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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Dalio Institute of Cardiovascular Imaging för att finansiera detta arbete.
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-15×15-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 |