Fabrication rapide d'actionneurs et de robots pneumatiques souples minces

Summary

Ce protocole décrit une méthode pour la fabrication rapide des actionneurs pneumatiques mous et des robots avec un facteur de forme mince. La méthode de fabrication commence par le lamination des feuilles de polyuréthane thermoplastique (TPU) suivie de la découpe/soudage au laser d'un modèle bidimensionnel pour former des actionneurs et des robots.

Abstract

Ce protocole décrit une méthode de fabrication rapide d'actionneurs pneumatiques et de robots souples avec un facteur de forme ultramince à l'aide d'une presse thermique et d'une machine de coupe laser. La méthode commence par le lamination des feuilles de polyuréthane thermoplastique (TPU) à l'aide d'une presse à chaleur pendant 10 min à la température de 93 oC. Ensuite, les paramètres de la machine de coupe laser sont optimisés pour produire un ballon rectangulaire avec une pression d'éclatement maximale. En utilisant les paramètres optimisés, les actionneurs souples sont coupés au laser/soudés trois fois séquentiellement. Ensuite, une aiguille de distribution est fixée à l'actionneur, ce qui lui permet d'être gonflée. L'effet des paramètres géométriques sur la déviation de l'actionneur est étudié systématiquement en variant la largeur et la longueur du chenal. Enfin, la performance de l'actionneur est caractérisée à l'aide d'une caméra optique et d'un distributeur de fluides. Les méthodes de fabrication conventionnelles des actionneurs pneumatiques souples basés sur le moulage de silicone prennent du temps (plusieurs heures). Ils donnent également lieu à des actionneurs solides mais encombrants, ce qui limite les applications de l'actionneur. De plus, la microfabrication d'actionneurs pneumatiques minces est à la fois longue et coûteuse. La méthode de fabrication proposée dans le travail actuel résout ces problèmes en introduisant une méthode de fabrication rapide, simple et rentable des actionneurs pneumatiques ultraminces.

Introduction

Comme un pas en avant dans la fabrication d'actionneurs pneumatiques souples, la méthode proposée illustre la fabrication rapide d'actionneurs pneumatiques ultraminces (70 m) en polyuréthane thermoplastique (TPU)¹. Ces actionneurs sont particulièrement utiles dans les applications qui exigent que les robots soient légers et/ou s'adaptent dans de petits espaces. De telles applications peuvent être envisagées comme des manipulateurs chirurgicaux transcathéter, des actionneurs portables, des robots de recherche et de sauvetage, et des robots volants ou de natation.

La méthode de fabrication conventionnelle des actionneurs pneumatiques mous minces, qui est basée sur le moulage de silicone, est longue (plusieurs heures) et très difficile en raison de la basse résolution des moules imprimés en 3D et des difficultés à démolding des actionneurs minces (moins de 0,5 mm). En particulier, la fabrication d'actionneurs minces nécessite l'application d'outils et de méthodes spécialisés².

Les techniques de microfabrication peuvent être adoptées pour fabriquer des actionneurs minces^3,4,5,6,7. Sinon, Ikeuchi et coll. ont mis au point de minces actionneurs pneumatiques à l'aide d'un micro-embossing membranaire⁸. Ces méthodes, bien qu'efficaces, nécessitent des outils coûteux et prennent beaucoup de temps. Ainsi, ils ont des applications limitées.

Paek et coll. ont démontré une méthode simple pour la fabrication d'actionneurs souples à petite échelle à l'aide d'un revêtement de trempette de modèles cylindriques². Bien qu'efficace, il y a deux problèmes avec l'application répandue de cette méthode : premièrement, il n'est pas facile de commander l'épaisseur des dispositifs dip-enduits, et deuxièmement, son application est limitée à un nombre limité de conceptions tridimensionnelles (3D).

Les actionneurs Peano^9,10 et les moteurs à poche^11,12 ont des conceptions compactes bidimensionnelles (2D) qui se traduisent par des facteurs de forme mince (c.-à-d., de grandes zones avec une petite épaisseur). Veale et coll. ont signalé le développement d'actionneurs Linéaires Peano en plastique renforcé et composites textiles-silicone^1,8. Niiyama et coll. ont développé des moteurs à poche à l'aide de films thermoplastiques fabriqués par des systèmes d'estampage thermique et de dessin thermique^11,12.

Alors que la conception 2D des actionneurs Peano et des moteurs de poche les rend très minces dans leur état non actionné, sur l'inflation leur chambre à volume zéro s'étend à un volume relativement grand, limitant ainsi leur application pour l'opération dans des espaces limités tels que les thérapies de transcathéter ou de recherche et de sauvetage missions¹. Contrairement à ces conceptions, les actionneurs souples proposés dans la méthode actuelle peuvent actionner avec des souches relativement petites. Ainsi, même dans l'état actionné, ils occupent des espaces relativement petits¹.

Protocol

1. Lissage des feuilles de TPU par pressage thermique

1. Calibrer un capteur de force à utiliser dans la presse à chaleur.
   1. Sandwich le capteur de force entre deux couches de silicone (50 mm x 50 mm x 3 mm d'épaisseur). Placez le capteur de force et les couches de silicone entre les plaques de compression/enclumes de la machine à tension. Diminuez la distance entre les plaqueens en tournant le bouton de la pression thermique dans le sens des aiguilles d'une montre et notez la force et la résistance du capteur.
   2. Mesurez la zone du capteur à l'aide d'un étrier numérique et divisez les valeurs de force par la zone mesurée pour obtenir les données de pression. Adaptez une ligne linéaire aux données de pression par rapport aux données de résistance à l'aide d'une feuille de calcul pour calibrer le capteur.
2. Placez le capteur de force à l'intérieur de la presse thermique et tournez le bouton de pression jusqu'à ce qu'une pression de 200 kPa soit lue à partir du capteur.
3. Portez des gants pour éviter toute contamination des films TPU.
4. Couper quatre couches de TPU avec des ciseaux ou un coupe-laser pour s'adapter aux plaques de presse thermique (30 mm x 30 mm). Placez les quatre feuilles de sorte que les quatre bords sont alignés.
5. Placez les feuilles TPU à l'intérieur de la presse à chaleur.
6. Fixer la température de la pression chauffe à 200 oF (93 oC). Fermer complètement la pression thermique.
7. Gardez les films à l'intérieur de la presse à chaleur pendant 10 min. Ouvrez la presse à chaleur et retirez les films TPU stratifiés pour qu'ils soient coupés au laser à l'étape 3.12.

2. Trouver les paramètres laser optimaux

1. Comme décrit dans la section 1, appuyez sur deux couches de TPU.
2. À l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAD), concevez un carré avec des côtés de 20 mm et un rectangle de 4 mm x 8 mm qui agira comme l'entrée du ballon carré.
3. Coupe/soudure laser le modèle carré de l'étape 2.2 des couches de TPU à partir de l'étape 2.1 en utilisant les paramètres suivants dans le logiciel de coupeur laser: les impulsions de réglage par pouce (PPI) à 500, varient la puissance de 10% à 100%, et pour chaque valeur de puissance varient la vitesse de 10% à 100%.
4. Couper l'extrémité de l'energlas du ballon carré avec des ciseaux.
5. Insérez une aiguille à l'intérieur de l'inlet ballon carré, appliquer de la colle (Table des matériaux) autour d'elle, et envelopper le ruban polytétrafluoroéthylène (PTFE) autour de la connexion.
   REMARQUE: Après 5 min, il est prêt à l'emploi.
6. Identifiez la pression d'éclatement moyenne du ballon carré en le gonflant avec un distributeur de liquide précis.
7. Augmenter la pression du ballon à l'aide du distributeur de liquide précis jusqu'à ce qu'il éclate. Mesurer et noter la pression d'éclatement. Répétez cette étape 5x et obtenez la pression d'éclatement moyenne.
8. Répétez les étapes 2.1-2.7 pour la gamme complète des valeurs de puissance et de vitesse et identifiez la pression d'éclatement maximale du ballon carré et ses valeurs de puissance et de vitesse associées comme paramètres optimaux pour la machine laser.

3. Fabrication des actionneurs par découpage/soudage au laser

1. Concevez le modèle d'actionneur souhaité à l'aide du logiciel CAO.
   REMARQUE : AutoCAD 2017 est utilisé dans ce protocole.
2. Sélectionnez la conception entière dans le logiciel CAO en mettant en évidence tous les segments de la conception.
3. Dans la barre de tâches sous la section Propriétés, changer le poids de la ligne à 0 mm pour que le logiciel s'imprime avec succès au découpeur laser.
4. À partir de la barre des tâches, sélectionnez Imprimer. Changez le nom de l'imprimante en "VLS2.30" dans le menu.
5. Dans les paramètres de l'imprimante, choisissez la taille du papier comme Paysage défini par l'utilisateur.
6. Dans la section Échelle de parcelle, désélectionnez l'option Fit to Paper, puis évoluez sur la taille de l'image de 1 mm et une unité de longueur.
7. Dans la compensation de parcelle (Origin Set to Printable Area) vérifiez l'option Centre de l'aire de terrain.
8. Allumez le filtre à air en appuyant sur le bouton d'alimentation.
9. Allumez le coupeur laser en appuyant sur le bouton d'alimentation ou en cliquant sur l'icône d'alimentation sur le logiciel Universal Laser System Control Panel.
10. Dans l'option Réglage, réglez la vitesse de 60 %, PPI 500 et la puissance de 80 %.
    REMARQUE : Ces paramètres peuvent devoir être modifiés en fonction de la puissance laser spécifique du système utilisé.
11. À l'aide de l'outil Focus View, déplacez le pointeur laser vers le coin supérieur gauche et le coin inférieur droit du motif pour vous assurer que l'ensemble du motif s'insère à l'intérieur des films TPU stratifiés (30 mm x 30 mm) réalisés à l'étape 1.10.
12. Pour concentrer la machine laser, déplacez le chariot de lentille au milieu de la table. Placez l'outil de mise au point sur la table et déplacez la table jusqu'à ce que le haut de l'outil de mise au point touche l'avant du chariot de lentille. Ensuite, déplacez la table lentement jusqu'à ce que le chariot de lentille frappe l'encoche de l'outil de mise au point et il se heurte vers l'avant.
    REMARQUE: Le laser est concentré et prêt à l'emploi avec les paramètres en 3.11.
13. Sans changer la position de la feuille TPU, exécutez le laser à nouveau, mais diminuez la vitesse de 55%, augmenter la puissance de 85%, et de garder PPI 500.
14. Effectuer une troisième course du laser pour s'assurer qu'il n'y a pas de fuites dans l'actionneur. Définir la vitesse de 50%, augmenter la puissance de 90%, et garder PPI 500.

4. Aiguilles de distribution en acier inoxydable de liaison avec une connexion de serrure de Luer

1. Couper l'extrémité de l'entrée de l'actionneur de ballon avec des ciseaux.
2. Insérez une aiguille à l'intérieur de l'entrée de l'actionneur de ballon, appliquez de la colle autour d'elle et enroulez le ruban ADHÉSIF PTFE autour de la connexion.
   REMARQUE: Après 5 min, il est prêt à l'emploi.

5. Caractérisation des actionneurs souples

1. Montez une caméra au-dessus de l'actionneur avec une distance suffisante de sorte que l'actionneur soit en pleine vue à l'intérieur de la caméra dans ses deux états pressurisés et non pressurisés.
2. Tenez l'actionneur dans une orientation telle que sa déviation lors de la pressurisation est orthogonale à la caméra.
3. Augmenter la pression de l'actionneur avec un distributeur de liquide précis jusqu'à ce qu'il dévie dans sa gamme complète sans éclater. Supposons que la plage complète est la déviation maximale de l'actionneur sans aucune déformation plastique, fuite ou éclatement dû à une surinflation.
4. Augmentez la pression de l'actionneur jusqu'à ce qu'il atteigne 20 % de sa gamme complète et notez la pression.
5. Prenez une photo de l'actionneur à l'aide de la caméra à partir de l'étape 5.1, puis utilisez un logiciel de traitement d'image (p. ex., imageJ) pour mesurer les coordonnées X et Y de la pointe de l'actionneur dans l'image.
6. Répétez les étapes 5.4 et 5.5 jusqu'à atteindre la gamme complète de déflexion de l'actionneur.
7. Tracer un graphique X-Y de la déviation de l'actionneur par rapport à la pression d'inflation à l'aide d'un logiciel de traçage.

Representative Results

Pour démontrer la méthode proposée, nous montrons la fabrication d'un actionneur de flexion unique. Pour fabriquer cet actionneur, quatre feuilles de TPU de dimension 25 cm x 25 cm ont été coupées, empilées ensemble, puis lissées à l'aide d'une presse thermique (figure 1A). Conformément au protocole, la presse thermique a été appliquée pendant 10 min à une température fixée de 200 oF. Les rides dans les feuilles stratifiées peuvent entraîner des problèmes de collage pendant l'étape de découpe au laser, assurant ainsi une surface parfaitement lisse est critique pour les résultats reproductibles. Par exemple, la figure 1B montre un laminage qui en résulte qui contient des rides qui ne produiront pas les résultats souhaités, tandis que la figure 1C montre un laminage qui en résulte qui est suffisamment plat pour produire les résultats souhaités.

La conception 2D de l'actionneur pneumatique a été dessinée dans AutoCAD. Cet actionneur a été réalisé simplement en dessinant un rectangle de 8 mm x 150 mm. Un motif linéaire de huit lignes, chacune de 1,34 mm de long, a été ajouté au centre de la conception avec un espacement de 10 mm (surligné en rouge dans la figure 2). Enfin, l'ouverture de l'actionneur (surlignée en bleu dans la figure 2) a été conçue en ajoutant un rectangle ouvert de 4 mm x 8 mm. Un fichier AutoCAD (.dwg) pour cet échantillon d'actionneur linéaire est disponible dans le matériel supplémentaire.

La pile stratifiée de quatre couches de TPU a ensuite été placée dans la machine de découpe au laser (Figure 3A) et la conception 2D a été importée à l'aide du logiciel de la machine à découper au laser. L'outil Focus sur le coupeur laser a vérifié l'ajustement de la position du dessin 2D sur les feuilles TPU stratifiées. Pour une première course, la coupe au laser a été fixée à la vitesse de 60 %, de puissance de 80 % et de PPI 500. Une fois qu'il a été terminé, sans changer la position des feuilles de polyuréthane, une deuxième course avec de nouveaux réglages a été commencé à la vitesse de 55%, la puissance - 85%, et PPI 500. Le même processus a été répété avec de nouveaux réglages pour la troisième fois à la vitesse de 50%, de puissance - 90%, et PPI 500. La diminution de la vitesse et l'augmentation de la puissance expose l'actionneur pneumatique à la source de chaleur pendant une plus longue période et lui permet de fondre et de se lier pour assurer un ballon sans fuite qui peut se séparer du reste de la feuille TPU facilement (Figure 3B). Il convient de noter que le coupeur laser est toujours simultanément la coupe et le soudage du TPU; la coupe et le soudage ne se font pas en étapes distinctes ou réalisés par différents réglages.

Afin de coupler l'actionneur à une unité d'alimentation en air, l'ouverture de l'actionneur a été coupée avec des ciseaux et une aiguille en acier inoxydable(figure 4B)a été insérée entre les deuxième et troisième couches de l'actionneur découpé au laser. Pour maintenir un système sans fuite, l'extérieur de l'aiguille était recouvert de colle à l'avance (figure 4C). Ensuite, l'interface de l'actionneur et de l'aiguille en acier inoxydable a été enveloppée étroitement avec du ruban adhésif PTFE (Figure 4D).

Enfin, à l'aide d'un distributeur de fluides numériques, l'actionneur pneumatique (figure 5A) a été gonflé à une pression de 5 psi pour observer une déviation dans la région où le réseau de lignes a été conçu (figure 5B).

Figure 1 : Chauffer les feuilles pressantes. (A) Image de la presse à chaleur avec les feuilles TPU à laminer. (B) Exemple d'image de feuilles mal stratifiées avec des rides excessives. (C) Exemple d'image de feuilles laminées avec succès avec une surface lisse. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Conception de l'actionneur. Image d'un dessin de CAO utilisé pour former un actionneur de flexion simple. La conception inférieure montre le contour de l'actionneur, la conception du milieu montre une seule ligne ajoutée comme une fonction de flexion, et la conception supérieure montre un actionneur complet. La boîte rouge met en évidence les caractéristiques qui forment la région de flexion de l'actionneur. La boîte bleue met en évidence la région pour connecter une aiguille pour la pressurisation. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Coupeur laser. (A) Image des feuilles stratifiées dans un coupeur laser. (B,C) Image de l'actionneur à enlever après la découpe au laser. (C) Image de l'actionneur. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Connexion à l'aiguille. Images représentant les étapes pour relier une aiguille émoussée (A) à un actionneur de ballon utilisant la colle (B) comme adhésif. L'aiguille est insérée dans l'extrémité étroite de l'actionneur, qui est ouvert à l'aide de ciseaux (C) et scellé avec du ruban adhésif PTFE (D). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Actionneur de flexion. (A) Image de l'actionneur dans un état non pressurisé. (B) Image de l'actionneur dans un état pressurisé. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Matériel supplémentaire.   Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Les étapes critiques dans la fabrication des actionneurs souples comprennent: i) La conception 2D CAO. Une bonne disposition 2D peut dicter la déformation de l'actionneur (p. ex. linéaire, biaxial, flexion et mouvement de rotation). ii) Laminage des couches TPU. Les films TPU sont pressés à la chaleur avant la découpe au laser pour s'assurer que les couches sont plates et en contact conformif partout. iii) Coupe/soudure laser. Comme dernière étape, les couches TPU stratifiées sont découpées au laser/soudées en actionneurs souples.

Le taux de réussite du protocole peut produire un rendement de 100% (par exemple, nous avons fait 20 actionneurs simultanément). Le facteur principal est l'étape de laminage: pour obtenir les meilleurs résultats, le TPU doit être aplati autant que possible avant le processus de presse à chaleur.  L'examen de différentes régions de la plaque de presse thermique à l'égard d'un capteur de force peut montrer que la distribution de la pression n'est pas uniforme. La distribution de pression non uniforme peut entraîner un laminage imparfait des feuilles TPU, ce qui entraîne une découpe/soudure et des fuites imparfaites. Alternativement, le transfert de chaleur non uniforme dû aux petites rides dans le film DeTU pendant la découpe/soudage de laser peut causer la fuite.

Par rapport aux méthodes conventionnelles, la méthode proposée a plusieurs avantages, y compris: i) Design 2D simple. Tandis que la méthode courante exige seulement les conceptions 2D de CAO pour couper/soud rince-laser les actionneurs (différents modèles sont disponibles^1),les méthodes conventionnelles de fabrication basées sur la coulée de silicone exigent une conception 3D de moule. ii) Fabrication rapide. Le temps de fabrication de la conception caDO au laminage des couches TPU et de la découpe/soudage au laser peut se produire en quelques minutes, alors que la méthode de fabrication conventionnelle prendra plusieurs heures. En permettant la fabrication d'appareils souples et de robots mous en une seule étape, sans montage, les robots et dispositifs souples peuvent être conçus à partir d'une combinaison de différents types d'actionneurs, et le modèle CAO peut être découpé au laser/soudé dans le produit final en une seule étape sans nécessiter d'assemblage. Par exemple, un robot de natation, composé de quatre pattes chacun composé de deux types d'actionneurs de flexion, est fabriqué à partir d'une conception 2D CAO en seulement quelques minutes sans nécessiter aucune étape d'assemblage, comme indiqué précédemment¹.

Comme direction future de ce travail, différents types de matériaux thermoplastiques peuvent être adoptés pour la fabrication des actionneurs mous. En général, ces matériaux doivent avoir un comportement élastique pour être utilisés comme actionneurs. L'application de matériaux thermoplastiques plus rigides entraînera une pression d'éclatement plus élevée et une force de blocage plus élevée des actionneurs par rapport à ceux précédemment caractérisés dans la figure S6 de Moghadam et al.¹, montrant des forces allant jusqu'à 0,1 N. Ainsi, il peut étendre l'application des actionneurs aux cas où une force de blocage plus élevée est nécessaire, comme les suites d'exosquelette.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Force Sensor	Omega	KHLVA-102	https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html
High Precision Dispensers Ultimus I	Nordson		http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE
Laser Cutter VLS2.30	Universal Laser System		https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30
PowerPress Heat Press	Power Heat Press	OX-A1	https://www.howtoheatpress.com/power-press-15x15-heat-press-review/
PTFE Thread Sealant tape	McMaster-Carr	4934A11	https://www.mcmaster.com/ptfe-tape
Stainless Steel Dispensing Needle	McMaster-Carr	75165A754	https://www.mcmaster.com/75165a754
Super Glue Loctite 409	Henkel	229654	https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html
Thermoplastic polyurethane Airtech’s Stretchlon 200	ACP Composites	v-11A	https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60
Universal Testing Systems	Instron	5943