Summary
Detta protokoll beskriver en metod för snabb tillverkning av mjuka pneumatiska manöverdon och robotar med en tunn formfaktor. Tillverkningsmetoden börjar med laminering av termoplastiska polyuretan (TPU) blad följt av laserskärning/svetsning av ett tvådimensionellt mönster för att bilda ställdon och robotar.
Abstract
Detta protokoll beskriver en metod för snabb tillverkning av mjuka pneumatiska manöverdon och robotar med en ultratunna formfaktor med hjälp av en värme press och en laser fräsmaskin. Metoden börjar med laminering av termoplastiska polyuretan (TPU) ark med en värme tryck för 10 min vid temperaturen ~ 93 ° c. Därefter är parametrarna för laser Cutter maskinen optimerade för att producera en rektangulär ballong med maximalt sprängtryck. Med de optimerade parametrarna är de mjuka manöverdonen laserskurna/svetsade tre gånger i följd. Därefter fästs en dispenseringsnål på manöverdonet så att den kan pumpas upp. Effekten av geometriska parametrar på ställdonets deformationen studeras systematiskt genom att variera kanalens bredd och längd. Slutligen kännetecknas utförandet av manöverdonet med hjälp av en optisk kamera och en vätska dispenser. Konventionella tillverkningsmetoder av mjuka pneumatiska manöverdon baserade på silikon gjutning är tidskrävande (flera timmar). De resulterar också i starka men skrymmande ställdon, vilket begränsar ställets tillämpningar. Dessutom är mikrofabrikation av tunna pneumatiska manöverdon både tidskrävande och dyrt. Den föreslagna tillverkningsmetoden i det nuvarande arbetet löser dessa frågor genom att införa en snabb, enkel och kostnadseffektiv tillverkningsmetod av ultratunna pneumatiska manöverdon.
Introduction
Som ett steg framåt i tillverkningen av mjuka pneumatiska manöverdon, den föreslagna metoden illustrerar snabb tillverkning av ultratunna (~ 70 μm) pneumatiska manöverdon tillverkade av termoplastisk polyuretan (TPU)1. Dessa manöverdon är särskilt användbara i applikationer som kräver att robotarna är lätta och/eller passar inom små utrymmen. Sådana program kan vara tänkt att vara Transcatheter kirurgiska manipulatorer, bärbara manöverdon, Sök-och räddnings robotar, och flygande eller simning robotar.
Den konventionella tillverkningsmetoden av tunna mjuka pneumatiska manöverdon, som är baserad på silikon gjutning, är tidskrävande (flera timmar) och mycket utmanande på grund av den låga upplösningen av 3D tryckta formar och svårigheter i urtagning av tunna (mindre än 0,5 mm) manöverdon. I synnerhet kräver tillverkning av tunna manöverdon tillämpning av specialiserade verktyg och metoder2.
Mikrofabrikationsteknik kan antas för att tillverka tunna manöverdon3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. utvecklat tunna pneumatiska manöverdon med membran mikroprägling8. Dessa metoder, även om effektiva, kräver dyra verktyg och är tidskrävande. Således har de begränsade tillämpningar.
PAEK et al. demonstrerade en enkel metod för tillverkning av småskaliga mjuka ställdon med Dopplackering av cylindriska mallar2. Även om det är effektivt, det finns två problem med utbredd tillämpning av denna metod: för det första är det inte lätt att kontrollera tjockleken på DIP-belagda funktioner, och för det andra, dess tillämpning är begränsad till ett begränsat antal tredimensionella (3D) mönster.
Peano manöverdon9,10 och Pouch Motors11,12 har kompakta tvådimensionella (2D) konstruktioner som resulterar i tunna formfaktorer (dvs. stora ytor med liten tjocklek). Veale et al. rapporterad utveckling av linjära Peano ställdon tillverkade av armerad plast och textil-silikon kompositer1,8. Niiyama et al. utvecklade påse motorer med termoplastiska filmer tillverkade av värme prägling och värme dragnings system11,12.
Medan 2D utformningen av Peano manöverdon och påse motorer gör dem mycket tunna i deras oanade tillstånd, på inflationen deras noll-volym kammaren expanderar till en relativt stor volym, vilket begränsar deras ansökan om drift i begränsade utrymmen såsom Transcatheter terapier eller Sök-och räddningsuppdrag1. I motsats till dessa konstruktioner kan de föreslagna mjuka ställdon i den nuvarande metoden aktiveras med relativt små stammar. Således även i det aktiverades tillstånd de upptar relativt små utrymmen1.
Protocol
1. jämna ut TPU-bladen genom att värma
- Kalibrera en kraftsensor som ska användas i värmepressen.
- Sandwich kraft sensorn mellan två lager av silikon (50 mm x 50 mm x 3 mm tjock). Placera kraft sensorn och silikon lagren mellan kompressions Platens/anvils av drag maskinen. Minska avståndet mellan Platens genom att vrida på vredet av värme tryck medurs och skriv ner kraften och motståndet av sensorn.
- Mät sensorns område med hjälp av en digital bromsbroms och fördela kraftvärden genom det uppmätta området för att erhålla tryckdata. Anpassa en linjär linje till data för tryck kontra resistens med hjälp av ett kalkylblad för att kalibrera sensorn.
- Placera kraft sensorn inuti värmepressen och vrid på Tryck knappen tills ett tryck på ~ 200 kPa läses från sensorn.
- Använd handskar för att undvika kontaminering av TPU-filmerna.
- Skär fyra skikt av TPU med sax eller en laserskärare för att passa värme press plattorna (30 mm x 30 mm). Placera de fyra arken så att alla fyra kanterna är justerade.
- Placera TPU-arken inuti värmepressen.
- Ställ in temperaturen på värmepressen till ~ 200 ° f (~ 93 º c). Stäng värmepressen helt.
- Håll filmerna inne i värmepressen i 10 min. öppna värmepressen och ta bort de laminerade TPU-filmerna för laser klippning i steg 3,12.
2. hitta optimala laser parametrar
- Som beskrivs i avsnitt 1, värm Tryck två skikt av TPU.
- Med hjälp av datorstödd design (CAD) programvara, designa en kvadrat med 20 mm sidor och en rektangel av 4 mm x 8 mm som kommer att fungera som inloppet till den fyrkantiga ballongen.
- Laserskär/svetsa kvadratmönstret från steg 2,2 från TPU-lagren från steg 2,1 med följande inställningar i laserskäraren programvara: Ställ pulser per tum (PPI) till 500, variera effekten från 10% till 100%, och för varje värde av effekt varierar hastigheten från 10% till 100%.
- Skär slutet av öppningen av torget ballong med sax.
- Sätt in en nål inuti torget ballong inloppet, applicera lim (tabell över material) runt den, och Linda polytetrafluoroethene (PTFE) tejp runt anslutningen.
Obs: efter 5 min den är klar att använda. - Identifiera den genomsnittliga sprängtryck av torget ballong genom att blåsa upp den med en exakt vätska dispenser.
- Öka trycket av ballongen med hjälp av den exakta vätskan dispensern tills det brister. Mät och skriv ner sprängtryck. Upprepa detta steg 5x och få det genomsnittliga burst-trycket.
- Upprepa steg 2.1 − 2.7 för hela utbudet av kraft-och hastighetsvärden och identifiera det maximala sprängtryck som finns i kvadratballongen och dess tillhörande effekt-och hastighetsvärden som optimala parametrar för lasermaskinen.
3. fabricera manöverdon med laserskärning/svetsning
- Designa önskat aktiveringsmönster med hjälp av CAD-program.
Obs: AutoCAD 2017 används i detta protokoll. - Välj hela designen i CAD-programmet genom att markera alla segment av designen.
- Ändra linje vikten till 0 mm för att programvaran ska skrivas ut till laserskäraren i Aktivitetsfältet under avsnittet Egenskaper .
- Välj Skriv uti Aktivitetsfältet. Ändra skrivarens namn till "VLS 2.30" i menyn.
- I skrivarinställningarnaväljer du pappersstorlek som användardefinierad liggande.
- I avsnittet tomt skala avmarkerar du alternativet Anpassa till papper och skalar sedan bildstorleken till 1 mm = en längdenhet.
- I Plot offset (ursprung inställd på utskrivbart område) kontrollera centrera handlingen alternativet.
- Slå på luftfiltret genom att trycka på strömbrytaren.
- Slå på laserskäraren genom att trycka på strömbrytaren eller genom att klicka på Power-ikonen på programvaran Universal laser system Control Panel .
- Ange hastigheten = 60%, PPI = 500 och effekt = 80% i inställnings alternativet.
Obs: dessa parametrar kan behöva ändras baserat på den specifika lasereffekten hos det system som används. - Med fokus visnings verktyget flyttar du laserpekaren till det vänstra övre hörnet och det nedre högra hörnet av mönstret för att se till att hela mönstret passar in i de laminerade TPU-filmerna (30 mm x 30 mm) som gjorts i steg 1,10.
- För att fokusera lasermaskinen, flytta lins vagnen till mitten av bordet. Placera fokusverktyget på bordet och flytta bordet tills toppen av fokusverktyget vidrör framsidan av linsen vagnen. Sedan, flytta bordet upp långsamt tills linsen vagnen träffar skåran av fokusverktyget och stötar det framåt.
Obs: lasern är fokuserad och klar för användning med parametrarna i 3,11. - Utan att ändra positionen för TPU arket, kör lasern igen, men minska hastigheten = 55%, öka effekten = 85%, och hålla PPI = 500.
- Utför en tredje körning av lasern för att säkerställa att det inte finns några läckor i manöverdonet. Ställ in hastigheten = 50%, öka effekten = 90% och behåll PPI = 500.
4. limning av rostfrittstål dispenseringsnålar med luer lock anslutning
- Kapa änden av ballong ställets inlopp med sax.
- Sätt i en nål inuti ballong ställets inlopp, applicera lim runt den, och Linda PTFE tejp runt anslutningen.
Obs: efter 5 min den är klar att använda.
5. karakterisering av mjuka manöverdon
- Montera en kamera över manöverdonet med tillräckligt avstånd så att manöverdonet är i full vy i kameran i både dess trycksatta och otrycksatta tillstånd.
- Håll ställdon i en riktning så att dess deformering vid trycksättning är ortogonalt till kameran.
- Öka trycket på manöverdonet med en exakt vätske automat tills den reflekterar i sitt fulla sortiment utan att sprängas. Anta hela sortimentet som den maximala deformationen av manöverdonet utan någon plastisk deformation eller läckage eller sprängning på grund av överinflation.
- Öka manöverdonets tryck tills den når ~ 20% av hela sortimentet och skriv ner trycket.
- Ta en bild av manöverdonet med kameran från steg 5,1 och Använd sedan ett bildbehandlings program (t. ex. imageJ) för att mäta X-och Y-koordinaterna för spetsen på manöverdonet i bilden.
- Upprepa steg 5,4 och 5,5 tills du når hela intervallet av manöverdonets utböjning.
- Rita en X-Y-Graf över ställets utböjning kontra inflationstrycket med hjälp av en plottning programvara.
Representative Results
För att demonstrera den föreslagna metoden visar vi tillverkningen av ett enda bocknings Don. För att tillverka detta manöverdon, fyra ark TPU av dimensionen 25 cm x 25 cm klipptes, staplas tillsammans, och sedan utjämnas med hjälp av en värme tryck (figur 1a). Efter protokollet applicerades värmepressen i 10 minuter vid en inställd temperatur på 200 ° f. Rynkor i laminerade lakan kan resultera i problem med limning under laserskär steget, därför säkerställa en helt slät yta är avgörande för reproducerbara resultat. Till exempel visar figur 1b en resulterande laminering som innehåller rynkor som inte ger önskat resultat, medan figur 1c visar en resulterande laminering som är tillräckligt platt för att ge önskat resultat.
Den 2D utformningen av pneumatiska ställdon drogs i AutoCAD. Detta manöverdon gjordes helt enkelt genom att rita en rektangel av 8 mm x 150 mm. Ett linjärt mönster av åtta linjer, var 1,34 mm långt, lades till mitten av konstruktionen med ett avstånd på 10 mm (markerat i rött i figur 2). Slutligen utformades öppningen av manöverdonet (markerat i blått i figur 2) genom att tillsätta en öppen rektangel med 4 mm x 8 mm. En AutoCAD-fil (. dwg) för det här provet linjära ställdon finns i kompletterande material.
Den laminerade fyr skikts stacken av TPU placerades sedan i laserskärmaskinen (figur 3a) och 2D-designen importerades med hjälp av laserskär maskinens programvara. Fokuserings verktyget på laser fräsen kontrollerade placeringen av 2D-ritningens position på de laminerade TPU-arken. För en första körning, var laserskurna inställd på hastighet = 60%, effekt = 80%, och PPI = 500. När den var klar, utan att ändra placeringen av polyuretanarken, en andra körning med nya inställningar startades vid hastighet = 55%, effekt = 85%, och PPI = 500. Samma process upprepades med nya inställningar för en tredje gång vid hastighet = 50%, effekt = 90% och PPI = 500. Att minska hastigheten och öka effekten exponerar pneumatiskt ställdon till värmekällan under en längre tid och gör det möjligt att smälta och binda för att säkerställa en läckagefri ballong som kan separeras från resten av TPU-arket lätt (figur 3b). Det bör noteras att laser Cutter är alltid samtidigt klippa och svetsa TPU; skärning och svetsning görs inte i separata steg eller uppnås genom olika inställningar.
För att koppla ställdon till en lufttillförsel, var öppningen av manöverdonet skuren med sax och en rostfri nål (figur 4b) sattes in mellan andra och tredje skikt av laserskurna ställdon. För att bibehålla ett läckagefritt system täcktes utsidan av nålen i förväg (figur 4c). Då gränssnittet av manöverdonet och rostfrittstål nål var lindade tätt med PTFE tejp (figur 4D).
Slutligen, med hjälp av en digital vätska dispenser, det pneumatiska manöverdonet (figur 5a) var uppblåsta till ett tryck på 5 PSI att iaktta en deformationen i den region där utbudet av linjer utformades (Figur 5b).
Figur 1: värme pressning av plåt. A) bild av värmepressen med de TPU-ark som ska lamineras. (B) exempel bild av dåligt laminerade ark med överdrivna rynkor. (C) exempel bild av framgångsrikt laminerade ark med en slät yta. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: konstruktion av manöverdon. Bild av en CAD-ritning som används för att bilda ett enda bocknings Don. Botten designen visar konturerna av manöverdonet, mitten designen visar en enda rad läggas som en bockning funktion, och den översta designen visar en komplett ställdon. Den röda rutan belyser de funktioner som utgör den bockande regionen av manöverdonet. Den blå rutan belyser regionen för att ansluta en nål för trycksättning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: laserskärare. (A) bild av de laminerade arken i en laserskärare. (B,C) Bild på manöverdonet som ska avlägsnas efter laserskärning. C) bild av manöverdonet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 4: nålens anslutning. Bilder som skildrar stegen för att ansluta en trubbig nål (a) till en ballong ställdon med lim (B) som ett lim. Nålen sätts in i den smala änden av manöverdonet, som öppnas med sax (C) och förseglas med PTFE tejp (D). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: böj manöverdon. (A) bild av manöverdonet i otrycksatt tillstånd. B) bild av manöverdonet i trycksatt tillstånd. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande material. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Discussion
De kritiska stegen i tillverkningen av de mjuka ställdon inkluderar: i) 2D CAD-design. En ordentlig 2D-layout kan diktera deformationen av manöverdonet (t. ex. linjär, biaxiell, bockning och rotations rörelse). II) laminering av TPU-lagren. Den TPU filmer är värmen pressas innan laserskärning för att se till att lagren är platt och i konforma kontakt överallt. III) laserskurna/svetsa. Som det sista steget är de laminerade TPU-lagren laserskurna/svetsade till mjuka ställdon.
Protokollets framgång kan ge en avkastning på 100% (till exempel har vi gjort 20 manöverdon samtidigt). Den primära faktorn är laminering steg: för att få bästa resultat, bör TPU tillplattas så mycket som möjligt innan värmen press processen. Att undersöka olika områden av värme pressplattan med en kraftsensor kan visa att tryck fördelningen inte är enhetlig. Icke-enhetlig tryckfördelning kan resultera i ofullständig laminering av TPU ark, vilket i sin tur resulterar i ofullkomliga laserskärning/svetsning och läckage. Alternativt kan en icke-enhetlig värmeöverföring på grund av små rynkor i TPU-filmen under laserskärning/svetsning orsaka läckage.
I jämförelse med konventionella metoder har den föreslagna metoden flera fördelar, bland annat: i) enkel 2D-design. Medan den nuvarande metoden kräver bara 2D CAD-konstruktioner för att laserskära/svetsa manöverdon (olika mönster finns tillgängliga1), den konventionella tillverkningsmetoder baserade på silikon gjutning kräver en 3D mögel design. II) snabb tillverkning. Tillverkningstid från CAD-design till laminering av TPU-skikt och laserskärning/svetsning kan ske i flera minuter, medan den konventionella tillverkningsmetoden kommer att ta flera timmar. Genom att tillåta tillverkning av mjuka enheter och mjuka robotar i ett enda steg, utan montering, kan mjuka robotar och apparater utformas från en kombination av olika typer av manöverdon, och CAD-modellen kan laserskäras/svetsas in i slutprodukten i ett enda steg utan att någon montering krävs. Till exempel, en simning robot, bestående av fyra ben vardera bestående av två typer av bockning manöverdon, är tillverkad av en 2D CAD-design på bara några minuter utan att kräva några monteringssteg, som tidigare visat1.
Som en framtida riktning av detta arbete, kan olika typer av termoplastiska material antas för tillverkning av de mjuka ställdon. I allmänhet måste dessa material ha elastiskt beteende som ska användas som ställdon. Tillämpningen av styvare termoplastiskt material kommer att resultera i högre sprängtryck och högre blockerande kraft av ställdon jämfört med de som tidigare karakteriserats i figur S6 av Moghadam et al.1, visar styrkor upp till 0,1 N. Således kan den förlänga tillämpningen av manöverdon till fall där högre blockerande kraft krävs, såsom exoskelett sviter.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Dalio Institute of Cardiovascular Imaging för att finansiera detta arbete.
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 |
References
- Moghadam, A. A. A., et al. Laser Cutting as a Rapid Method for Fabricating Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots. Soft Robotics. 5 (4), 443-451 (2018).
- Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes. Scientific Reports. 5, (2015).
- Gorissen, B., et al. Flexible pneumatic twisting actuators and their application to tilting micromirrors. Sensors and Actuators A-Physical. 216, 426-431 (2014).
- Gorissen, B., De Volder, M., De Greef, A., Reynaerts, D. Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators. Sensors and Actuators A-Physical. 168 (1), 58-65 (2011).
- Jeong, O. C., Konishi, S. All PDMS pneumatic microfinger with bidirectional motion and its application. Journal of Microelectromechanical Systems. 15 (4), 896-903 (2006).
- Konishi, S., Shimomura, S., Tajima, S., Tabata, Y. Implementation of soft microfingers for a hMSC aggregate manipulation system. Microsystems & Nanoengineering. 2, (2016).
- Lu, Y. W., Kim, C. J.
- Ikeuchi, M., Ikuta, K. Development of Pressure-Driven Micro Active Catheter using Membrane Micro Emboss Following Excimer Laser Ablation (MeME-X) Process. 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , Kobe, Japan. (2009).
- Sanan, S., Lynn, P. S., Griffith, S. T. Pneumatic Torsional Actuators for Inflatable Robots. Journal of Mechanisms and Robotics. 6 (3), 031003 (2014).
- Veale, A. J., Xie, S. Q., Anderson, I. A. Modeling the Peano fluidic muscle and the effects of its material properties on its static and dynamic behavior. Smart Materials and Structures. 25 (6), (2016).
- Niiyama, R., Rognon, C., Kuniyoshi, Y. Printable Pneumatic Artificial Muscles for Anatomy-based Humanoid Robots. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , Seoul, South Korea. (2015).
- Niiyama, R., et al. Pouch Motors: Printable Soft Actuators Integrated with Computational Design. Soft Robotics. 2 (2), 59-70 (2015).
