This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.
Detta bidrag visar tillverkningsprocessen dielektriska elastomer omvandlare (dets). Dets är töjbara kondensatorer bestående av en elastomer dielektrisk membran mellan två kompatibla elektroder. De stora manöver stammar av dessa givare när de används som ställdon (över 300% area stam) och deras mjuka och uppfyller naturen har utnyttjats för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive elektriskt inställbara optik, haptisk återkoppling enheter, våg energi skörd, deformerbar cell -Kultur enheter, kompatibla gripdon och framdrivning av en bio-inspirerad fiskliknande luftskepp. I de flesta fall är dets tillverkade med en kommersiell proprietär akryl elastomer och med hand anbringas elektroder av kolpulver eller fett kol. Denna kombination leder till icke-reproducerbara och långsam manöverdon uppvisar viskoelastiska krypning och en kort livslängd. Vi presenterar här en komplett processflödet för reproducerbar tillverkning av dets baserade på tunn elastomer kisele filmer, inklusive gjutning av tunna silikon membran, membran utsläpp och försträckning, mönstring av robust kompatibla elektroder, montering och provning. Membranen är gjutna på flexibel polyetylentereftalat (PET) substraten belagda med ett vattenlösligt offerskikt för att underlätta frisättning. Elektroderna består av kimrök partiklar sprids i en silikonmatris och mönstrade med hjälp av en stämpling teknik, vilket leder till exakt definierade kompatibla elektroder som utgör en hög vidhäftning till den dielektriska membranet på vilket de tillämpas.
Dielektriska elastomer omvandlare (dets) är mjuka enheter som består av ett elastomer dielektrisk membran (typiskt 10-100 um tjockt), inklämt mellan två kompatibla elektroder, och utgör därmed en gummi kondensator 1. Dets kan användas som manövreringsorgan med förmåga att producera mycket stora töjningar (upp till 1700% yta stam har visats) 2, mjuka töjningsgivare 3, eller som mjuka kraftgeneratorer 4. När de används som ställdon, appliceras en spänning mellan de två elektroderna. Den alstrade elektrostatiska kraften pressar den dielektriska membranet, vilket minskar dess tjocklek och öka dess ytarea (figur 1) en. Förutom ställdon, kan samma grundstruktur (tunn elastomermembran och sträck elektroder) användas som stam sensor eller energiskörd enheter, dra nytta av förändringen av kapacitansen induceras genom mekanisk deformation. De stora påfrestningar som genereras av dielektrisk elastomer enctuators (DEAS) och deras mjuka och uppfyller naturen har använts för många tillämpningar, såsom elektriskt inställbara linser 5, roterande motorer 6, deformerbara cellkulturanordningar 7 och framdrivning av en bio inspirerad fiskliknande luftskepp 8.
De flesta dets rapporterats i litteraturen använder en egenutvecklad akryl elastfilm från 3M som heter VHB som dielektriskt elastmembran, eftersom det har visat sig uppvisa mycket stora manövrerings stammar 1. Tillgängligheten av detta material i filmform är också en viktig faktor i dess omfattande användning för DET applikationer, även om (aktivering stam avsatt), har det ett antal viktiga nackdelar, såsom mekaniska förluster och viskoelastiska kryp som begränsar dess responstid , en liten driftstemperaturintervall, och en benägenhet för att riva. I jämförelse, kan silikonelastomerer också användas som dielektrisk membran för dets, vilket leder till anordningar med en gensvarshastighet 1000 gånger snabbareän akrylelastomerer, på grund av sina mycket reducerade mekaniska förluster 9. Dessutom är de tillgängliga i ett stort intervall av olika hårdheter, vilket ger ytterligare designfrihet. Men silikoner oftast säljs i en viskös basform, som skall tillämpas i tunn membran som ska användas för dets. Men ger detta ännu en ytterligare frihetsgrad, som tjockleken av membranet kan väljas fritt och inte tas ut av tillverkaren, vilket är fallet för premade filmer.
Detta protokoll visar tillverkning av en dielektrisk elastomer ställdon. Det kan dock även tillämpas med liten eller ingen ändring för tillverkning av dielektriska elastomergivare i större bemärkelse, däribland energi skörd enheter och töjningsgivare. Vi presenterar här ett förfarande för stort område (A4) gjutning av tunna (10-100 pm) silikonfilmer på flexibla PET substrat belagda med ett vattenlösligt offerskikt. Offerskiktet reducerar krafterna required att separera silikonmembranet från substratet, vilket minskar den mekaniska deformationen av membranet under frisättning. Deformation av filmen kan leda till anisotropa mekaniska egenskaper på grund av stressinducerad mjukgörande (Mullins effekt) 10 och bör därför undvikas. Elektroderna är den andra nyckelkomponent i en DET. Deras roll är att fördela de elektriska laddningar på ytan av elastomermembran. För att producera en pålitlig ställdon, måste elektroderna kunna motstå upprepade stammar högre än 20% utan att spricka, förnedrande, delaminering, eller förlora ledningsförmåga; Dessutom måste de vara kompatibla för att inte mekaniskt förstyva strukturen 11. Bland de olika tekniker som finns för att göra kompatibla elektroder, handapplicerad kimrökspartiklar eller fett kol är de två mest använda metoderna 11. Dessa metoder har en hel del nackdelar: ansökan för hand förhindrar miniatyrisering av anordningens, leder till icke-reproducerbara resultat och är tidskrävande. Dessutom har kolpulver eller fett inte vidhäfta till membranet och elektroderna som framställs genom denna metod är utsatta för slitage och mekanisk nötning. Också, i fallet med fett kan bindningsvätskan diffunderar in i det dielektriska membranet och ändra dess mekaniska egenskaper. Livslängden på un-inkapslat kolpulver eller fett elektroder är således ganska kort. Här presenterar vi mönstring av kompatibla elektroderna genom en stansteknik som heter tampongtryck där en exakt utformning överförs till membranet via en mjuk silikon stämpel, vilket gör det möjligt att snabbt och reproducerbart mönster exakta elektroder, med funktioner ner till 0,5 mm. Den applicerade lösningen består av en blandning av kolsvart i en silikonmatris, som är tvärbunden efter applicering, vilket sålunda leder till härdade elektroder med stark vidhäftning till det elastomeriska membranet, vilket gör dem mycket motståndskraftiga och motståndskraftig mot mekanisk nötning och förslitning.
Följande protokoll beskriver alla de åtgärder som krävs för att tillverka snabba och pålitliga deas med exakt mönstrade kompatibla elektroder. Detta inkluderar membrangjutning och försträckning, mönstring och inriktning av elektroderna, montering, elektrisk anslutning och testning. För ändamålet av videon, fabricera vi en enkel i planet manöverorgan med en kugghjulsformad elektrod, såsom visas i fig 2. Ställdonet består av ett tunt silikonmembran sträcks över en membranhållare, på vilken två eftergivliga elektroder är mönstrade. Ett manöverdon ramen införes sedan för att ge elektrisk kontakt till den undre elektroden. Figur 3 visar en sprängvy av aggregatet med de olika komponenterna i manövreringsorganet. Även om anordningen realiseras i videon har ingen praktisk tillämpning än att visa den grundläggande principen om Deas har olika ställdon som syftar till specifika tillämpningar gjorts med exakt samma process, t.ex.som mjuka gripdon, avstämbara linser, avstämbara mm-våg fasskiftare, etc.
Tillverkningsprocessen kan sammanfattas enligt följande. Börja genom att applicera ett vattenlösligt offerskikt på PET-substrat som används för gjutning av membranet. Detta undviker överdriven deformation under utgivningsprocessen som potentiellt kan skada membranet. Silikonet sedan gjuten i ett tunt skikt och härdas i en ugn. A4 PET-arket med silikonbeläggningen skärs till cirkulära skivor med 55 mm diameter, och höll sig till flexibla försträck stöd. De försträckstöd används för att manipulera membranet under offerskiktet frisättning och försträcksteg. För att separera membranet från PET-substratet, är det doppas i hett vatten för att lösa offerskiktet. Denna process gör membranet ska friges utan att behöva dra på den betydligt. När membranet är fristående, kan den försträckt. Försträckning består i att mekaniskt sträckning av membranet i planet innan det fastställs den på att hålla ramar. Detta steg genererar iinterna dragkrafter i membranet och är nödvändig för i-planet dielektrisk elastomer ställdon, såsom demonstrator som produceras här. I protokollet, använder vi equi-biaxiell sträckning, dvs lika stretching värde både i planet riktningar. Men beroende på tillämpning, olika försträckkonfigurationer kan användas, såsom uniaxiell (sträckning endast längs x eller y, medan membranet tillåts att koppla av i den andra riktningen) eller anisotropisk (olika värden längs x- och y).
En teknik som kallas tampongtryck används för att exakt mönster ett eftergivligt elektrod på det försträckta silikonmembranet, vilket gör det möjligt att exakt definiera mm-format elektroderna på membranet. I denna process, bläck appliceras med en räkel på en kliché (en stålplatta på vilken mönstret som skall tryckas etsas, och därefter plockas upp från klichén av en jämn silikonstämpel innan de överförs till membranet 13). Någonsiny design kräver sin egen kliché. Dessa kan beställas från specialiserade företag, som producerar dem från en elektronisk ritning av geometrin. För att göra en sträckbar ledande elektrod, dispergera kolsvart i en silikonmatris med skjuvkrafter med användning av kulmalning, som är en välkänd teknik för att bryta tätorterna kolsvart och homogent dispergera pulvret i en polymermatris 18,19.
När du skriver, är det viktigt att design skrivs ut med en exakt positionering och orientering i förhållande till membranramen. För att göra detta, använd en precisions xy-θ scenen och en Aligner. Inriktaren är ett stycke av PMMA i samma form som membranet ramen och har den elektrodkonstruktion etsad på dess yta med användning av en CNC-laser gravör. Innan du skriver på membranet trycker vi på inriktningsplattan för att kontrollera justeringen. Om det tryckta mönstret inte matchar den etsade designen anpassar vi xy-θ skede tills två utföranden overlap (figur 4H). I protokollet, toppen och botten elektrod har samma design, så dynan tryckmaskin kan lämnas orörd mellan ansökningarna från de två elektroderna. Men i vissa fall, elektrodgeometrier är olika för den övre och undre elektroden. I det fallet, under det att membranen är i ugnen för härdning av den övre elektroden (dvs mellan steg 3.4.3 och 3.4.4), är det nödvändigt att avlägsna klichén blocket (aggregatet bestående av klichén hålles på plats på en magnetisk block) med bläckhorn från dynan tryckpress. Sedan måste den installerade klichén bytas ut mot en med bottenelektrodkonstruktion. Eftersom klichéblocket har flyttats, är det nödvändigt att genomföra en ny inriktning förfarande (steg 3,3) med en Aligner platta etsas med utformningen av den andra elektroden. När båda elektroderna är fästa, måste de vara anslutna till en yttre drivkrets som levererar laddningarna feller aktivering. Det finns olika lösningar för att göra de elektriska anslutningarna mellan de eftergivliga elektroderna och drivelektroniken. Här är en metod väl lämpad för prototyper visas med hjälp av klistertäckta bänkar och ledande tejp (Figur 3). För serietillverkning, är användningen av kretskort med kopparpads kontakt med elektroderna ett bättre alternativ (se figur 10A för ett exempel på en anordning gjord med en kommersiell PCB).
Använd kommersiell utrustning eller produkter för de flesta av stegen i processflödet. De två undantagen är mätningen av tjockleken hos silikon membran och försträckningssteg. För tjockleksmätningen, använd en hemmagjord vitt ljustransmission interferometer som består av en kollimerad vit ljuskälla (punktstorlek <1 mm) korsar membranet och samlas in av en spektrometer. Perioden av interferensfransarna hos det utstrålande ljusintensiteten som funktion av våglängd används för att beräkna tjockleken hos membranet 20. Observera att andra metoder kan användas för att mäta tjockleken, men de måste vara icke-förstörande, och idealiskt kontaktlöst för att undvika deformering av mycket tunna membran. För försträckning av membranen, använd en hemmagjord radiell försträcknings, som består av 8 metalliska fingrar som kan förskjutas radiellt. För att försträck ett membran är fingrarna förflyttas inåt, så att försträcknings bäraren kan vara fast till fingrarna hos båren (Figur 4E). För att försträck membranet är fingrarna förflyttas utåt, vilket sålunda effektivt ökar diametern hos rullmembranet, vilket leder till equi-biaxiell försträckning av membranet. De åtta fingrarna är anslutna till en ring, vars vridning definierar den radiella separationen av fingrarna (fig 5).
Att ha en effektiv och väletablerade processflöde som den presenteras här är viktigtatt tillverka reproducerbara enheter som är robusta och pålitliga. Jämfört med att köpa färdiga filmer, gjutning av tunna elastomermembran ger mycket designfrihet, eftersom den tillåter att välja och skräddarsy egenskaperna hos membranen till ansökan. Till exempel i fallet med silikonelastomerer, kan hårdheten och förlängning vid brott väljas genom att välja produkter med olika kedjelängd och täthet av tvärbindning, och tjockleken kan varieras genom att justera gjutprocessen. Den senare punkten tillåter exempelvis att välja slutlig membrantjocklek och försträck oberoende, vilket inte är möjligt med färdiga filmer.
Förmågan att exakt mönster elektroden i liten skala (cm till sub-mm) är också en viktig förutsättning för Deas, eftersom de flesta enheter består av aktiva och passiva zoner på samma membran. Detta innebär att elektrodens form måste definieras på membranet. Dessutom som elektroder måste appliceras på båda sidorav membranet, är det nödvändigt att rikta in de två elektroderna relativt varandra: i tillägg till en exakt definierad form, elektroderna måste också vara exakt placerade på membranet. Den stämpling process som presenteras här uppfyller dessa två krav. Dessutom är dyntryckning en snabb process, som endast ett fåtal sekunder krävs för att skriva ut en elektrod, och ställdon kan enkelt vara satsframställda med denna metod. Till skillnad från den i stor utsträckning kol fett eller löst puder elektroder appliceras manuellt, leder vår syn på exakt definierade elektroder som utgör en stark vidhäftning till membranet på vilket de tillämpas. De är mycket motståndskraftiga mot slitage, och inte kan delamineras från membranet 13. Trots det faktum att tampongtryck är en kontaktmetod, kan den användas för att applicera bläck på tunna och ömtåliga silikonmembran, eftersom den enda del som är i kontakt med membranet är ett mjukt silikon stämpel. Det finns dock vissa oundvikliga stiction mellan stämpeln och the membran, vilket orsakar en lätt deformering av membranet när stämpeln flyttar tillbaka uppåt. Om membranet är för tunn, kan detta leda till bristning av membranet. Detta begränsar effektivt tillämpningen av dynan tryckmetoden till membran tjockare än 10 | im. För tunnare membran, bör beröringsmönstringsmetoder användas, såsom bläckstråleutskrift.
Även deas har studerats i mer än 15 år, de flesta av dagens deas bygger fortfarande på färdiga polyakrylat filmer i kombination med hand tillämpad fett elektroder. Dessa handgjorda metoder har orsakat DEAS förbli mestadels på tillståndet i lab prototyper, med begränsad antagande av industrin, trots den intressanta prestanda DEAS när det gäller spänning och strömförbrukningen. Även tillförlitliga tillverkningsprocesser har redan publicerats, de avser tillverkning av unprestretched, staplade kontraktila ställdon som erhållits med dedikerade automatiserade inställningar 21,22. Process flöde vi presenterar här är en mångsidig allrengöringsmedel process som beskriver alla de viktiga steg som krävs för att tillverka en DEA, och som lätt kan appliceras för att passa en definierad målprogrammet.
The authors have nothing to disclose.
This work was partially funded by the Swiss National Science Foundation, grant 200020-153122. The authors wish to thank the member’s of our soft transducers group – past and present – for their contribution to the refining of our fabrication process flow.
High quality PET substrate, 125 um thick | DuPont Teijin | Melinex ST-506 | low surface roughness and absence of defects |
Isopropanol 99.9% | Droguerie Schneitter | ||
Poly(acylic acid) solution (25%) | Chemie Brunschwig | 00627-50 | Mw=50kDa |
Automatic film applicator | Zehntner | ZAA 2300 | with vacuum table |
Profile rod applicator | Zehntner | ACC378.022 | 22.86 um |
Oven | Binder | FD 115 | |
Dow Corning Sygard 186 silicone kit | Dow Corning | Sylgard 186 | silicone used for casting membranes |
Dow Corning OS-2 silicone solvent | Dow Corning | OS2 | environmentally-friendly solvent. Mixture of 65% Hexamethyldisiloxane and 35% Octamethyltrisiloxane |
Thinky planetary mixer | Thinky | ARE-250 | |
container PE-HD 150 ml | Semadeni | 1972 | Container to mix the silicone for the membrane |
Medical grade 125ml PP wide mouth jar with cap | Thinky | 250-UM125ML | Container to mix the ink |
Bearing-Quality steel balls 12 mm | McMaster-Carr | 9292K49 | |
Universal applicator with adjustable gap | Zehntner | ZUA 2000.220 | |
Transparency film for overhead projector | Lyreco | 978.758 | |
Dry silicone transfer adhesive (roll) | Adhesive Research | Arclear 8932 | |
poly(methyl methacrylate) plate 500mmx290mmx3mm | Laumat | Plexi 3mm | |
Prestretching rig | "home made" | ||
USB spectrometer for visible light | Ocean Optics | USB4000-VIS-NIR | Spectrometer for the thickness measurement |
Tungsten halogen white light source | Ocean Optics | LS-1 | Light source for the thickness measurement |
400 micrometer optical fiber | Ocean Optics | QP400-2-VIS-NIR | Optical fiber on the spectrometer side for the thickness measurement |
600 micrometer optical fiber | Ocean Optics | P600-2-VIS-NIR | Optical fiber on the light source side for the thickness measurement |
Carbon black | Cabot | Black Pearl 2000 | |
Silicone Nusil MED-4901 | Nusil | MED-4901 | silicone used in conductive ink |
Pad-printing machine | TecaPrint | TCM-101 | |
Thin steel cliché 100mmx200mm | TecaPrint | E052 100 200 | Steel plate etched with the design you need to print. The etching is performed by the company selling the cliché. |
96 mm inkcup | TecaPrint | 895103 | Component of the pad printing machine in which the ink is contained |
Soft silicone 30mm printing pad | TecaPrint | T-1013 | Printing pad for the pad printing machine |
60 W CO2 Laser engraving machine | Trotec | Speedy 300 | To cut frames and foils |
Carbon conductive tape | SPI supplies | 05081-AB | For electrical connections to the electrodes |
4 channels 5 kV EAP controller | Biomimetics laboratory | low power high voltage source to test the actuators. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller |