude de dois quilovolts.
A espessura do filme seco da membrana de silicone moldada depende da configuração do espaçamento do aplicador, mas também da velocidade de codificação. A influência da velocidade é mais importante para membranas mais espessas. A aplicação de um campo elétrico acima de 100 volts por micrômetro com frequência de um hertz mostra que o atuador pode alcançar grandes deformações.
O alongamento de atuação diametral do atuador apresenta uma dependência quadrática em relação à tensão contínua aplicada. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão sobre como fabricar atuadores planares de elastômero dielétrico com tempos de resposta curtos. Uma vantagem do uso de elastômeros de silicone com baixa perda mecânica.
O ponto principal deste procedimento é a capacidade de produzir atuadores reprodutíveis com eletrodos bem definidos. Nosso processo de fabricação mostra uma rota possível para a fabricação em larga escala de atuadores de elastômero dielétrico.
Visão Geral
Este manuscrito detalha o processo de fabricação de atuadores macios de elastômero dielétrico utilizando membranas de silicone. A produção envolve três etapas principais: vazamento de membranas de silicone com lâmina, impressão por tampão de eletrodos flexíveis e montagem dos componentes.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Ciência dos Materiais
- Robótica Flexível
- Tecnologia de Atuadores
Antecedentes
- Os atuadores de elastômero dielétrico possuem fortes capacidades de atuação.
- Processos de produção manuais limitam sua aplicação comercial.
- Atuadores robustos podem ser fabricados com formas definidas.
- Elastômeros de silicone com baixa perda permitem respostas rápidas de atuação.
Objetivo do Estudo
- Para fabricar atuadores dielétricos de elastômero robustos.
- Para demonstrar uma técnica reprodutível de fabricação.
- Para explorar aplicações de geradores e sensores dielétricos de elastômero.
Métodos Utilizados
- Conformação de camada sacrificial utilizando substratos de PET.
- Conformação de membrana de silicone com técnicas precisas de mistura e aplicação.
- Impressão por tampografia para aplicação de eletrodos flexíveis.
- Montagem e pré-esticamento de componentes para formação do atuador.
Resultados Principais
- Fabricação bem-sucedida de membranas de silicone sem defeitos.
- Aplicação eficaz de eletrodos com alinhamento preciso.
- Demonstração da robustez e reprodutibilidade dos atuadores.
- Potencial para aplicações mais amplas em robótica macia e sensores.
Conclusões
- A técnica apresentada melhora a fabricabilidade de atuadores de elastômero dielétrico.
- Ela abre caminhos para aplicações comerciais em diversas áreas.
- Trabalhos futuros podem explorar aplicações e otimizações adicionais.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Os atuadores dielétricos de elastômero (DEAs) oferecem alta deformação de atuação e baixa rigidez, permitindo aplicações em háptica, robótica flexível e óptica ajustável. A fabricação reprodutível utilizando membranas de silicone e eletrodos conformes padronizados resolve limitações importantes da produção manual, como o fluência viscoelástica e a curta vida útil do dispositivo. Este processo apóia a descoberta em estágios iniciais ao fornecer protótipos de atuadores confiáveis e escalonáveis para redução de riscos mecanicistas em sistemas bioinspirados e interfaces vestíveis.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de vias de mecanotransdução por meio de atuação controlada em larga escala em substratos compliantes.
- Valor Operacional: Fornece plataformas de atuadores reprodutíveis para aplicação consistente de estímulos mecânicos em culturas celulares ou modelos de tecidos.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Facilita o desenvolvimento de sensores de deformação flexíveis para monitoramento em tempo real de respostas mecânicas em ensaios bioativos.
- Valor Operacional: Produz eletrodos com definição precisa e alta adesão, garantindo fidelidade do sinal e reprodutibilidade entre matrizes de sensores.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia sistemas relevantes para doenças que exigem estímulos mecânicos dinâmicos, como modelos de tecidos vascular ou muscular.
- Valor Operacional: Permite a integração em garras flexíveis ou sistemas de propulsão bioinspirados para validação funcional pré-clínica.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este método de fabricação insere-se no espectro de descobertas, desde a verificação de hipóteses na fase inicial de descoberta até a validação funcional em modelos pré-clínicos, especialmente nos casos em que é necessária uma atuação mecânica programável.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses por meio da estimulação mecânica precisa e repetível de sistemas biológicos utilizando membranas de silicone pré-esticadas.
- Triagem: Permite a prontidão dos ensaios por meio de membranas de silicone padronizadas e de baixa perda, com eletrodos padronizados para atuação elétrica consistente.
- Análise: Fornece saída quantitativa por meio de medição interferométrica da espessura e perfilagem da deformação sob tensão aplicada.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica por meio do uso em dispositivos deformáveis de cultivo celular e atuadores bioinspirados que imitam movimentos fisiológicos.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável para geração de matrizes de atuadores em múltiplos projetos de robótica flexível e terapêutica vestível.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva em estudos mecanobiológicos por meio da redução da variabilidade no desempenho do atuador e da delaminação do eletrodo.
- Valor Operacional: Padronização e escalabilidade por meio da moldagem com camada sacrificial e impressão por tampografia para padronização de eletrodos de alta fidelidade.
- Valor Estratégico: Melhoria nas decisões de prosseguimento ou interrupção no início do desenvolvimento, permitindo estudos confiáveis de perturbação mecânica.
- Impacto no Portfólio: Priorização ajustada ao risco de conceitos de dispositivos mecanoterapêuticos ou biohíbridos por meio de protótipos de atuadores reprodutíveis.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em litografia suave, deposição de filmes finos e técnicas de alinhamento de precisão.
- Depende de revestimento assistido a vácuo, mistura planetária e equipamentos de impressão por tampão com cura controlada por temperatura.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de espessura da membrana, razão de pré-esticamento e padronização de eletrodos.
- Envolve considerações de adaptação ao transferir o processo para elastômeros alternativos ou materiais de substrato diferentes.
- As limitações práticas incluem sensibilidade à contaminação por partículas durante a moldagem da membrana e tolerância de alinhamento durante a impressão de eletrodos em ambas as faces.
