Silikon tabanlı Dielektrik Elastomer Aktüatörler Fabrikasyon Süreci
1 Şubat 2016
Bu el yazması, silikon membranlara dayalı dielektrik elastomer yumuşak aktüatörlerin üretimi için üretim sürecini göstermektedir. Üretimin üç temel aşaması ayrıntılı olarak sunulmaktadır: ince silikon membranların bıçak dökümü; uyumlu elektrotların tampon baskısı; ve tüm bileşenlerin montajı.
Bu prosedürün genel amacı, dayanıklı dielektrik elastomer aktüatörler üretmektir. Bu videoda, bir çerçeve üzerinde gerilmiş bir silikon membrandan oluşan bir düzlem içi aktüatörün üretimi gösterilmektedir.
her iki tarafına basılmış uyumlu elektrotlarla birlikte. Dielektrik elastomer aktüatörler, yüksek aktivasyon kuvvetleri sayesinde birçok potansiyel uygulama alanına sahiptir. Ancak, bunların üretiminde kullanılan manuel üretim süreçleri, ticari ürünlerdeki kullanımlarını sınırlandırmıştır.
Bu tekniğin temel avantajı, kesin olarak tanımlanmış şekillere sahip, tekrarlanabilir ve dayanıklı aktüatörler üretme yeteneğidir. Düşük kayıplı silikon elastomerlerin kullanımı, hızlı bir aktüasyon yanıtı sağlar. Prosedür bir aktüatörün üretimini sunsa da, aynı teknik dielektrik elastomer jeneratörlerin ve esneyebilir gerinim sensörlerinin üretimi için de kullanılabilir.
Kurban katman dökümüne başlamak için, rulodan 400 milimetre uzunluğunda, yüksek kaliteli 125 mikron kalınlığında polietilen tereftalat veya PET levha kesin. PET substratı vakum tablasına yerleştirin ve vakum pompasını çalıştırın. Profil çubuk aplikatörünü otomatik film kaplayıcıya yerleştirin ve kaplama hızını beş milimetre/saniye olarak ayarlayın.
Ardından, profil çubuğunun önüne iki mililitre feda tabakası çözeltisi koyun ve kaplama makinesini çalıştırın. Sonrasında, film aplikatörünü geri çekin ancak vakum pompasını çalışır durumda bırakın ve PET altlığı vakum plakasının üzerinde tutun. Tabakanın iki dakika boyunca havada kurumasını bekleyin.
Silikon membran dökümü için bir karıştırma kabına 15 gram silikon baz ve 1,50 gram çapraz bağlayıcı ekleyin. Ardından viskoziteyi düşürmek için 10 gram silikon çözücü ekleyin. Silikon karışımını gezegen tipi karıştırıcı ile karıştırın.
2.000 RPM'de iki dakikalık bir karıştırma döngüsü ve ardından 2.200 RPM'de iki dakikalık bir gaz giderme döngüsü uygulayın. Daha sonra, bir üniversal aplikatörün yüksekliğini 225 mikrona ayarlayın. Aplikatörü PET tabakasının üst kısmına yerleştirin ve film aplikatör hızını saniyede üç milimetre olarak ayarlayın.
Döküm işlemi sırasında toz partiküllerinin karışmasını önleyerek kusursuz membranlar elde etmek kritik önem taşır. Bunu, temiz bir ortamda çalışarak ve membranı kaplamadan önce altlığı dikkatlice temizleyerek gerçekleştiriyoruz. Bir şırınga yardımıyla, karıştırma kabındaki 10 mililitre silikon karışımını PET altlığa aktarın.
Silikonu tüm PET substrat üzerine uygulamak için otomatik aplikatörü çalıştırın. Pompayı kapatın ve çözücünün döküm tabakasından buharlaşması için beş dakika bekleyin. Membranı bir cam plaka üzerine aktarın ve 80 °C'de 30 dakika boyunca fırında bekletin.
30 dakika sonra membranı fırından çıkarın ve oda sıcaklığında beş dakika daha soğumaya bırakın. Ardından, yüzeyi kontaminasyonlardan korumak için üzerini ince bir PET folyo ile kapatın. Önceden gerdirilmiş desteği ve membran desteğini hazırlayın ve döküm silikon membran/PET substrat sandviçini metin protokolünde açıklandığı şekilde kesin.
Lazerle kesilmiş ön gerilmeli desteği, yapışkan tarafı aşağı gelecek şekilde, yapışkan silikon yüzeyle temas edecek biçimde kesilmiş silikon membran dairenin üzerine sabitleyin. Kaynayan su dolu bir banyo hazırlayın ve silikon membran ile yapışkan desteği içeren düzeneği bunun içine daldırın. Daldırılmış haldeyken, tamamen ayrılana kadar PET substratı silikon membrandan yavaşça ve nazikçe soyun.
Silikon membranı su banyosundan çıkarın ve kurumasını bekleyin. Kuruma işlemini hızlandırmak için bir azot tabancası kullanılabilir. Membran kalınlığını, üretici protokolüne uygun olarak transmisyon interferometresi ile ölçün.
Ön gerdiriciyi 45 milimetre çapına ayarlayın ve önceden gerdirilmiş destek silikon membranını, yapışkan yüzeyi aşağı bakacak şekilde gerdirici parmakların üzerine yerleştirin. Gerdirici parmakların arasındaki ön gerdirilmiş desteği kesin. Ardından, radyal cetveli gerdiriciye yerleştirin ve membranı 1,3 faktöründe ekvibiaksiyal olarak ön gerdirme yapmak için ön gerdirici halkasını saat yönünün tersine çevirerek ön gerdiricinin çapını 58,5 milimetreye çıkarın.
Ardından, yapıştırıcıyı açığa çıkarmak için PMMA membran tutucunun üzerindeki koruyucu filmi çıkarın. PMMA membran tutucuyu önceden gerilmiş membran yüzeyine yapıştırın. Önceden gerilmiş membranı gerdiriciden ayırmak için membran tutucunun çevresinden kesin.
Ardından, önceden gerilmiş membranın nihai kalınlığını transmisyon interferometresi ile ölçün. Tampon baskı makinesini kurmak için, istenen elektrot desenine sahip klişeyi manyetik bloğa monte edin. Klişe bloğunu, mürekkep dolu mürekkep kabının üzerine yerleştirin.
Ardından düzeneği makineye monte edin. Hizalama plakasını yazıcı tabanına yerleştirin. Tampon baskı makinesinde bir baskı döngüsü başlatın.
Bu işlemle elektrot tasarımı hizalama plakasına uygulanacaktır. Basılan elektrot ile hizalama plakasının aşındırılmış referans yapısının örtüşmesini görsel olarak kontrol edin. Herhangi bir hizalama hatasını düzeltmek için X-Y fader tablasını hareket ettirin.
Referans yapı ile hizalamayı görsel olarak kontrol edin ve basılı desen referans yapı üzerinde mükemmel bir şekilde üst üste gelene kadar platform konumunu ve baskı elektrotlarını hareket ettirmeye devam edin. Yazıcı tabanına önceden gerilmiş bir membran yerleştirin. Tampon baskı makinesinde, elektrodu membranın üzerine damgalamak için bir baskı döngüsü başlatın.
Yaklaşık dört mikronluk yeterli bir elektrot kalınlığı sağlamak için membranı iki kez damgalayın. Tüm önceden gerilmiş membranlar damgalanana kadar baskı işlemini tekrarladıktan sonra, damgalı elektroda sahip membranları 80 °C sıcaklıktaki bir fırında 30 dakika boyunca bekletin. Ardından, basılı membranlardan birini, membranın arka yüzü görünecek şekilde yazıcı tabanına ters olarak yerleştirin.
Alt elektrodu desenlemek için iki baskı döngüsünden oluşan bir seri başlatın. Aktüatörü tamamlamak için, alt elektrodu çapraz bağlamak amacıyla membranları 80 °C'deki fırında 30 dakika boyunca bekletin. Elektriksel bağlantıları oluşturmak için öncelikle, yapıştırıcıyı açığa çıkarmak amacıyla aktüatör çerçevesinin koruyucu arka kısmını çıkarın.
Ardından, aktüatör çerçevesinin alt elektrotla temas edecek kısmına 18 milimetre x 2,5 milimetre boyutunda bir bant parçası yapıştırın ve erişilebilir bir elektriksel temas sağlamak için bandı çerçevenin yan tarafına katlayın. Sonra aktüatör çerçevesini membran tutucunun içine kaydırın ve membranın aktüatör çerçevesinin yapıştırıcısına yapışması için parmaklarınızla membrana hafifçe bastırın. Bir skalpel yardımıyla membranı, membran tutucu ile aktüatör çerçevesi arasındaki sınırdan kesin ve membran tutucuyu çıkarın.
Üst elektrodun temas bölgesine 18 milimetre x 2,5 milimetre boyutlarında ikinci bir iletken bant parçası uygulayın. Son olarak, elektriksel bağlantı sağlamak için her bir iletken bant parçasının üzerine bir tel yerleştirin. İki teli yüksek gerilim kaynağına bağlayın ve iki kilovolt genlikte, iki Hertz'lik bir kare sinyal uygulayın.
Dökülen silikon membranın kuru film kalınlığı, aplikatörün boşluk ayarına ve ayrıca kodlama hızına bağlıdır. Hızın etkisi, daha kalın membranlar için daha önemlidir. Bir Hertz frekansında, mikron başına 100 voltun üzerinde bir elektrik alanının uygulanması, aktüatörün büyük deformasyonlara ulaşabildiğini göstermektedir.
Aktüatörün çapraz yönlü hareket uzaması, uygulanan doğru akım voltajına göre kuadratik bir bağımlılık göstermektedir. Bu videoyu izledikten sonra, kısa yanıt sürelerine sahip düzlemsel dielektrik elastomer aktüatörlerin nasıl üretileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Düşük mekanik kayıplı silikon elastomerlerin kullanılmasının bir avantajı söz konusudur.
Bu prosedürün temel noktası, iyi tanımlanmış elektrotlara sahip tekrarlanabilir aktüatörler yapabilme yeteneğidir. Fabrikasyon sürecimiz, dielektrik elastomer aktüatörlerin büyük ölçekli üretimine yönelik olası bir yol göstermektedir.
Genel Bakış
Bu makale, silikon membranlar kullanılarak dielektrik elastomer yumuşak aktüatörlerin fabrikasyon sürecini detaylandırmaktadır. Üretim üç temel aşamadan oluşmaktadır: silikon membranların bıçak dökümü (blade casting), esnek elektrotların tampon baskı (pad printing) ile uygulanması ve bileşenlerin montajı.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Malzeme Bilimi
- Yumuşak Robotik
- Aktüatör Teknolojisi
Arka Plan
- Dielektrik elastomer aktüatörler önemli aktüasyon kuvvetlerine sahiptir.
- Manuel üretim süreçleri, bunların ticari uygulamalarını sınırlamaktadır.
- Belirli şekillerde dayanıklı aktüatörler üretilebilir.
- Düşük kayıplı silikon elastomerler, hızlı aktüasyon yanıtlarına olanak tanır.
Çalışmanın Amacı
- Dayanıklı dielektrik elastomer eyleyiciler üretmek.
- Tekrar üretilebilir bir imalat tekniği göstermek.
- Dielektrik elastomer jeneratörler ve sensörler için uygulama alanlarını araştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- PET alt tabakalar kullanılarak feda edilebilir katman dökümü.
- Hassas karıştırma ve uygulama teknikleri ile silikon membran dökümü.
- Uyumlu elektrot uygulaması için tampon baskı.
- Aktüatör oluşumu için bileşenlerin montajı ve ön germesi.
Temel Sonuçlar
- Kusursuz silikon membranların başarılı şekilde üretimi.
- Elektrotların hassas hizalama ile etkili şekilde uygulanması.
- Aktüatörlerin dayanıklılığının ve tekrarlanabilirliğinin kanıtlanması.
- Yumuşak robotik ve sensörlerde daha geniş uygulama potansiyeli.
Sonuçlar
- Sunulan teknik, dielektrik elastomer aktüatörlerin üretilebilirliğini artırmaktadır.
- Çeşitli alanlardaki ticari uygulamalar için yeni yollar açmaktadır.
- Gelecekteki çalışmalar, daha fazla uygulama ve optimizasyon üzerinde durabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Sektörel Uygunluğu
Dielektrik elastomer aktüatörler (DEA'lar), yüksek aktüasyon gerinimi ve yumuşak uyumluluk sunarak haptik, yumuşak robotik ve ayarlanabilir optik alanlarında uygulamalara olanak tanır. Silikon membranlar ve desenlenmiş uyumlu elektrotlar kullanılarak gerçekleştirilen tekrarlanabilir fabrikasyon; viskoelastik sürünme ve kısa cihaz ömrü gibi manuel üretimin temel kısıtlamalarını ortadan kaldırır. Bu işlem, biyo-ilhamlı sistemler ve giyilebilir arayüzlerde mekanizmik risk azaltma çalışmaları için güvenilir ve ölçeklenebilir aktüatör prototipleri sağlayarak erken aşama keşifleri destekler.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Esnek substratlarda kontrollü ve geniş alanlı aktivasyon yoluyla mekanotransdüksiyon yolaklarının incelenmesine olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Hücre kültürü veya doku modellerinde mekanik stimülasyonların tutarlı bir şekilde uygulanması için tekrarlanabilir aktüatör platformları sağlar.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değeri: Biyoaktif analizlerdeki mekanik yanıtların gerçek zamanlı izlenmesi için esneyebilir gerinim sensörlerinin geliştirilmesini kolaylaştırır.
- Operasyonel Değeri: Yüksek adezyona sahip, hassas şekilde tanımlanmış elektrotlar sağlayarak sensör dizilerinde sinyal sadakati ve tekrarlanabilirlik sunar.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Vasküler veya kas dokusu modelleri gibi dinamik mekanik uyaranlar gerektiren hastalıkla ilişkili sistemleri destekler.
- Operasyonel Değer: Preklinik fonksiyonel doğrulama için uyumlu tutuculara veya biyolojik esinle geliştirilmiş itki sistemlerine entegrasyona olanak tanır.
Pipeline ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu üretim yöntemi, erken keşif aşamasındaki hipotez testlerinden preklinik modellerdeki fonksiyonel doğrulamaya kadar uzanan keşif sürekliliğinde, özellikle programlanabilir mekanik aktivasyonun gerektiği durumlarda konumlanmaktadır.
- Keşif Biyolojisi: Önceden gerilmiş silikon membranlar kullanarak biyolojik sistemlerin hassas ve tekrarlanabilir mekanik stimülasyonu yoluyla hipotez testlerini destekler.
- Tarama: Tutarlı elektriksel aktivasyon için desenli elektrotlara sahip standartlaştırılmış, düşük kayıplı silikon membranlar aracılığıyla analiz hazırlığı sağlar.
- Analizler: Uygulanan voltaj altında interferometrik kalınlık ölçümü ve aktivasyon gerinim profillemesi yoluyla nicel çıktı sağlar.
- Translasyonel Araştırma: Fizyolojik hareketi taklit eden deforme olabilir hücre kültürü cihazlarında ve biyolojikle ilham alan aktüatörlerin kullanımıyla preklinik süreklilikle bağlantı kurar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Yumuşak robotik ve giyilebilir terapötikler alanındaki çoklu projelerde aktüatör dizileri oluşturmak için yeniden kullanılabilir bir platform kurar.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Aktüatör performansı ve elektrot delaminasyonundaki değişkenliğin azaltılması yoluyla mekanobiyolojik çalışmalarda öngörülebilir güvenilirlik.
- Operasyonel Değer: Yüksek sadakatli elektrot desenlemesi için kurban katman dökümü ve ped baskı yoluyla standardizasyon ve ölçeklenebilirlik.
- Stratejik Değer: Güvenilir mekanik perturbasyon çalışmalarına olanak tanıyarak erken geliştirme aşamasındaki devam/durdur kararlarının iyileştirilmesi.
- Portföy Etkisi: Tekrarlanabilir aktüatör prototipleri aracılığıyla mekanoterapötik veya biyo-hibrit cihaz konseptlerinin riskle ayarlanmış önceliklendirilmesi.
Uygulama Hususları
- Yumuşak litografi, ince film dökümü ve hassas hizalama teknikleri konusunda uzmanlık gerektirir.
- Vakum destekli kaplama, gezegen tipi karıştırma ve sıcaklık kontrollü kürleme özellikli ped baskı ekipmanlarına bağımlıdır.
- Membran kalınlığı, ön gerilme oranı ve elektrot desenleme protokollerinin ekipler arası standardizasyonunu gerektirir.
- Sürecin alternatif elastomerlere veya substrat malzemelerine aktarılması durumunda adaptasyon değerlendirmelerini içerir.
- Pratik sınırlamalar arasında, membran dökümü sırasında partikül kontaminasyonuna karşı hassasiyet ve çift taraflı elektrot baskısı sırasında hizalama toleransı yer alır.
