Rask fremstilling av tynne, myke pneumatiske aktuatorer og roboter

Summary

Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en tynn formfaktor. Den fabrikasjon metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark etterfulgt av laserskjæring/sveising av en todimensjonal mønster for å danne aktuatorer og roboter.

Abstract

Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en ultratynne formfaktor ved hjelp av en varmepresse og en laser kutter maskin. Metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark ved hjelp av en varme trykk i 10 min ved temperaturen på ~ 93 ° c. Deretter er parametrene av laser kutter maskinen optimalisert for å produsere en rektangulær ballong med maksimal burst press. Ved hjelp av de optimaliserte parametrene, er de myke aktuatorer laserskåret/sveiset tre ganger sekvensielt. Deretter er en doserings nål festet til aktuatoren, slik at den kan blåses opp. Effekten av geometriske parametre på utslag av aktuatoren er studert systematisk ved å variere kanalen bredde og lengde. Til slutt er ytelsen til aktuatoren karakterisert ved hjelp av et optisk kamera og en væske dispenser. Konvensjonelle fabrikasjon metoder for myke pneumatiske aktuatorer basert på silikon molding er tidkrevende (flere timer). De kan også resultere i sterke, men store aktuatorer, som begrenser aktuatoren sine applikasjoner. Videre er microfabrication av tynne pneumatiske aktuatorer både tidkrevende og kostbart. Den foreslåtte Produksjonsmetoden i det gjeldende arbeidet løser disse problemene ved å innføre en rask, enkel og kostnadseffektiv produksjonsmetode for ultratynne pneumatiske aktuatorer.

Introduction

Som et skritt fremover i produksjon av myke pneumatiske aktuatorer, den foreslåtte metoden illustrerer rask fabrikasjon av ultratynne (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer laget av termoplastisk polyuretan (TPU)¹. Disse aktuatorer er spesielt nyttige i programmer som krever at robotene skal være lette og/eller passe i små områder. Slike programmer kan seg å være kateter kirurgisk manipulators, bærbare aktuatorer, søk og redning roboter, og flygende eller svømming roboter.

Den konvensjonelle Produksjonsmetoden av tynne myke pneumatiske aktuatorer, som er basert på silikon molding, er tidkrevende (flere timer) og svært utfordrende på grunn av den lave oppløsningen av 3D trykte muggsopp og vanskeligheter i demolding av tynne (mindre enn 0,5 mm) aktuatorer. Spesielt, fabrikasjon av tynne aktuatorer krever anvendelse av spesialiserte verktøy og metoder².

Microfabrication teknikker kan vedtas for å dikte tynne aktuatorer^3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. utviklet tynne pneumatiske aktuatorer ved hjelp av membran mikro-preging⁸. Disse metodene, men effektive, krever dyre verktøy og er tidkrevende. Dermed har de begrensede applikasjoner.

Paek et al. demonstrert en enkel metode for fremstilling av småskala myke aktuatorer ved hjelp av DIP-belegg av sylindriske maler². Selv om effektiv, er det to problemer med utbredt anvendelse av denne metoden: for det første er det ikke lett å kontrollere tykkelsen på DIP-belagt funksjoner, og for det andre, er dens anvendelse begrenset til et begrenset antall tredimensjonale (3D) design.

Peano aktuatorer^9,10 og veske motorer^11,12 har kompakte todimensjonale (2D) design som resulterer i tynne formfaktorer (dvs. store områder med liten tykkelse). Veale et al. rapportert utvikling av lineære Peano aktuatorer laget av armert plast og tekstil-silikon kompositter^1,8. Niiyama et al. utviklet posen motorer bruker termoplastisk filmer produsert av varme stempling og varme tegning systemer^11,12.

Mens 2D design av Peano aktuatorer og posen motorer gjør dem svært tynne i sin unactuated tilstand, ved inflasjon deres null-volum kammer utvides til et relativt stort volum, og dermed begrense deres anvendelse for drift i begrensede områder som kateter terapier eller søk og redning oppdrag¹. I motsetning til disse design, de foreslåtte myke aktuatorer i den aktuelle metoden kan betjene med relativt små stammer. Således, selv i de aktiverte tilstand de opptar relativt små mellomrom¹.

Protocol

1. utjevning av TPU-arkene ved varme pressing

1. Kalibrer en kraftsensor som skal brukes i varme pressen.
   1. Smørbrød styrke sensoren mellom to lag med silikon (50 mm x 50 mm x 3 mm tykk). Plasser kraft sensoren og silikon lag mellom kompresjons plater/ambolter på strekk maskinen. Reduser avstanden mellom plater ved å dreieknappen på varme pressen med klokken og skrive ned styrken og motstanden til sensoren.
   2. Målområdet av sensoren ved hjelp av en digital tykkelse og dividere kraft verdiene av det målte området for å oppnå trykkdata. Tilpass en lineær linje til trykk versus motstands data ved hjelp av et regneark for å kalibrere sensoren.
2. Plasser kraft sensoren inne i varme pressen, og drei trykk knappen til et trykk på ~ 200 kPa leses fra sensoren.
3. Bruk hansker for å unngå forurensning av TPU-filmene.
4. Skjær fire lag med TPU med saks eller en laser kutter for å passe varme trykkplatene (30 mm x 30 mm). Plasser de fire arkene slik at alle fire kantene er justert.
5. Plasser TPU-arkene inne i varme pressen.
6. Still temperaturen på varmen Trykk på ~ 200 ° f (~ 93 c). Lukk varme pressen helt.
7. Hold filmene inne i varme pressen i 10 min. Åpne varme trykk og fjerne laminert TPU filmer skal laserskåret i trinn 3,12.

2. finne optimale laser parametre

1. Som beskrevet i avsnitt 1, varme trykk to lag av TPU.
2. Ved hjelp av dataassistert design (CAD) programvare, designe en firkant med 20 mm sider og et rektangel på 4 mm x 8 mm som vil fungere som innløpet til den firkantede ballongen.
3. Laser cut/sveis den firkantede mønster fra trinn 2,2 ut av TPU lag fra trinn 2,1 ved hjelp av følgende innstillinger i laser cutter programvare: sett pulser per tomme (PPI) til 500, variere kraften fra 10% til 100%, og for hver verdi av makt variere hastigheten fra 10% til 100%.
4. Skjær enden av innløpet til den firkantede ballongen med saks.
5. Sett inn en nål inne i den firkantede ballong innløpet, Påfør lim (tabell av materialer) rundt den, og vikle POLYTETRAFLUOROETHENE (PTFE) tape rundt tilkoblingen.
   Merk: etter 5 minutter er den klar til bruk.
6. Identifiser gjennomsnittlig burst trykket av firkant ballongen ved å blåse den med en presis væske dispenser.
7. Øk trykket i ballongen ved hjelp av den presise væske uttaket til det sprekker. Mål og skrive ned burst press. Gjenta dette trinnet 5x og få den gjennomsnittlige burst press.
8. Gjenta trinn 2.1 − 2.7 for hele spekteret av kraft-og hastighets verdier og Identifiser det maksimale burst-trykket for den firkantede ballongen og de tilhørende kraft-og hastighetsverdiene som de optimale parametrene for laser maskinen.

3. fabrikere av aktuatoren ved laserskjæring/-sveising

1. Design ønsket aktuator mønster ved hjelp av CAD-programvare.
   Merk: AutoCAD 2017 brukes i denne protokollen.
2. Velg hele utformingen i CAD-programvaren ved å utheve alle segmenter i utformingen.
3. På oppgavelinjen under delen Egenskaper , endrer du linjetykkelsen til 0 mm for at programvaren skal kunne skrives ut med laser kniven.
4. Velg Skriv utpå oppgavelinjen. Endre skrivernavnet til "VLS 2.30" i menyen.
5. Velg papirstørrelsen som brukerdefinert landskapi skriverinnstillinger.
6. I plott skala -delen fjerner du markeringen for Tilpass til papir-alternativet og skalerer deretter bildestørrelsen til 1 mm = én enhets lengde.
7. I plottet forskyvning (Origin satt til utskriftsvennlig område) sjekk sentrum av plot alternativet.
8. Slå på luftfilteret ved å trykke på strømknappen.
9. Slå på Lasers kniven ved å trykke på av/på-knappen eller ved å klikke på strømikonet på programvaren for Universal laser system -kontrollpanelet.
10. I innstillingen alternativet, angi hastigheten = 60%, PPI = 500 og strøm = 80%.
    Merk: disse parametrene må kanskje endres basert på den spesifikke laser kraften i systemet som brukes.
11. Bruk fokus visnings verktøyet til å flytte laser pekeren til venstre øverste hjørne og nederste høyre hjørne av mønsteret for å sikre at hele mønsteret passer inn i de laminerte TPU-filmene (30 mm x 30 mm) som er laget i trinn 1,10.
12. For å fokusere laser maskinen, Flytt linse vognen til midten av bordet. Plasser fokus verktøyet på bordet og Flytt bordet opp til toppen av fokus verktøyet berører fronten av linse vognen. Deretter flytter du tabellen sakte til linse vognen treffer hakket på fokus verktøyet og dumper den fremover.
    Merk: laseren er fokusert og klar til bruk med parametrene i 3,11.
13. Uten å endre plasseringen av TPU-arket, Kjør laseren på nytt, men Reduser hastigheten = 55%, Øk effekten = 85%, og behold PPI = 500.
14. Utfør en tredje kjøring av laseren for å sikre at det ikke er lekkasjer i aktuatoren. Angi hastigheten = 50%, Øk effekten = 90%, og behold PPI = 500.

4. bonding nåler i rustfritt stål med luer låse forbindelse

1. Skjær enden av ballongen aktuator innløp med saks.
2. Sett inn en nål inne i ballongen aktuator innløpet, Påfør lim rundt det, og vikle PTFE tape rundt tilkoblingen.
   Merk: etter 5 minutter er den klar til bruk.

5. karakteristikk av de myke aktuatorer

1. Monter et kamera over aktuatoren med tilstrekkelig avstand slik at aktuatoren er i full visning i kameraet både under trykk og unpressurized tilstander.
2. Hold aktuatoren i en orientering slik at dens utslag ved trykksetting er ortogonale til kameraet.
3. Øk trykket på aktuatoren med en presis væske dispenser til den deflects i sin fulle rekkevidde uten sprengning. Anta hele spekteret som maksimal utslag av aktuatoren uten plastisk deformasjon eller lekkasje eller sprengning på grunn av overtrykk.
4. Øk aktuatoren trykket til den når ~ 20% av sin fulle rekkevidde og skrive ned trykket.
5. Ta et bilde av aktuatoren ved hjelp av kameraet fra trinn 5,1, og bruk deretter et bildebehandlingsprogram (f.eks. imageJ) for å måle X-og Y-koordinatene til tuppen av aktuatoren i bildet.
6. Gjenta trinn 5,4 og 5,5 til du har nådd hele spekteret for utslag av aktuatoren.
7. Plot en X-Y graf av aktuatoren er utslag versus lufttrykket ved hjelp av en plotting programvare.

Representative Results

For å demonstrere den foreslåtte metoden, viser vi fabrikasjon av en enkelt bøying aktuator. Å dikte opp denne aktuatoren, fire ark med TPU av dimensjon 25 cm x 25 cm ble kuttet, stablet sammen, og deretter glattet ved hjelp av en varme trykk (figur 1a). Etter protokollen ble varme pressen påført i 10 minutter ved en innstilt temperatur på 200 ° f. Rynker i laminert ark kan føre til problemer med liming under laserskjæring trinn, derfor sikre en helt glatt overflate er avgjørende for reproduserbar resultater. For eksempel viser figur 1B en resulterende laminering som inneholder rynker som ikke vil gi ønskede resultater, mens figur 1C viser en resulterende laminering som er tilstrekkelig flat til å produsere de ønskede resultatene.

2D-designen til den pneumatiske aktuatoren ble trukket i AutoCAD. Dette aktuator ble gjort bare ved å tegne et rektangel på 8 mm x 150 mm. En lineær mønster av åtte linjer, hver 1,34 mm lang, ble tilsatt til midten av designen med en avstand på 10 mm (uthevet i rødt i figur 2). Til slutt, åpningen av aktuatoren (uthevet i blått i figur 2) ble utformet ved å legge til et åpent rektangel på 4 mm x 8 mm. En AutoCAD-fil (. DWG) for denne prøven lineær aktuator er tilgjengelig i Tilleggsmaterialet.

Den laminert firelags stabel med TPU ble deretter plassert i laserskjæring (figur 3a) og 2D-designen ble importert ved hjelp av programvaren til laserskjæring. Fokus verktøyet på laser kutter bekreftet tilpasning av 2D tegningen posisjon på laminert TPU ark. Ved første kjøring ble laserskåret til hastighet = 60%, strøm = 80% og PPI = 500. Når den var ferdig, uten å endre plasseringen av polyuretan ark, en andre kjøre med nye innstillinger ble startet ved hastighet = 55%, strøm = 85%, og PPI = 500. Den samme prosessen ble gjentatt med nye innstillinger for en tredje gang i hastighet = 50%, strøm = 90% og PPI = 500. Redusere hastigheten og øke kraften eksponerer pneumatisk aktuator til varme kilden for en lengre tid, og lar den smelte og bånd for å sikre en lekkasjefri ballong som kan skilles fra resten av TPU ark lett (figur 3b). Det bør bemerkes at laseren kutter er alltid samtidig skjæring og sveising av TPU; skjæring og sveising er ikke gjort i separate trinn eller oppnås ved forskjellige innstillinger.

For å par aktuatoren til en luft forsynings enhet, ble åpningen av aktuatoren skåret med saks og en nål i rustfritt stål (figur 4b) ble satt inn mellom andre og tredje lag av laserskåret aktuator. For å opprettholde et lekkasje fritt system, var utsiden av nålen dekket i limet på forhånd (figur 4c). Da grensesnittet av aktuator og rustfritt stål nålen ble pakket tett med PTFE tape (figur 4d).

Til slutt, ved hjelp av en digital væske dispenser, den pneumatiske aktuator (figur 5a) ble oppblåst til et trykk på 5 PSI for å observere et utslag i regionen der rekke linjer ble utformet (figur 5B).

Figur 1: varme trykkplater. (A) bilde av varmen trykk med TPU ark å bli laminert. (B) eksempel bilde av dårlig laminert ark med overdreven rynker. (C) eksempel bilde av vellykket laminert ark med en glatt overflate. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: aktuator design. Bilde av en CAD-tegning som brukes til å danne en enkelt bøye aktuator. Den nederste designen viser omrisset av aktuatoren, den midterste designen viser en enkelt linje lagt til som en bøying funksjon, og den øverste designen viser en komplett aktuator. Den røde boksen fremhever funksjonene som danner bøye regionen på aktuatoren. Den blå boksen fremhever området for tilkobling av en nål for trykksetting. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: Laser kutter. (A) bilde av den laminerte ark i en laser kutter. (B,C) Bilde av aktuatoren som skal fjernes etter laserskjæring. (C) bilde av aktuatoren. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: nål tilkobling. Bilder som viser fremgangsmåten for å koble en butt nål (a) til en ballong aktuator ved hjelp av lim (B) som et klebemiddel. Nålen er satt inn i den smale enden av aktuatoren, som er åpnet ved hjelp av saks (C) og forseglet med PTFE tape (D). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5: bøye aktuator. (A) bilde av aktuatoren i en unpressurized tilstand. (B) bilde av aktuatoren i en trykksatt tilstand. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tilleggsmateriale.   Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

De kritiske trinnene i fabrikasjon av de myke aktuatorer inkluderer: i) 2D CAD-designen. En riktig 2D-layout kan diktere deformasjon av aktuatoren (f.eks. lineær, biaksiale, bøying og rotasjonsbevegelse). II) laminering av TPU lag. Den TPU filmer er varme trykkes før laserskjæring for å sikre at lagene er flatt og i conformal kontakt overalt. III) laserskåret/sveis. Som det siste trinnet, er de laminerte TPU lagene laserskåret/sveiset i myke aktuatorer.

Suksessen rate av protokollen kan produsere en 100% yield (for eksempel, har vi gjort 20 aktuatorer samtidig). Den primære faktoren er laminering trinn: for å oppnå de beste resultatene, bør TPU slås sammen så mye som mulig før varme trykk prosessen.  Undersøke ulike regioner av varmen trykkplate med en kraftsensor kan vise at trykk fordelingen ikke er ensartet. Ikke-uniform trykkfordeling kan resultere i ufullkommen laminering av TPU ark, som igjen resulterer i ufullkommen laserskjæring/sveising og lekkasje. Alternativt kan ikke-uniform varmeoverføring på grunn av små rynker i TPU-filmen under laserskjæring/sveising forårsake lekkasje.

I forhold til konvensjonelle metoder, har den foreslåtte metoden flere fordeler, inkludert: i) enkel 2D-design. Mens den nåværende metoden krever bare 2D CAD design til laser cut/sveis aktuatorer (ulike mønstre er tilgjengelig¹), konvensjonelle fabrikasjon metoder basert på silikon avstøpning krever en 3D mold design. II) rask fabrikasjon. Fabrikasjon tid fra CAD design til laminering av TPU lag og laser skjæring/sveising kan skje i flere minutter, mens den konvensjonelle fabrikasjon metoden vil ta flere timer. Ved å tillate fabrikasjon av myke enheter og myke roboter i et enkelt trinn, uten montering, myke roboter og enheter kan utformes fra en kombinasjon av ulike typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laserskåret/sveiset inn i det endelige produktet i ett enkelt trinn uten å kreve noen montering. For eksempel, en svømming robot, bestående av fire ben hver består av to typer bøying aktuatorer, er fabrikkert fra en 2D CAD design på bare noen få minutter uten å kreve noen montering trinn, som tidligere vist¹.

Som en fremtidig retning av dette arbeidet, kan ulike typer termoplastisk materialer bli vedtatt for fabrikasjon av de myke aktuatorer. Generelt, disse materialene må ha elastisk atferd som skal brukes som aktuatorer. Anvendelse av stivere termoplastisk materiale vil resultere i høyere burst-trykk og høyere blokkerings kraft av aktuatorer sammenlignet med de som tidligere var karakterisert i figur s6 av Moghadams et al.¹, som viser styrker opp til 0,1 N. Dermed kan det forlenge anvendelsen av aktuatorer til tilfeller der høyere blokkering kraft er nødvendig, for eksempel Exoskeleton 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