Abstract
Dieser Beitrag zeigt, die das Herstellungsverfahren von dielektrischen Elastomer-Aktoren (DETS). DetS dehnbar sind Kondensatoren, bestehend aus einem elastomeren dielektrischen Membran zwischen zwei nachgiebigen Elektroden angeordnet. Die großen Betätigungs Stämme dieser Wandler, wenn als Stellglieder verwendet (über 300% Bereich-Stamm) und deren weich und nachgiebig die Natur hat für eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich elektrisch abstimmbaren Optik, haptisches Feedback-Geräte, Wellenenergie-Ernte, verformbare Zelle ausgenutzt -Kultur Geräte konform Greifer und Antrieb eines bio-inspirierte fischähnlichen Luftschiff. In den meisten Fällen werden detS mit einem kommerziellen proprietären Acrylelastomer und handapplizierte Elektroden aus Kohlenstoffpulver oder Kohlenstofffett hergestellt. Diese Kombination führt zu nicht-reproduzierbaren und langsame Aktuatoren aufweisen viskoelastischen Kriechen und eine kurze Lebensdauer. Wir stellen Ihnen hier eine komplette Prozessablauf für die reproduzierbare Herstellung von DETS basierend auf dünnen Elastomersiliziume Filme, darunter Gießen dünner Silikonmembranen, Membrantrenn und Vorstrecken, Strukturierung robust kompatiblen Elektroden, Montage und Prüfung. Die Membranen werden auf flexiblen Folien aus Polyethylenterephthalat (PET) mit einem wasserlöslichen Opferschicht zur Erleichterung der Freisetzung beschichteten Substrate gegossen. Die Elektroden bestehen aus Rußpartikeln in eine Silikonmatrix dispergiert und unter Verwendung einer Prägetechnik, die genau definierte fügsame Elektroden umfassen, die eine hohe Haftung an dem dielektrischen Membran, auf der sie aufgebracht werden, zu präsentieren führt.
Introduction
Dielektrischen Elastomer-Aktoren (DETS) sind weich Geräte, die aus einem elastomeren dielektrischen Membran (in der Regel 10 bis 100 & mgr; m dick), zwischen zwei kompatiblen Elektroden angeordnet bestehen, wodurch ein gummiKondensator 1 bilden. DETS können als Aktuatoren in der Lage, sehr große Stämme verwendet werden (bis zu 1.700% Oberflächendehnung wurde nachgewiesen) 2, weichen Dehnungssensoren 3, oder als Weichstromerzeuger 4. Wenn sie als Aktuatoren verwendet werden, wird eine Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt. Die erzeugte elektrostatische Kraft drückt die dielektrische Membran, wodurch seine Stärke und die Erhöhung ihrer Oberfläche (Figur 1) 1. Neben Aktoren das gleiche Grundstruktur (dünne Elastomermembran und dehnbaren Elektroden) als Dehnungssensor oder Energiegewinnungsvorrichtungen verwendet werden, unter Ausnutzung der Änderung der Kapazität, die durch mechanische Verformung induziert. Die großen Stämme von dielektrischen Elastomer eine generiertectuators (DEA) und ihre weiche und nachgiebige Natur für viele Anwendungen, wie zum Beispiel elektrisch abstimmbaren Linsen 5, Rotationsmotoren 6, verformbaren Zellkulturvorrichtungen 7 und Antrieb eines bio inspiriert fischähnlichen Luftschiff 8 verwendet.
DetS meisten in der Literatur berichtet verwenden eine proprietäre Acrylelastomerfilm von 3M VHB benannt als dielektrische Elastomermembran, denn es hat sich gezeigt, sehr große Betätigungs Stämme 1 aufweisen. Die Verfügbarkeit dieses Material in Folienform ist auch ein Schlüsselfaktor für seine breite Verwendung zur DET-Anwendungen, auch wenn (Betätigung Belastung beiseite), hat es eine Reihe von wichtigen Nachteilen, wie beispielsweise mechanische Verluste und viskoelastischen Kriechen, die ihre Reaktionsgeschwindigkeit zu begrenzen , ein kleines Betriebstemperaturbereich und eine Neigung zu reißen. Im Vergleich dazu können Silikonelastomere auch als dielektrische Membran zur detS verwendet werden, was zu Vorrichtungen mit einer Ansprechgeschwindigkeit 1.000mal schnellerals Acryl-Elastomeren, die aufgrund ihrer stark reduzierten mechanischen Verluste 9. Darüber hinaus sind sie in einer Vielzahl von Härten, die zusätzliche Gestaltungsfreiheit gibt. Allerdings sind Silikone in der Regel in einer viskosen Grundform, die in der Dünnschicht-Membranen aufgebracht muss für DETS verwendet werden werden verkauft. Noch stellt jedoch einen zusätzlichen Freiheitsgrad, da die Dicke der Membran kann beliebig gewählt werden und ist nicht vom Hersteller auferlegt, wie dies der Fall für vorgefertigte Filme.
Dieses Protokoll zeigt die Herstellung einer dielektrischen Elastomer Aktuators. Sie kann aber auch mit wenig bis keine Änderung für die Herstellung von dielektrischen Elastomer-Aktoren in einem weiteren Sinne, einschließlich Energy Harvesting-Geräte und Dehnungssensoren angewendet werden. Wir stellen hier ein Verfahren zur großflächigen (A4) Gießen dünner (10-100 um) Silikonfolien auf flexiblen mit einem wasserlöslichen Opferschicht beschichtete PET-Substraten. Die Opferschicht die Kräfte req reduziertuired um die Silikonmembran von dem Substrat zu trennen, so dass die mechanische Verformung der Membran während der Freisetzung verringert wird. Verformung der Folie kann auf anisotropen mechanischen Eigenschaften aufgrund von Stress-induzierten Erweichung (Mullins-Effekt) führen 10 und sollte daher vermieden werden. Die Elektroden sind der zweite Schlüsselkomponente einer DET. Ihre Rolle ist es, die elektrischen Ladungen auf der Oberfläche der Elastomermembran zu verteilen. Um eine zuverlässige Aktor herzustellen, müssen die Elektroden in der Lage, wiederholte Belastungen höher als 20%, ohne zu reißen, Erniedrigungen, Delaminieren oder verlieren Leitfähigkeit zu widerstehen; Darüber hinaus müssen sie kompatibel sein, um nicht mechanisch versteifen die Struktur 11. Unter den verschiedenen Techniken, die nachgiebige Elektroden bilden existieren handapplizierte Rußteilchen oder Kohlenstoff Fett sind die beiden am häufigsten verwendeten Verfahren 11. Allerdings haben diese Verfahren durchaus ein paar Nachteile: Anwendung von Hand verhindert Miniaturisierung der Vorrichtungs, führt zu nicht-reproduzierbaren Ergebnissen und ist zeitaufwendig. Darüber hinaus bedeutet Kohlenstoffpulver oder Fett nicht auf die Membran haften und mit diesem Verfahren hergestellte Elektroden Verschleiß unterliegen und mechanischen Abrieb. Auch im Fall von Fett, das Bindeflüssigkeit kann in die dielektrische Membran diffundieren und dessen mechanische Eigenschaften zu modifizieren. Die Lebenszeit der un-verkapselt Kohlenstoffpulver oder Fett Elektroden ist also recht kurz. Hier präsentieren wir die Strukturierung kompatiblen Elektroden durch einen Stanztechnik namens Tampondruck, bei dem eine exakte Auslegung auf die Membran über einen weichen Silikon-Stempel übertragen, so dass eine schnelle und reproduzierbare Muster präzise Elektroden ausgestattet, bis zu 0,5 mm. Der aufgebrachten Lösung besteht aus einer Mischung von Ruß in einer Silikonmatrix, die nach dem Auftragen quervernetzt und damit gehärtet, um Elektroden mit einer starken Haftung an dem Elastomer-Membran führt, wodurch sie sehr robust und beständig gegen mechanischen Abrieb und Verschleiß.
Das folgende Protokoll beschreibt alle erforderlich, um schnell und zuverlässig DEAs mit genau gemustert kompatiblen Elektroden herzustellen Schritte. Dies schließt Membrangießlösungen und Vorstreckung, Strukturieren und Ausrichtung der Elektroden, Montage, Verbindung und Testen. Zum Zwecke des Videos herzustellen wir eine einfache In-Plane-Aktuator mit einem zahnradförmigen Elektrode, wie in Figur 2 gezeigt ist. Der Antrieb besteht aus einem dünnen Silikonmembran gestreckt über einen Membranhalter, an dem zwei nachgiebige Elektroden gemustert sind. Es wird dann ein Betätigungsrahmen eingefügt, um einen elektrischen Kontakt zu der unteren Elektrode bereitzustellen, Fig. 3 zeigt eine Explosionsansicht der Anordnung mit den verschiedenen Komponenten des Antriebs. Obwohl die Vorrichtung im Video realisiert hat keine praktische Anwendung über die Demonstration der grundsätzlichen Prinzip der DEA wurden verschiedene Aktuatoren in bestimmten Anwendungen gerichtet mit der exakt gleichen Prozesses, wie gemachtso weich Greifer, durchstimmbare Linsen abstimmbaren mm-Wellen-Phasenschieber, usw.
Protocol
1. Silikonmembran Produktion
- Opferschicht Casting
- Schneiden Sie ein 400 mm langes Blatt aus hochwertigem 125 um dicken PET von der Rolle.
- Vorbereitung Opfer Lösung (5% Polyacrylsäure in Isopropanol auf das Gewicht): vermischen und 32 g Isopropanol und 8 g Poly Acrylsäurelösung (25% in Wasser) in einem 50 ml Kunststoffröhrchen. Gut schütteln.
- Reinigen Sie das PET-Substrat mit fusselfreien Tüchern mit Isopropanol getränkt.
- Reinigen Sie die Vakuumtisch mit fusselfreien Tüchern mit Isopropanol getränkt.
- Legen Sie das PET-Substrat auf dem Vakuumtisch und schalten Sie die Vakuumpumpe.
- Sichtprüfung der Vakuumtisch, um sicherzustellen, dass keine großen Staubpartikel zwischen dem Vakuumtisch und dem PET-Substrat gefangen. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte, wenn die Reinigung Staubpartikel identifiziert.
- Reinigen Sie die Oberfläche des PET-Substrats mit fusselfreien Tüchern mit Isopropanol getränkt.
- Setzen Sie den Profilstab einpplicator auf der automatischen Film Coater und stellen Beschichtungsgeschwindigkeit 5 mm / sec.
- Setzen Sie 2 ml Opferschicht-Lösung vor der Profilstab und starten Sie die Streichmaschine Maschine.
- Wenn die Profilstange das Ende des PET-Substrats heben Sie sie aus dem Beschichter erreicht hat, und reinigen Sie sie durch Abwischen mit einem fusselfreien Wischtuch in heißem Wasser eingeweicht.
- Fahren Sie den Filmleger, aber lassen Sie die Vakuumpumpe läuft und lassen Sie das PET-Substrat auf der Vakuumplatte. Lassen Sie die Schicht an der Luft trocknen für 2 min.
- Silikonmembran Casting
- Heizen Sie den Backofen auf 80 ° C.
- In 15 g Siliconbasis und 1,5 g Vernetzer zu einem Mischtopf. Mit 10 g Silikonlösungsmittel, um die Viskosität zu verringern.
- Mischen Sie die Silikonmischung mit einem Planetenmischer. Verwenden Sie ein 2 min Mischzyklus bei 2000 Umdrehungen pro Minute sowie eine 2 min Entgasungszyklus bei 2200 Umdrehungen pro Minute.
- Stellen Sie die Höhe des Universal Applikator bis 225 & mgr; m. Setzen Sie den Applikator an der Oberseite des PET-Folie und setzen ter Filmauftraggeschwindigkeit bis 3 mm / sec.
- Übertragungs 15 ml Silicongemisch aus dem Mischbehälter auf das PET-Substrat mit einer Spritze.
- Den Start der automatischen Applikator auf Silikon über die gesamte PET-Substrat (4A) anzuwenden.
- Schalten Sie die Pumpe und warten Sie 5 Minuten, um das Lösungsmittel zu verdampfen aus der Gussschicht lassen.
- Übertragen Sie die Membran auf eine Glasplatte und in den Ofen für 30 Minuten bei 80 ° C.
- Reinigen Sie den Applikator und Vakuumplatte mit fusselfreien Tüchern mit Isopropanol getränkt.
- Nach 30 Minuten, entfernen Sie die Membran aus dem Ofen, lassen bei RT weitere 5 min mit einer dünnen PET-Folie abkühlen lassen und bedecken Sie es, um die Oberfläche vor Verunreinigungen zu schützen.
2. Lassen Sie und Vorstrecken von elastomeren Membranen
- Prestretch Unterstützung Fertigung
- Schneiden Sie ein A4-Rechteck von der Rolle von trockenem Silikontransferkleber.
- Entfernen Sie eine of die Schutzabdeckungen von der trockenen Silikontransferkleber und manuell den Klebstoff auf eine A4 Transparentfolie, kümmert sich um die Bildung von Luftblasen während der Anwendung zu vermeiden.
- Schneiden Sie die Vorstreck Unterstützung Muster in den Klebstoff bedeckten Transparentfolie mit einer CNC-Steuerung (CNC) Lasergravierer (4B) nach dem Protokoll des Herstellers.
- Membranträger Fertigung
- Schneiden Sie ein 500 mm bis 290 mm Rechteck in der Rolle von trockenem Silikontransferkleber.
- Peel entfernt eine der Schutzhüllen aus der trockenen Silikontransferkleber und laminieren die Folie auf einer 3 mm dicken Poly (methylmethacrylat) (PMMA) Platte.
- In der PMMA-Rahmen, Cut rings von 52 mm Außendurchmesser und 44 mm Innendurchmesser, die als Membranhalter dienen wird.
- Membrantrenn
- Schneiden Sie den gegossenen Silikonmembran / PET-Substrat Sandwich aus Schritt 1 in Kreise von 55 mm Durchmessereter mit einem CNC-Laser-Graveur (4B) nach Herstellerprotokoll und abziehen der Schutzfolie.
- Fixieren den lasergeschnittenen Vordehnrolle auf die Schnittsilikonmembran Kreis Klebeseite nach unten zu unterstützen, so dass der Klebstoff in Kontakt mit der Silikonfläche (4C).
- Bereiten Sie ein Bad mit kochendem Wasser und tauchen die Montage (Silikonmembran und Klebstoff Unterstützung) hinein.
- Während taucht, langsam und vorsichtig schälen die PET-Substrat von der Silikonmembran (4D).
- Entfernen Sie die Silikonmembran aus dem Wasserbad und lassen Sie es an der Luft trocknen oder verwenden Sie einen Stickstoffpistole zur Beschleunigung des Trocknungsprozesses.
- Membrandickenmessung und Vorstreck
- Messung der Dicke der Membran mit einer Übertragungs Interferometer nach dem Protokoll des Herstellers.
- Stellen Sie die Vorstrecker zu einem Durchmesser von 45 mm, und legen Sie die Spannstahlsetch Support-Silikonmembran auf der Bahre Fingern, Klebeseite nach unten.
- Schneiden Sie die Vorstreck Unterstützung zwischen den Keilrahmen Finger (4E).
- Sich der Durchmesser des Vorstrecker auf 58,5 mm bis gleichwinklig biaxial Vorstreckung der Membran um den Faktor 1,3 (30% Vorstreckung) durch Drehen der Vorstrecker Ringraum gegen den Uhrzeigersinn (Figur 5).
- Entfernen Sie die Schutzfolie von der PMMA-Membranhalter Aussetzen der Klebstoff und kleben Sie das PMMA Membranhalter auf die vorgestreckten Membranoberfläche (4F).
- Rund um den Membranhalter geschnitten, um die vorgestreckten Membran von der Bahre zu entfernen.
- Messung der Enddicke des vorgestreckten Membran mit einer Übertragungs Interferometer.
3. Patterning konform Elektroden durch Tampondruck
- Leitfähigen Tinte Vorbereitung
- In einem 125 ml Kunststoffmischbehälter, legen 0,8 g Ruß with 16 g Isopropanol und 6 Stahlkugeln von 12 mm Durchmesser. Mischen bei 2000 UpM für 10 Minuten in einem Planetenmischer.
- In 4 g Siliconelastomerteil A, 4 g Teil B und 16 g Isooctan. Mischen bei 2000 UpM für 10 Minuten in einem Planetenmischer.
- Setup des Tampondruckmaschine
- Installieren Sie das Klischee mit dem gewünschten Elektrodenmuster auf dem Magnetblock (4G).
- Füllen Sie den inkcup mit der leitenden Silikonbasis Tinte.
- Legen Sie das Klischee Block (Klischee auf dem Magnetblock befestigt) oben auf dem mit Tinte gefüllten inkcup und installieren Sie die Montage in der Maschine.
- Befestigen Sie den Silikon-Pad auf der Maschine.
- Ausrichtung
- Legen Sie die Aligner Platte (4H) auf der Druckerbasis.
- Initiieren Sie eine Druckzyklus auf der Tampondruckmaschine, die die Elektroden-Konstruktion auf dem Ausrichter Platte nach dem Protokoll des Herstellers gelten.
- Visuellinspizieren die Überlappung der gedruckten Elektrode und der geätzten Bezugsstruktur des Ausrichters Platte. Bewegen Sie den xy-θ Bühne, um für jede Fehlausrichtung zu korrigieren.
- Reinigen Sie die Aligner Platte und drucken Sie eine weitere Elektrode.
- Prüfen Sie die Ausrichtung mit der Referenzstruktur und weiterhin Bewegung der Plattformposition und Druckelektroden, bis Sie eine perfekte Überlagerung der gedruckten Muster auf der Referenzstruktur (4H) zu erhalten.
- Drucken von kompatiblen Elektroden
- Legen Sie eine vorgestreckten Membran auf der Druckerbasis.
- Auf der Tampondruckmaschine, starten Sie einen Druckzyklus, um die Elektrode auf der Membran Oberseite (Figur 4E) zu stempeln. Stempel die Membran zweimal, um eine ausreichende Elektrodendicke von etwa 4 um zu gewährleisten.
- Entfernen Sie die Membran von der Druckerbasis, legen Sie die nächste vorgestreckten Membran auf der Druckerbasis und wiederholen Sie den Druckvorgang, bis alle vorgestreckten memBranen gestanzt.
- Platzieren der Membranen mit dem Stanz Elektrode in einem Ofen bei 80 ° C für 30 min.
- Nach 30 Minuten, entfernen Sie die Membrane aus dem Ofen.
- Legen Sie eine der bedruckten Membranen kopfüber auf den Druckerbasis, Freilegung der Membranrückseite.
- Initiieren Sie eine Druckzyklus zum Strukturieren der unteren Elektrode.
- Entfernen Sie die Membran von der Druckerbasis, legen Sie die nächste Membran auf der Druckerbasis und wiederholen Sie den Druckvorgang, bis alle Membranen sind auf beiden Seiten gestempelt.
- Setzen die Membranen in den Ofen bei 80 ° C für 30 Minuten zu vernetzen die untere Elektrode.
4. Erstellen Elektrische Anschlüsse
- Cut Aktor-Frames, die als Halterahmen für das Stellglied in der gleichen PMMA-Platte für den Membranhalter (siehe 2.2) verwendet, unter Verwendung einer CNC-Laser-Graveur dienen wird.
- Peel-off der Träger der Klebemasse auf der Oberseite des Betätigungsrahmen.
- Anwenden eines 18 mm x 2,5 mm großes Stück leitenden Bandes auf dem Teil der Betätigungsrahmen, die in Kontakt mit der Bodenelektrode tritt, und klappen sie auf die Seite des Rahmens, um den elektrischen Kontakt zu schaffen (Figur 3).
- Schieben Sie den Betätigungsrahmen im Inneren der Membranhalter und drücken Sie vorsichtig die Membran mit den Fingern, um es in dem Klebstoff der Betätigungsrahmen bleiben.
- Mit einem Skalpell, schneiden Sie die Membran an der Grenze zwischen dem Membranhalter und Antriebsrahmen und entfernen Sie die ehemalige.
- Gelten ein zweites Stück von 18 mm x 2,5 mm leitfähiges Band auf die Kontaktzone der oberen Elektrode.
- Platzieren eines Draht auf jedes Stück aus leitendem Band, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Verbinden Sie die beiden Drähte an einer Hochspannungsquelle, und wenden Sie einen 2-Hz-Rechtecksignal von 2 kV Amplitude. Beachten Sie die periodische Erweiterung des Gerätes.
Representative Results
Silikonmembran Casting
Nachdem die Silikonmembranen sind aus dem PET-Substrat freigesetzt und sind an einem Rahmen freistehenden (am Ende von Schritt 2.2), kann deren Dicke gemessen werden, beispielsweise durch Getriebe-Interferometrie. 6 zeigt die Dickenhomogenität einer Silikonschicht über die Breite der 200 mm PET-Substrat für 3 verschiedene effektive Spalthöhen (50, 100 und 150 um) bei einer Gießgeschwindigkeit von 1 mm / sec (beachten Sie, dass, da der Applikator ist breiter als die PET-Substrat, die Füße des Applikators Rest auf der Vakuum und nicht auf dem PET-Substrat selbst, wie dies in 4A zu sehen ist. Die wirksame Spalt zwischen der Auftragsvorrichtung und dem Substrat ist daher gleich dem Applikator Höhe minus der Dicke des PET-Substrats, z. B. ein PET-Substrat von 125 um und ein Applikator Höhe von 225 um, wie in dem Protokoll verwendet wird, führt zu einem effektiven Spalt von 100 um). Fürder 50 um effektive Spalthöhe, gibt es einen deutlichen Höhendifferenz zwischen der linken und rechten Seite der Silikonschicht. Dies ist, da die Höhe des Applikators muss manuell auf der linken und rechten Seite eingestellt werden, und einige Fehler unvermeidbar. Doch bei sorgfältiger Einstellung des Applikators, die wir in der Regel erhalten, Membranen mit einer Dicke Standardabweichung von weniger als 1 um, was der Fall für die 100 um effektive Spalthöhe (σ = 0,81 & mgr; m) ist. Wenn der Applikator Höhe zu groß wird, beginnt der Welligkeit auf die Membran, durch die Verdampfung des Lösungsmittels in der Silikonmischung verursacht erscheinen, wie es in der Membran mit einer wirksamen Spalt von 150 um (6) gegossen sichtbar.
Das Verhältnis zwischen der erhaltenen Trockenfilmdicke und der Auftragshöhe hängt von der Siliconmischung und der Gießgeschwindigkeit. Die Silikonmischung in diesem Artikel verwendet wird, besteht aus einem 2-Teile Silikon und ein Lösungsmittel, das vi verringernscosity der Mischung. Wenn das Lösungsmittel verdampft von der Membran vor dem Aushärten kann ein Schätzwert der Filmdicke durch Multiplizieren des effektiven Spalthöhe durch die Volumenfraktion der Feststoffe in der Siliconmischung erzielt werden. Es gibt jedoch dynamische Effekte am nachlauf des Applikators, wodurch die Bildung eines Meniskus und eine dünnere Dicke als erwartet. Die Beziehung zwischen der Spalthöhe und der daraus resultierenden Trockenmembrandicke ist abhängig von der Gießgeschwindigkeit Applikator Höhe und durch die Auftragsform. 7 zeigt die Ergebnisse eines Experiments, in denen Membranen wurden bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Höhen gegossen, um zu zeigen, wie diese Parameter Trockenschichtdicke. Es kann gesehen werden, dass Gießen bei hohen Geschwindigkeiten führt zu dünneren Membranen, und daß die Auswirkungen der Geschwindigkeit wird ausgeprägter, wenn die Spalthöhe zunimmt.
Auslöseverhalten
Die hier hergestellten Aktuator durch measur gekennzeichneting der Außendurchmesser des Zahnradartige Elektrode als Funktion der angelegten Spannung. Eine Kamera auf einem Stativ befestigt wird verwendet, um Bilder von dem Aktuator zu nehmen, wenn die Spannung erhöht wird. Die Bilder werden mit einem Bildverarbeitungs Skript (Vision, National Instruments) analysiert, um die Ausdehnung des Aktors zu quantifizieren. Dies wurde durch den Einbau eines Kreises in den äußeren Umkreis der Zahnförmigen Elektrode (8) durchgeführt. Die Zunahme des Durchmessers des Kreises, von der entspannten Zustand als diametrale Strecke (dh der betätigten Durchmesser geteilt durch den Durchmesser des Aktors im entspannten Zustand) präsentiert. Die Ergebnisse von zwei getrennten Stellgliedern identischer Dicke (34,5 & mgr; m) werden in 8 gezeigt. Beide Vorrichtungen führen in ähnlicher Weise mit diametrale Dehnung von 10% bei einer Betätigungsspannung von 4 kV.
Die Ansprechgeschwindigkeit des Aktuators durch Anlegen einer 2 Hz-Rechtecksignal von 3 kV, was zu einer Dehnung von ca. 4% gemessen. Der Ausbau des actuator wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer zeitlichen Auflösung von 0,25 ms gefilmt. Eine steigende Flanke wurde gefangen genommen, mit 200 Frames (50 ms), bevor die Spannung Trigger und 200 Bildern nach. Die Bilder wurden dann analysiert, um die zeitabhängige Verformung zu extrahieren (Abbildung 9). Die Anstiegszeit (Zeit für die 90% der endgültigen Verformung zu erreichen) beträgt 3,75 ms, und es gibt keine beobachtbare viskoelastischen Kriechen vor und nach dem Spannungsschritt, anders als es beobachtet wird, wenn Acrylelastomere sind als Membranen verwendet, für die Anstiegszeiten mehrere hundert Sekunden üblicherweise beobachtet werden 12.
Anwendung der Prozessfluss zu anderen Geräten
Die in diesem Artikel hergestellt Aktor zeigt unser Herstellungsprozess sowie die grundlegende Funktionsprinzip eines DEA mit einer Zunahme der Oberfläche der Elektroden beim Anlegen einer Spannung, und ist somit ein gutes Beispiel für dieses Tutorial. Dies jedochAktor hat keine spezifische anderen Zweck als Nachweis der Betätigungsprinzip eines DEA. Dennoch ist die hier vorgestellten Verfahren sehr vielseitig und kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Soft-Wandler in bestimmten Anwendungen gerichtet herzustellen. Wir stellen Ihnen hier einige ausgewählte Beispiele für Anwendungen, die wir entwickelt für Aktoren auf der Basis hergestellt unter Verwendung der Methodik vorgestellt.
Weiches bio-inspirierte durchstimmbaren Linsen wurden hergestellt (Abbildung 10A). Diese sind in der Lage ändernden Brennweite um 20% in weniger als 200 & mgr; 9. Die Vorrichtung kann für mehr als 400 Mio. Zyklen ohne merkliche Abnahme der Auslöseverhalten, was zeigt, dass die Kombination von Materialien eine angemessene und gute Herstellungsverfahren führen DEAs mit schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten und lange Lebensdauern betätigt werden. Objektive ähnlicher Geometrie, aber unter Verwendung des weit verbreiteten kommerziellen Acrylelastomer VHB haben eine Bandbreite von mehr als 3 Größenordnungen kleiner Strukturieren der kompatiblen Elektroden mit Tampondruck ermöglicht so sehr genau definierten Elektroden, wodurch die Herstellung von unabhängigen kleinen Elektroden auf der gleichen Membran. Dies wird beispielsweise durch die Herstellung eines DEA-basierten Drehmotor, der drei elektrisch unabhängige Elektroden (10B) gezeigt. Die Achse und die Probemasse in der Mitte des Motors bei 1500 Upm 13 drehen. Das Motorkonzept wurde weiter vorangetrieben, dass die Tampondruck zeigen, können auch zuverlässige Aktuatoren herzustellen. Eine selbstgeführte Walz Roboter wurde gebaut, um Runden auf einer Kreisbahn (10C) laufen. Der Roboter reisten mehr als 25 km mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 cm / s 13. Andere Anwendungen, die mit dem vorliegenden Verfahren (oder geringfügige Variationen davon) hergestellt worden sind, umfassen verformbaren Zellkultursysteme 14, Dielectric Elastomer Generatoren 
Abbildung 1. Grundprinzip von dielektrischen Elastomer-Aktoren Top:. (1A) In seiner einfachsten Form, ein DEA besteht aus einem weichen Elastomer Membran zwischen zwei kompatiblen Elektroden angeordnet. (1B), wenn eine Gleichspannung zwischen den Elektroden angelegt ist, haben die elektrostatischen Ladungen auf die Elektroden schaffen eine Druckspannung, die die Membran drückt, was zu einer Dickenreduktion und eine Oberflächenausdehnung. Unten: (2A) die in dem Protokoll beschrieben Aktor besteht aus einer Membran auf einem Rahmen gestreckt. Kreisförmige Elektroden auf beiden Seiten der Membran mit Erweiterungen zum Rand der Membran, um elektrische Verbindungen zu ermöglichen. Die aktive arEA ist die Zone, in der die beiden Elektroden überlappen, dass der Kreis in der Mitte. (2B), wenn eine Spannung angelegt wird, komprimiert die elektrostatische Kraft die Membran. Dies bewirkt eine Abnahme der Membrandicke in dem aktiven Bereich und eine Erhöhung der Oberfläche der Elektrode. Da die Membran vorgestreckt, die passive Zone um die Elektrode entspannt, um den Ausbau der aktiven Zentralbereich unterzubringen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
. Figur 2. Demonstrations Aktuator in diesem Protokoll hergestellt: ungefähr Fertigvorrichtung, umfassend einen gestreckten Silikonmembran an einem Rahmen befestigt ist, ein Paar von nachgiebigen Elektroden auf beiden Seiten der Membran und die elektrischen Anschlüsse strukturiert. Right: zusammengesetztes Bild, das den Ruhezustand (schwarz) und aktivierten Zustand (cyan). Eine 10% ige Erhöhung des Durchmessers der Struktur ist mit 4 kV zwischen den Elektroden angelegt beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Figur 3 Explosionsansicht des Aktuators. Die verschiedenen Komponenten, die in dem Video hergestellt Aktuator bilden. Der Membranhalter hält den vorgestreckten Silikonmembran und wird verwendet, um die Membran bei der Elektrodendruckschritt zu manipulieren. Sobald die Elektroden ausgehärtet sind, wird der Betätigungsrahmen innerhalb der Membranhalterung eingesetzt und liefert sowohl einen Strukturrahmen, um den Antrieb zu halten, und einen elektrischen Kontakt mit der unteren Elektrode. Sobald die Membran mit dem Betätigungsrahmen befestigt ist, die mirmbrane Halter entfernt werden können. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 4. Überblick über Herstellungsverfahren. (A) Gießen von Silikonmembranen mit einem automatischen Filmzieh. (B) Laserschneiden von gehärteten Silikonmembran und Vorstreck Stützen. (C) Platzierung von Silikonmembran am Vorstreck Unterstützung. (D) Lösen des Silikonmembran aus PET-Substrat durch Auflösen von PES-Opferschicht in heißem Wasser. (E) Schneiden von Vorstreckstützabschnitte verbindet die Finger. (F) Prestretch und Anhaften von Membranhalters an der Membranoberfläche. (G) Cliché mit cond gefülltuctive Tinte. (H) Laser geätzt Elektroden Aligner, Einschub Abbildung zeigt Beispiel eines gut ausgerichteten Elektroden. (I) Silikonmembran mit gestanzten Elektrode. (J) fertigen Gerät. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 5. Funktionsprinzip der Membranvorstrecker. (A) Mehrere Metallfinger sind mit einem Kunststoffkreisring befestigt und gezwungen sind, in einer linearen (radial) Mode entlang ihrer Länge zu verschieben. Der Ringraum gezwungen ist, in Umfangsrichtung zu bewegen. Die Kunststoffringraum mehrere gekrümmte Schlitze hineinarbeitet, in die die Metallstifte der Finger befinden. Kreisradius begrenzenden Kante der Finger ist R 1 . (B) Die Vorstrecker Ringraum wird gegen den Uhrzeigersinn gedreht, die Finger gleichzeitig zu übersetzen, die Erhöhung der Radius des Kreises begrenzenden Fingerkanten von R 1 bis R 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 6 Dickenhomogenität der gegossenen Silikonschichten. Die Dickenmessung der gehärteten Silikonmembran über die Breite der 200 mm PET-Substrat, für drei verschiedene Spaltweiten des Applikators. Die Gießgeschwindigkeit beträgt 1 mm / sec. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 7. Trockenschichtdicke als Funktion der Gießparameter. Trockenschichtdicke für verschiedene Auftragshöhe und Geschwindigkeit für eine Silikon-Lösemittelgemisch mit 62% Feststoffgehalt nach Volumen erhalten. Eine höhere Geschwindigkeit führt zu dünneren Membranen für gleiche Auftragseinstellungen, und der Einfluss der Geschwindigkeit mit zunehmender Membrandicke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8. Die Betätigung des Demonstrations. Außerhalb diametrale Dehnung als eine Funktion der angelegten Spannung für zwei Geräte mit einer Dicke (nach Vorstreckung) von 34,5 & mgr; m. Eine Zunahme des Durchmessers von etwa 10% ist bei der maximalen angelegten Spannung beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 9. Dehnungs Reaktion auf einen Spannungsschritt eingegeben wird. Eine quadratische, 3 kV 2 Hz-Signal an die Vorrichtung angelegt wird, wodurch eine Belastung von etwa 4% (siehe Abbildung 8). Die Flächenausdehnung ist mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 4000 Frames pro Sekunde beobachtet. Es dauert weniger als 4 ms für den Aktuator zu 90% auf Endmaß zu erreichen. Vor und nach dem Übergang, die Dimension des Aktors stabil bleiben und nicht viskoelastischen Kriechen zeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 10. Dielektrische Elastomeraktoren mit dem vorgestellten Prozessablauf hergestellt. Drei Beispiele von dielektrischen Elastomer-Aktoren, indem Sie die in diesem Dokument beschriebenen Methode hergestellt. (A) schnell und weich abstimmbare Linse in der Lage ist in weniger als 200 Mikrosekunden Änderung seiner Brennweite um 20%. (B) Rotary Elastomer Mikro-Motor in der Lage, Spinnen bei 1.500 Umdrehungen pro Minute. (C) selbstgeführten Walz Roboter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Discussion
Das Herstellungsverfahren kann wie folgt zusammengefasst werden. Starten, indem eine wasserlösliche Opferschicht auf der zum Gießen der Membran eingesetzt PET-Substrat. Dies vermeidet eine übermäßige Verformung während der Release-Prozess, die möglicherweise die Membran beschädigen können. Das Silikon wird dann in einer dünnen Schicht gegossen und in einem Ofen gehärtet. Der A4 PET-Folie mit der Silikonbeschichtung ist in runde Scheiben von 55 mm Durchmesser geschnitten und geklebt, um flexible Vorstreck Stützen. Die Vorstreck Träger werden verwendet, um die Membran während der Opferschicht Freisetzung und Vorstreckung Schritte manipulieren. Die Membran aus dem PET-Substrat zu trennen, wird in heißes Wasser getaucht wird, um die Opferschicht aufzulösen. Dieser Prozess ermöglicht es, daß die Membran, ohne darauf deutlich zu ziehen befreit werden. Sobald die Membran freistehend, kann sie vorgedehnt werden. Vorstrecken besteht darin, die Membran in der Ebene mechanisches Strecken vor der Befestigung sie auf Halterahmen. Dieser Schritt erzeugt inexterne Zugkräfte in der Membran und ist notwendig für in-plane dielektrische Elastomer Aktoren, wie der Demonstrations hier produziert. In dem Protokoll, verwenden wir gleichwinklig biaxiale Streckung, also eine gleiche Streckwert in beiden Richtungen in der Ebene. Jedoch in Abhängigkeit von der Anwendung können unterschiedliche Vordehnung Konfigurationen verwendet werden, wie axiales (Dehnung nur entlang der x oder y, während die Membran kann sich in die andere Richtung zu entspannen) oder anisotrop (verschiedene Werte entlang x und y).
Eine Technik namens Tampondruck ist genau Muster verwendet eine nachgiebige Elektrode auf der vorgestreckten Silikonmembran, die genau mm-size Elektroden definieren auf der Membran ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird Tinte mit einem Rakel auf einem Klischee (eine Stahlplatte, auf der die zu druckende Motiv geätzt wird, und anschließend aus dem Klischee von einer glatten Silikontempel aufgenommen, bevor sie zu der Membran 13 übertragen wird) aufgetragen. Jey-Design benötigt eine eigene Klischee. Diese können von spezialisierten Unternehmen, die sie von einer elektronischen Zeichnung der Geometrie erzeugen bestellt werden. Um einen dehnbaren leitenden Elektrode zu machen, zu verteilen Ruß in einer Silikonmatrix durch Scherkräfte unter Verwendung einer Kugelmühle, die eine bekannte Technik, um die Agglomerationen von Ruß zu brechen und homogen verteilen das Pulver in einer polymeren Matrix 18,19 ist.
Beim Drucken ist es wichtig, dass das Design mit einer präzisen Positionierung und Ausrichtung relativ zu dem Membranrahmen gedruckt. Um dies zu tun, verwenden Sie ein Präzisions-XY-θ Bühne und einen Ausrichter. Die Ausrichtstation ein Stück PMMA in der gleichen Form wie die Membranrahmen und weist die Elektrodenkonstruktion an ihrer Oberfläche mit einer CNC Laser-Gravur geätzt. Vor dem Druck auf der Membran drucken wir auf der Ausrichtungsplatte, um die Ausrichtung zu überprüfen. Wenn der Druckentwurf, nicht die geätzten Design nicht überein justieren wir den xy-θ Stufe, bis die beiden Entwürfe overlap (4H). In dem Protokoll, die obere und untere Elektrode das gleiche Design, so dass die Tampondruckmaschine können zwischen den Anwendungen der beiden Elektroden unberührt gelassen werden. Jedoch kann in einigen Fällen sind die Elektroden unterschiedlichen Geometrien für die obere und untere Elektrode. In diesem Fall wird, während die Membranen in dem Ofen für das Härten der oberen Elektrode (dh, zwischen den Schritten 3.4.3 und 3.4.4), ist es notwendig, die Klischee Block (die Anordnung, die aus dem Klischee in Position gehalten zu entfernen auf einem Magnetblock) mit dem Tintenfass aus der Tampondruckmaschine. Dann muss der installierten Klischee für die eine mit dem Bodenelektrodengestaltung ausgetauscht werden. Weil die Klischee Block bewegt worden ist, ist es notwendig, einen neuen Ausrichtungsprozedur (Schritt 3.3) unter Verwendung eines Ausrichters Platte mit der Konstruktion der zweiten Elektrode geätzt befragen. Sobald beide Elektroden angelegt sind, müssen sie mit einer externen Treiberschaltung, die die Kosten f versorgt werdenoder Betätigung. Es gibt verschiedene Lösungen für die Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden und den nachgiebigen Antriebselektronik. Hier wird ein Verfahren für die Prototypen gut geeignet gezeigt, unter Verwendung von Klebstoff bedeckten Rahmen und leitfähige Band (3). Für die Serienfertigung ist der Einsatz von Leiterplatten mit Kupferauflagen Kontaktierung der Elektroden eine bessere Alternative (siehe Figur 10A ein Beispiel für ein Gerät mit einem kommerziellen PCB hergestellt).
Verwenden Sie handelsübliche Geräte und Produkte für die meisten Schritte des Prozessablaufs. Die beiden Ausnahmen sind die Messung der Dicke der Silikonmembranen und Vordehnung Schritten. Für die Dickenmessung, mit einem hausgemachten Weißdurchlicht-Interferometer, bestehend aus einem kollimierten Weißlichtquelle (Punktgröße <1 mm) durchqueren die Membran und durch ein Spektrometer gesammelt. Die Periode der Interferenzstreifen des übertragenen Lichtintensität als function der Wellenlänge verwendet wird, um die Dicke der Membran 20 zu berechnen. Beachten Sie, dass andere Verfahren verwendet, um die Dicke zu messen, aber sie müssen nicht-destruktiv sein und idealerweise kontakt zu vermeiden Verformung des sehr dünnen Membran. Für das Vorstrecken der Membranen, mit einem hausgemachten radialen Vorstrecker, der von 8 metallischen Finger, die radial verschoben werden kann, besteht. Eine Membran Vorstreckung, werden die Finger nach innen bewegt, daß die Vorstreck Träger kann an den Fingern des Spanners (4E) geklebt werden. Um die Membran Vorstreckung, werden die Finger nach außen bewegt, wodurch effektiv den Durchmesser der Silikonmembran, was zu gleichachsigen biaxialen Vordehnung der Membran. Die acht Finger sind, um einen Ring, dessen Drehung definiert die radiale Trennung der Finger (5) verbunden ist.
Mit einem effizienten und gut etablierte Prozessablauf wie das hier vorgestellte wichtig ist,reproduzierbare Geräte, die robust und zuverlässig sind herzustellen. Im Vergleich zum Kauf von vorgefertigten Filmen, Gießen von dünnen Elastomer-Membranen gibt viel Gestaltungsfreiheit, denn sie ermöglicht die Auswahl und Anpassung der Eigenschaften der Membranen an die Anwendung. Beispielsweise im Fall von Siliconelastomeren kann die Härte und die Bruchdehnung von der Auswahl von Produkten mit unterschiedlicher Kettenlänge und Dichte der Vernetzung ausgewählt werden und die Dicke kann durch Einstellen des Gießprozesses variiert werden. Letzteres ermöglicht es beispielsweise, um endgültige Membrandicke und Vorstreck unabhängig zu wählen, die nicht mit vorgefertigten Folien möglich ist.
Die Fähigkeit, genau die Elektrodenmuster in einem kleinen Maßstab (cm bis sub-mm) ist auch eine wichtige Voraussetzung für DEAs, da die meisten Vorrichtungen bestehen aus aktiven und passiven Zonen auf derselben Membran. Dies impliziert, dass die Elektrodenform muss genau auf die Membran definiert werden. Zusätzlich als Elektroden müssen auf beiden Seiten aufgebracht werdender Membran, ist es erforderlich, die beiden Elektroden relativ zueinander auszurichten: Zusätzlich zu einer genau definierten Form, müssen die Elektroden genau auf der Membran angeordnet sein. Die hier vorgestellte Stanzverfahren erfüllt diese beiden Anforderungen. Außerdem ist Tampondruck ein schneller Prozess, da nur wenige Sekunden benötigt, um eine Elektrode zu drucken, und Aktuatoren können leicht stapelverarbeitet werden mit dieser Methode. Im Gegensatz zu den weit verbreiteten Kohlen Fett oder lose Pulver Elektroden manuell angelegt, führt unser Ansatz zur genau definierten Elektroden, die eine starke Haftung an der Membran, auf der sie angewendet werden, zu präsentieren. Sie sind sehr verschleißfest und kann nicht aus der Membran 13 delaminiert werden. Trotz der Tatsache, dass Tampondruck ist ein Kontaktverfahren, kann es verwendet werden, um Tinte auf dünn und zerbrechlich Silikonmembranen gelten, denn der einzige Teil in Kontakt mit der Membran ist ein weicher Silikonmarke. Allerdings gibt unvermeidlich eine gewisse Haftreibung zwischen dem Stempel und the-Membran, die eine leichte Verformung der Membran bewirkt, dass, sobald der Stempel fährt zurück nach oben. Wenn die Membran zu dünn ist, kann dies zum Bruch der Membran führen. Dies begrenzt effektiv die Anwendung des Tampondruckverfahren auf die dicker als 10 & mgr; m Membranen. Für dünnere Membranen sollten berührungsStrukturierungsVerfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Tintenstrahldruck.
Obwohl DEA sind seit mehr als 15 Jahren untersucht wurde, sind die meisten der heutigen DEAs noch auf fertige Polyacrylat-Filme in Verbindung mit von Hand aufgetragene Fett Elektroden auf der Basis. Diese handgemachte Methoden verursacht DEAs zu meist auf den Stand der Laborprototypen trotz der interessanten Performance DEAs in Bezug auf die Belastung und den Stromverbrauch zu bleiben, mit begrenzten Annahme durch Industrie. Obwohl zuverlässige Herstellungsprozesse wurden bereits veröffentlicht, betreffen sie die Herstellung von unprestretched, gestapelt Kontraktions Antriebe mit gewidmet automatisierten Setups 21,22 erhalten. Die Öffentlichkeitsarbeitocess fließen wir hier präsentieren, ist eine vielseitige Allzweck-Prozess, der alle wichtigen Schritte notwendig, eine DEA herzustellen beschreibt, und die leicht angewendet werden können, um eine definierte Zielanwendung zu passen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High quality PET substrate, 125 μm 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=50 kDa |
| Automatic film applicator | Zehntner | ZAA 2300 | with vacuum table |
| Profile rod applicator | Zehntner | ACC378.022 | 22.86 μm |
| 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 125 ml 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 500 mm x 290 mm x 3 mm | 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 100 mm x 200 mm | 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 30 mm 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 |
References
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