Hurtig fremstilling af tynde, bløde pneumatiske aktuatorer og robotter

Summary

Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en tynd formfaktor. Den fabrikationsmetode starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark efterfulgt af laserskæring/svejsning af et todimensionalt mønster til at danne aktuatorer og robotter.

Abstract

Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en ultratynd formfaktor ved hjælp af en varme presse og en laser cutter maskine. Metoden starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark ved hjælp af en varme presse for 10 min ved temperaturen på ~ 93 °C. Dernæst er parametrene for laser cutter maskinen optimeret til at producere en rektangulær ballon med maksimal burst tryk. Ved hjælp af de optimerede parametre, er de bløde aktuatorer laserskåret/svejset tre gange sekventielt. Dernæst er en dispenserings kanyle fastgjort til aktuatoren, så den kan oppustet. Effekten af geometriske parametre på aktuatorens deformation er systematisk undersøgt ved at variere kanalens bredde og længde. Endelig er aktuatorens ydeevne karakteriseret ved hjælp af et optisk kamera og en væske dispenser. Konventionelle fabrikationsmetoder af bløde pneumatiske aktuatorer baseret på silikone støbning er tidskrævende (flere timer). De resulterer også i stærke, men voluminøse aktuatorer, som begrænser aktuatorens applikationer. Desuden er mikrofabrikation af tynde pneumatiske aktuatorer både tidskrævende og dyrt. Den foreslåede fremstillingsmetode i det nuværende arbejde løser disse problemer ved at indføre en hurtig, enkel og omkostningseffektiv fabrikationsmetode for ultratynde pneumatiske aktuatorer.

Introduction

Som et skridt fremad i fremstillingen af bløde pneumatiske aktuatorer illustrerer den foreslåede metode hurtig fabrikation af ultratynde (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer fremstillet af termoplastisk polyurethan (TPU)¹. Disse aktuatorer er særligt nyttige i applikationer, der kræver, at robotterne er lette og/eller passer i små rum. Sådanne applikationer kan forestillede sig at være Trans kirurgiske manipulatorer, wearable aktuatorer, eftersøgnings-og rednings robotter, og flyvende eller svømning robotter.

Den konventionelle fremstillingsmetode for tynde bløde pneumatiske aktuatorer, som er baseret på silikone støbning, er tidskrævende (flere timer) og meget udfordrende på grund af den lave opløsning af 3D trykte forme og vanskeligheder i demolding af tynde (mindre end 0,5 mm) aktuatorer. Især kræver fabrikation af tynde aktuatorer anvendelse af specialiserede værktøjer og metoder².

Mikrofabrikations teknikker kan vedtages for at fabrikere tynde aktuatorer^3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. udviklet tynde pneumatiske aktuatorer ved hjælp af membran mikro-prægning⁸. Disse metoder, selv om de er effektive, kræver dyre værktøjer og er tidskrævende. Således har de begrænsede ansøgninger.

Paek et al. demonstrerede en enkel metode til fremstilling af små bløde aktuatorer ved hjælp af DIP-coating af cylindriske skabeloner². Selv om effektiv, der er to spørgsmål med udbredt anvendelse af denne metode: for det første er det ikke let at kontrollere tykkelsen af de dip-belagte funktioner, og for det andet, dens anvendelse er begrænset til et begrænset antal tredimensionale (3D) designs.

Peano aktuatorer^9,10 og pose motorer^11,12 har kompakte to-dimensionelle (2D) designs, der resulterer i tynde formfaktorer (dvs. store områder med lille tykkelse). Veale et al. rapporteret udvikling af lineære peano aktuatorer fremstillet af forstærket plast og tekstil-silikone^{kompositter1,8}. Niiyama et al. udviklet pose motorer ved hjælp af termoplastiske film fremstillet af varme stempling og varme tegning systemer^11,12.

Mens 2D design af peano aktuatorer og pose motorer gør dem meget tynde i deres ikke-aktiverede tilstand, ved inflation deres Zero-Volume kammer udvider til et relativt stort volumen, hvilket begrænser deres anvendelse til drift i begrænsede rum såsom Trans terapier eller eftersøgnings-og redningsmissioner¹. I modsætning til disse designs kan de foreslåede bløde aktuatorer i den nuværende metode aktiveres med relativt små belastninger. Således, selv i den aktuerede tilstand de indtager relativt små rum¹.

Protocol

1. udglatning af TPU-arkene ved varme presning

1. Kalibrer en kraft sensor, der skal bruges i varmepressen.
   1. Sandwich kraft sensoren mellem to lag silikone (50 mm x 50 mm x 3 mm tyk). Placer kraft sensoren og silikone lagene mellem kompressions pladerne/anvils af træk maskinen. Formindsk afstanden mellem pladerne ved at dreje knappen på varmen tryk med uret og nedskrive styrken og modstanden af sensoren.
   2. Måle arealet af sensoren ved hjælp af en digital caliper og opdele kraft værdierne af det målte område for at opnå de trykdata. Sæt en lineær linje til tryk versus modstands data ved hjælp af et regneark for at kalibrere sensoren.
2. Placer kraft sensoren inde i varmepressen, og drej Tryk knappen, indtil et tryk på ~ 200 kPa aflæses fra sensoren.
3. Bær handsker for at undgå kontaminering af TPU-filmene.
4. Skær fire lag TPU med saks eller en laserskærer til at passe varmepressen plader (30 mm x 30 mm). Placer de fire ark, så alle fire kanter er justeret.
5. Placer TPU-arkene inde i varmepressen.
6. Indstil temperaturen på varmepressen til ~ 200 °F (~ 93 °C). Luk varmepressen fuldt ud.
7. Hold filmene inde i varmepressen i 10 min. Åbn varmepressen og fjern de laminerede TPU-film, der skal laser skæres i trin 3,12.

2. Find de optimale laser parametre

1. Som beskrevet i afsnit 1, varme Tryk to lag TPU.
2. Brug computer-aided design (CAD) software, designe en firkant med 20 mm sider og et rektangel på 4 mm x 8 mm, der vil fungere som indgangen til den firkantede ballon.
3. Laser cut/Weld det firkantede mønster fra trin 2,2 ud af TPU lag fra trin 2,1 ved hjælp af følgende indstillinger i laser cutter software: sæt pulser pr. tomme (PPI) til 500, variere strømmen fra 10% til 100%, og for hver værdi af magt variere hastigheden fra 10% til 100%.
4. Skær enden af indgangen af den firkantede ballon med saks.
5. Indsæt en nål inde i den firkantede ballon indløb, anvende lim (tabel over materialer) omkring det, og wrap polytetrafluorethene (PTFE) tape omkring forbindelsen.
   Bemærk: efter 5 min er den klar til brug.
6. Identificer det gennemsnitlige brast tryk i den firkantede ballon ved at puste det med en præcis væske dispenser.
7. Forøg trykket af ballonen ved hjælp af den præcise væske dispenser, indtil den brister. Mål og Nedskriv brast trykket. Gentag dette trin 5x og få det gennemsnitlige brast tryk.
8. Gentag trin 2.1-2.7 for hele spektret af effekt-og hastighedsværdier, og Identificer det maksimale burst-tryk i den firkantede ballon og de tilhørende effekt-og hastighedsværdier som de optimale parametre for laser maskinen.

3. opdigte Aktuatorerne ved laserskæring/svejsning

1. Design det ønskede aktuatormønster ved hjælp af CAD-software.
   Bemærk: AutoCAD 2017 bruges i denne protokol.
2. Vælg hele designet i CAD-softwaren ved at fremhæve alle segmenter af designet.
3. På proceslinjen under sektionen Egenskaber skal du ændre streg vægten til 0 mm, så softwaren udskrives korrekt til laser fræseren.
4. Vælg Udskrivpå proceslinjen. Skift printernavnet til "VLS 2.30" i menuen.
5. Vælg papirstørrelsen som Brugerdefineret landskabi printer indstillingerne.
6. I afsnittet plot Scale skal du fravælge indstillingen Tilpas til papir og derefter skalere billedstørrelsen som 1 mm = en enhed af længden.
7. I plottet forskydning (oprindelse indstillet til udskriftsområde) Kontroller centrum indstillingen plot .
8. Tænd for luftfilteret ved at trykke på afbryderknappen.
9. Tænd for laser fræseren ved at trykke på afbryderknappen eller ved at klikke på tænd/sluk-ikonet på Universal laser system-kontrolpanelets software.
10. I indstillingen indstilling , Indstil hastigheden = 60%, PPI = 500, og power = 80%.
    Bemærk: disse parametre skal muligvis ændres baseret på den specifikke laser effekt i det system, der anvendes.
11. Brug værktøjet Fokusvisning til at flytte laser markøren til venstre øverste hjørne og nederste højre hjørne af mønsteret for at sikre, at hele mønsteret passer ind i de LAMINEREDE TPU-film (30 mm x 30 mm) fremstillet i trin 1,10.
12. For at fokusere laser maskinen skal du flytte linse vognen til midten af bordet. Placer fokus værktøjet på bordet, og Flyt bordet, indtil toppen af fokus værktøjet rører forsiden af objektiv vognen. Flyt derefter bordet langsomt op, indtil linse vognen rammer fokus værktøjets hak og bumper den fremad.
    Bemærk: laseren er fokuseret og klar til brug med parametrene i 3,11.
13. Uden at ændre placeringen af TPU-arket, køre laseren igen, men sænke hastigheden = 55%, øge strømmen = 85%, og holde PPI = 500.
14. Udfør en tredje kørsel af laseren for at sikre, at der ikke er lækager i aktuatoren. Indstil hastigheden = 50%, Forøg strømmen = 90%, og Behold PPI = 500.

4. limning af rustfrit stål dispenserings nåle med en luer Lock forbindelse

1. Skær enden af ballonen aktuator indløb med saks.
2. Indsæt en nål inde i ballonen aktuator indløb, anvende lim omkring det, og wrap PTFE tape omkring forbindelsen.
   Bemærk: efter 5 min er den klar til brug.

5. karakterisering af de bløde aktuatorer

1. Monter et kamera over aktuatoren med en tilstrækkelig afstand, så aktuatoren er i fuld visning i kameraet i både tryk-og under trykede tilstande.
2. Hold aktuatoren i en retning, således at dens afbøjning ved tryk sering er ortogononal til kameraet.
3. Forøg trykket af aktuatoren med en præcis væske dispenser, indtil den bøjer sig i sit fulde sortiment uden at sprænge. Påtage sig hele spektret som den maksimale afbøjning af aktuatoren uden nogen form for plastisk deformation eller lækage eller sprængning på grund af over inflation.
4. Forøg aktuatortrykket, indtil det når ~ 20% af hele spektret og Nedskriv trykket.
5. Tag et billede af aktuatoren ved hjælp af kameraet fra trin 5,1, og brug derefter en billedbehandlings software (f. eks. imageJ) til at måle X-og Y-koordinaterne for spidsen af aktuatoren i billedet.
6. Gentag trin 5,4 og 5,5, indtil hele spektret af aktuatorafbøjning er nået.
7. Plot en X-Y graf af aktuatorens afbøjning versus inflationstrykket ved hjælp af en plotte software.

Representative Results

For at demonstrere den foreslåede metode viser vi fremstillingen af en enkelt bøjnings aktuator. For at fabrikere denne aktuator blev fire ark TPU af dimension 25 cm x 25 cm skåret, stablet sammen og derefter udjævnet ved hjælp af en varme presse (figur 1a). Efter protokollen blev varmepressen anvendt i 10 minutter ved en fast temperatur på 200 °F. Rynker i de laminerede ark kan resultere i problemer med limning under laserskæring trin, derfor sikre en perfekt glat overflade er afgørende for reproducerbare resultater. For eksempel viser figur 1b en resulterende laminering, der indeholder rynker, der ikke vil give ønskede resultater, mens figur 1c viser en resulterende laminering, der er tilstrækkelig flad til at producere de ønskede resultater.

Den pneumatiske aktuator's 2D-design blev tegnet i AutoCAD. Denne aktuator blev lavet blot ved at tegne et rektangel på 8 mm x 150 mm. Et lineært mønster på otte linjer, hver 1,34 mm lang, blev føjet til midten af designet med en afstand på 10 mm (fremhævet med rødt i figur 2). Endelig er åbningen af aktuatoren (fremhævet med blåt i figur 2) designet ved at tilføje et åbent rektangel på 4 mm x 8 mm. Der findes en AutoCAD-fil (. dwg) til denne eksempel lineære aktuator i det supplerende materiale.

Den laminerede firelags stak af TPU blev derefter placeret i laserskæremaskinen (figur 3a) og 2D-designet blev importeret ved hjælp af softwaren til laserskæremaskinen. Fokus værktøjet på laser fræseren kontrollerede pasformen af 2D-tegningens position på de LAMINEREDE TPU-plader. For en første kørsel, laser cut blev sat til hastighed = 60%, Power = 80%, og PPI = 500. Når det var afsluttet, uden at ændre placeringen af polyurethan ark, en anden kørsel med nye indstillinger blev startet ved hastighed = 55%, Power = 85%, og PPI = 500. Den samme oparbejde var gentagen hos ny opsætning nemlig en tredjedel gang henne ved hastighed = 50%, kraft = 90%, og PPI = 500. Faldende hastighed og øge strømmen udsætter pneumatisk aktuator til varmekilden i længere tid og gør det muligt at smelte og obligation for at sikre en lækage-fri ballon, der kan adskilles fra resten af TPU ark let (figur 3b). Det skal bemærkes, at laser cutter er altid samtidig skære og svejsning TPU; skæring og svejsning udføres ikke i separate trin eller opnås ved forskellige indstillinger.

For at koble aktuatoren til en luft Forsyningsenhed blev aktuatorens åbning skåret med en saks, og der blev indsat en nål af rustfrit stål (figur 4b) mellem det andet og tredje lag af den laserskårne aktuator. For at opretholde et lækagefrit system var yder nålen dækket af lim på forhånd (figur 4c). Så grænsefladen af aktuatoren og rustfri stål nål var pakket stramt med PTFE tape (figur 4d).

Endelig blev den pneumatiske aktuator (figur 5a) med en digital væske dispenser oppustet til et tryk på 5 psi for at observere en afbøjning i den region, hvor rækken af linjer var konstrueret (figur 5b).

Figur 1: varme pressark. A) billede af varmepressen med de TPU-plader, der skal lamineres. (B) eksempelbillede af dårligt laminerede plader med overdreven rynker. (C) eksempelbillede af vellykkede laminerede ark med en glat overflade. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Aktuatordesign. Billede af en CAD-tegning, der bruges til at danne en enkelt bøjnings aktuator. Det nederste design viser konturen af aktuatoren, det midterste design viser en enkelt linje tilføjet som en bøjning funktion, og det øverste design viser en komplet aktuator. Den røde boks fremhæver de funktioner, der danner bøjnings regionen på aktuatoren. Den blå boks fremhæver regionen for tilslutning af en nål til tryk. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: laser cutter. A) billede af de laminerede plader i en laserskærer. (B,C) Billede af aktuatoren, der skal fjernes efter laserskæring. (C) billede af aktuatoren. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: tilslutning af nåle. Billeder, der skildrer trinene for tilslutning af en stump nål (a) til en ballon aktuator ved hjælp af lim (B) som et klæbemiddel. Nålen indsættes i den smalle ende af aktuatoren, som åbnes ved hjælp af en saks (C) og FORSEGLET med PTFE tape (D). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: bøjning aktuator. (A) billede af aktuatoren i en utrykket tilstand. (B) billede af aktuatoren i en Tryk tilstand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende materiale.   Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

De kritiske trin i fremstillingen af de bløde aktuatorer omfatter: i) 2D CAD-designet. En korrekt 2D layout kan diktere deformation af aktuatoren (f. eks lineær, biaksial, bøjning, og roterende bevægelse). II) laminering af TPU-lagene. TPU-filmene er varme presset før laserskæring for at sikre, at lagene er flade og i konformal kontakt overalt. III) laser skæring/svejsning. Som det sidste trin, de laminerede TPU lag er laserskåret/svejset i bløde aktuatorer.

Succesraten for protokollen kan producere en 100% afkast (for eksempel har vi gjort 20 aktuatorer samtidigt). Den primære faktor er laminering trin: for at opnå de bedste resultater, TPU skal flades så meget som muligt før varmepressen proces.  Undersøge forskellige områder af varmen trykplade med en kraft sensor kan vise, at trykfordelingen ikke er ensartet. Ikke-ensartet trykfordeling kan resultere i ufuldstændig laminering af TPU-arkene, hvilket igen resulterer i ufuldstændig laserskæring/svejsning og lækage. Alternativt kan ikke-ensartet varmeoverførsel på grund af små rynker i TPU-filmen under laserskæring/svejsning forårsage lækage.

I forhold til de konventionelle metoder, den foreslåede metode har flere fordele, herunder: i) simple 2D design. Mens den nuværende metode kræver kun 2D CAD designs til laser cut/Weld Aktuatorerne (forskellige mønstre er tilgængelige¹), de konventionelle fabrikationsmetoder baseret på silikone støbning kræver en 3D skimmel design. II) hurtig fabrikation. Fabrikation tid fra CAD design til laminering af TPU lag og laserskæring/svejsning kan ske i flere minutter, mens den konventionelle fabrikation metode vil tage flere timer. Ved at tillade fremstilling af bløde enheder og bløde robotter i et enkelt trin, uden montage, kan bløde robotter og enheder designes fra en kombination af forskellige typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laser skæres/svejses i det endelige produkt i et enkelt trin uden at kræve nogen samling. For eksempel, en svømning robot, består af fire ben hver består af to typer af bøjning aktuatorer, er fremstillet af et 2D CAD-design på blot et par minutter uden at kræve nogen montagetrin, som tidligere demonstreret¹.

Som en fremtidig retning af dette arbejde, kan forskellige typer af termoplastiske materialer vedtages til fremstilling af bløde aktuatorer. Generelt, disse materialer skal have elastisk adfærd, der skal anvendes som aktuatorer. Anvendelse af stivere termoplastisk materiale vil resultere i højere burst tryk og højere blokerende kraft af Aktuatorerne sammenlignet med dem, der tidligere er karakteriseret i figur S6 af Moghadam et al.¹, viser styrker op til 0,1 N. Således kan det udvide anvendelsen af Aktuatorerne til tilfælde, hvor højere blokerende kraft er påkrævet, såsom Exoskelet suiter.

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