Fabrication Processen med silikone-baserede Dielektriske Elastomer aktuatorer

Engineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Rosset, S., Araromi, O. A., Schlatter, S., Shea, H. R. Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (108), e53423, doi:10.3791/53423 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Dette bidrag viser produktionsprocessen af ​​(its) dielektriske elastomer transducere. Its er strækbare kondensatorer består af en elastomer dielektrisk membran klemt inde mellem to kompatible elektroder. De store aktiveringsorganer stammer af disse transducere når de anvendes som aktuatorer (over 300% areal stamme) og deres bløde og eftergivende natur er blevet udnyttet til en lang række applikationer, herunder elektrisk afstemmelige optik, haptiske feedback-enheder, bølge-energi høst, deformerbare celle -Kultur enheder, gribere kompatible og fremdrift af en bio-inspirerede fisk-lignende luftskib. I de fleste tilfælde er its fremstillet med et kommercielt navnebeskyttet acrylelastomer og hånd-anvendte elektroder i carbonpulver eller carbon fedt. Denne kombination fører til ikke-reproducerbare og langsomme aktuatorer udviser viskoelastiske krybe og en kort levetid. Vi præsenterer her en komplet proces flow for reproducerbar fremstilling af its baseret på tynde elastomere siliciume film, herunder støbning af tynde silikone membraner, membran release og forstrækning, mønsterdannende af robust kompatibel elektroder, montage og test. Membranerne støbt på fleksible polyethylenterephthalat (PET) substrater overtrukket med et vandopløseligt offerlag for at lette frigivelse. Elektroderne består af carbon black dispergeret i en silikonematrix og mønstret ved hjælp af en stempling teknik, som fører til præcist definerede kompatible elektroder, der udgør en høj vedhæftning til dielektriske membran, hvorpå de anvendes.

Introduction

(Its) dielektriske elastomer transducere er bløde enheder, der består af en elastomer dielektrisk membran (typisk 10-100 um tyk), klemt inde mellem to elektroder overensstemmende, hvorved der dannes en gummiagtig kondensator 1. Its kan anvendes som aktuatorer stand til at producere meget store stammer (op til 1.700% overflade stamme er blevet påvist) 2, bløde strain-sensorer 3, eller som bløde kraftværker 4. Når de anvendes som aktuatorer, er en spænding påført mellem de to elektroder. Den genererede elektrostatiske kraft presser den dielektriske membran, reducere dens tykkelse og forøge dens overfladeareal (figur 1) 1. Ud over aktuatorer, kan den samme grundlæggende struktur (tynd elastomer membran og strækbare elektroder) anvendes som stamme sensor eller energi høst enheder, der udnytter ændringen af ​​kapacitansen induceret af mekanisk deformation. De store stammer genereres af dielektriske elastomer enctuators (DEAs) og deres bløde og eftergivende natur har været brugt i mange applikationer, såsom elektrisk afstemmelige linser 5, roterende motorer 6, deformerbare celle-kultur enheder 7 og fremdrift af en bio inspireret fisk-lignende luftskib 8.

De fleste its rapporteret i litteraturen bruger en proprietær acrylelastomer fra 3M VHB film navngivet som dielektrisk elastomermembranen, fordi det er blevet vist at udvise meget store aktiveringsorganer stammer 1. Tilgængeligheden af ​​dette materiale i form af film er også en vigtig faktor i sin brede anvendelse for Det applikationer, selvom (aktivering stamme afsat), det har en række vigtige ulemper, såsom mekaniske tab og viskoelastiske krybe som begrænser sit svar hastighed , en lille driftstemperaturområde, og en tilbøjelighed til at rive. Til sammenligning kan siliconeelastomerer også anvendes som dielektrisk membran til its, der fører til indretninger med en reaktionshastighed 1.000 gange hurtigereend acrylelastomerer, på grund af deres meget reducerede mekaniske tab 9. Desuden, de er tilgængelige i en lang række hårdheder, hvilket giver yderligere designfrihed. Imidlertid er siliconer normalt sælges i en viskøs baseform som skal påføres i tynde membraner-skal anvendes til its. Men dette giver endnu en yderligere frihedsgrad, som tykkelsen af ​​membranen kan vælges frit og er ikke pålagt af producenten, som det er tilfældet for færdiglavede film.

Denne protokol viser fremstillingen af ​​et dielektrisk elastomer aktuator. Det kan imidlertid også anvendes med lidt at ingen ændring til fremstilling af dielektriske elastomer transducere i bredere forstand, herunder energi høst enheder og sensorer strain. Vi præsenterer her en fremgangsmåde til stort område (A4) støbning af tynde (10-100 um) silikonefilm på fleksible substrater PET overtrukket med et vandopløseligt offerlag. Offerlaget reducerer kræfterne reqgendannes for at adskille siliconemembran fra substratet, hvorved den mekaniske deformation af membranen under frigørelse. Deformation af filmen kan føre til anisotrope mekaniske egenskaber på grund af stress-induceret blødgørende (Mullins virkning) 10 og bør derfor undgås. Elektroderne er den anden nøglekomponent i en DET. Deres rolle er at fordele de elektriske ladninger på overfladen af ​​den elastomere membran. For at producere en pålidelig aktuator, skal elektroderne kunne modstå gentagne stammer højere end 20% uden revnedannelse, nedværdigende, delaminering eller miste ledningsevne; desuden skal de være i overensstemmelse med hensyn til ikke mekanisk afstive strukturen 11. Blandt de forskellige teknikker, der findes til at gøre elektroder kompatible, hånd-anvendte carbon black partikler eller carbon fedt er de to mest udbredte metoder 11. Men disse metoder har en hel ulemper: ansøgning i hånden forhindrer miniaturisering af enhedens, fører til ikke-reproducerbare resultater og er tidskrævende. Hertil kommer, at carbon pulver eller fedt ikke holde sig til membranen og elektroder fremstillet ved denne metode er udsat for slid og mekanisk slid. Også i tilfælde af fedt, kan bindingen fluid diffunderer ind i dielektriske membran og ændre dens mekaniske egenskaber. Levetiden for un-indkapslet carbon pulver eller fedt elektroder er derfor ganske kort. Her præsenterer vi mønster af elektroder kompatible med en stempling teknik ved navn tampontryk, hvor et præcist design overføres til membranen via en blød silikone stempel, hvilket giver mulighed for at hurtigt og reproducerbart mønster præcise elektroder, med funktioner ned til 0,5 mm. Den anvendte opløsning består af en blanding af carbon black i en silikonematrix, som er tværbundet efter anvendelse, hvilket fører til hærdede elektroder med kraftig binding med den elastomere membran, hvilket gør dem meget modstandsdygtige og modstandsdygtig over for mekanisk slid og slid.

Følgende protokol beskriver alle de nødvendige skridt til at fremstille hurtige og pålidelige DEAs med præcist mønstrede kompatible elektroder. Dette omfatter membran støbning og forstrækning, mønster og tilpasning af elektroder, montage, elektrisk tilslutning og test. Med henblik på videoen, vi fabrikere en simpel i planet aktuator med et gear elektrode, som vist i figur 2. Aktuatoren består af et tyndt siliconemembran strækkes over en holder membran, på hvilken to overensstemmende elektroder er mønstret. En aktuator ramme indsættes derefter for at tilvejebringe elektrisk kontakt til bundelektroden. Figur 3 viser et eksploderet billede af konstruktionen med de forskellige komponenter i aktuatoren. Selvom indretning tilvejebragt i videoen har nogen praktisk anvendelse ud over at demonstrere det grundlæggende princip for DEAs, har forskellige aktuatorer rettet mod specifikke anvendelser er foretaget ved hjælp af nøjagtig samme proces, såsomsom bløde gribere, afstemmelige linser, afstemmelige mm-bølge faseforskydere osv

Protocol

1. siliconemembran Produktion

  1. Offerlag støbning
    1. Skær en 400 mm lang plade af høj kvalitet 125 um tyk PET fra rullen.
    2. Forbered offer opløsning (5% poly acrylsyre i isopropanol vægt): blandes sammen 32 g isopropanol og 8 g poly acrylsyre-opløsning (25% i vand) i en 50 ml plastrør. Ryst godt.
    3. Rengør PET substrat med fnugfri klude imprægneret med isopropanol.
    4. Rengør vakuum bord med fnugfri klude imprægneret med isopropanol.
    5. Læg PET-substrat på vakuum bordet og tænd for vakuumpumpen.
    6. Efterse vakuum bordet for at sikre, at ingen store støvpartikler er fanget mellem vakuum bordet og PET substrat. Gentag de foregående trin, hvis rengøring støvpartikler identificeres.
    7. Rens den øverste overflade af PET-substrat med fnugfri klude imprægneret med isopropanol.
    8. Placer profil stang enpplicator den automatiske filmcoater og sæt belægning hastighed til 5 mm / sek.
    9. Sæt 2 ml af offerlaget opløsning foran profil stang og starte coater maskinen.
    10. Når profilen stang har nået enden af ​​PET-substrat løft den ud af coater og rengør det ved at tørre med en fnugfri serviet dyppet i varmt vand.
    11. Træk filmen applikator men lad vakuumpumpen kører og lade PET-substrat på vakuumpladen. Lad laget tørre i luft i 2 min.
  2. Siliconemembran støbning
    1. Forvarm ovnen til 80 ° C.
    2. Der tilsættes 15 g af siliconen og 1,5 g tværbinder til en blanding pot. Der tilsættes 10 g silikoneopløsningsmiddel at nedsætte viskositeten.
    3. Bland siliconeblanding med en planetblander. Anvend en 2 min blanding cyklus ved 2.000 rpm plus en 2 min afgasning cyklus ved 2.200 rpm.
    4. Indstil højden af ​​den universelle applikator til 225 um. Placer applikatoren på toppen af ​​PET-arket og sæt tHan film applikator hastighed til 3 mm / sek.
    5. Transfer 15 ml silikone blandingen fra blandekammeret pot på PET-substrat med en sprøjte.
    6. Starte den automatiske applikator at anvende silikone over hele PET substrat (figur 4A).
    7. Sluk for pumpen og vent 5 minutter for at lade opløsningsmidlet fordampe fra det støbte lag.
    8. Overfør membranen på en glasplade og anbringes i ovnen i 30 minutter ved 80 ° C.
    9. Rengør applikatoren og vakuum plade med fnugfri klude imprægneret med isopropanol.
    10. Efter 30 minutter fjernes membranen fra ovnen, lad den køle ned ved stuetemperatur i yderligere 5 min og dække det med en tynd PET folie for at beskytte overfladen fra forureninger.

2. Slip og forstrækning af Elastomere Membraner

  1. Forstræk støtte fabrikation
    1. Skær et A4-størrelse rektangel fra rullen af ​​tør silikone overførsel lim.
    2. Fjern en of de beskyttende dæksler fra det tørre silikone overførsel lim og manuelt anvende limen på en A4-transparenter, der tager sig for at undgå dannelsen af ​​bobler under påføring.
    3. Skær forstræk support mønster i klæbemidlet-dækket transparenter hjælp af en computer numerisk styring CNC () laser gravør (figur 4B) ifølge producentens protokol.
  2. Membranstøtte fabrikation
    1. Skær en 500 mm med 290 mm rektangel i rulle tør silikone overførsel lim.
    2. Skræl væk en af ​​de beskyttende covers fra det tørre silikone overførsel lim og laminere folien på en 3 mm tyk poly (methylmethacrylat) (PMMA) plade.
    3. I PMMA ramme, cut ringe af 52 mm udvendig diameter og 44 mm indvendig diameter, der vil fungere som membran indehavere.
  3. Membran frigivelse
    1. Skær støbt silikone membran / PET-substrat sandwich fra trin 1 i cirkler 55 mm i diameter ved hjælp af en CNC laser gravør (figur 4B) ifølge producentens protokol og skræl væk beskyttelsesfilmen.
    2. Fastgør laserskårne forstræk støtte på snittet siliconemembran cirkel klæbende nedad, således at klæbemidlet er i kontakt med silikone overflade (figur 4C).
    3. Forbered et bad af kogende vand og nedsænkes samlingen (silikone membran og klæbemiddel support) ind i det.
    4. Mens neddykket, blidt og langsomt skræl PET substrat væk fra silikone membran (figur 4D).
    5. Fjern silikone membran fra vandbadet og lad det tørre i luft eller bruge en kvælstof pistol til at fremskynde tørringen.
  4. Membrantykkelse måling og forstræk
    1. Måle tykkelsen af ​​membranen med en transmission interferometer ifølge producentens protokol.
    2. Indstil prestretcher til en diameter på 45 mm, og placer prestretch support-silikone membran på båre fingre, klæbende side nedad.
    3. Skær forstræk støtte mellem de båre fingrene (figur 4E).
    4. Øge diameteren af prestretcher til 58,5 mm til equi-biaksialt forstræk membranen med en faktor 1,3 (30% forstræk) ved at dreje prestretcher annulus mod uret (figur 5).
    5. Fjern låget film fra membran indehaveren af PMMA udsætte limen og holde membran indehaveren af PMMA på forstrakte membran overflade (Figur 4F).
    6. Skær rundt indehaveren membranen for at fjerne forstrakte membran fra båren.
    7. Mål den endelige tykkelse af forstrakte membran med en transmission interferometer.

3. mønster Overensstemmelsesstandarder Elektroder af Pad Printing

  1. Ledende blæk forberedelse
    1. I en 125 ml plastic mixer containeren, 0,8 g carbon black wed 16 g isopropanol og 6 stålkugler 12 mm i diameter. Bland ved 2.000 rpm i 10 minutter i en planetblander.
    2. Tilføj 4 g siliconeelastomer del A, 4 g del B, og 16 g isooctan. Bland ved 2.000 rpm i 10 minutter i en planetblander.
  2. Opsætning af puden trykkerimaskine
    1. Installer kliché med det ønskede elektrode mønster på den magnetiske blok (figur 4G).
    2. Fyld inkcup med ledende silikone-baserede blæk.
    3. Placer kliché blok (kliché fast på den magnetiske blok) på toppen af ​​blæk-fyldte inkcup og installere samlingen i maskinen.
    4. Fastgør silikone pad på maskinen.
  3. Justering
    1. Placer aligner plade (Figur 4H) på printeren basen.
    2. Initiere et trykkeri cyklus på puden trykmaskine, som finder anvendelse elektroden design på aligner plade ifølge producentens protokol.
    3. Visueltinspicere overlap af den trykte elektrode og den ætsede henvisning struktur aligner pladen. Flyt xy-θ scenen for at korrigere for enhver skævhed.
    4. Rengør aligner pladen og udskrive en anden elektrode.
    5. Visuel kontrol af tilpasningen til henvisningen struktur og fortsætte med at flytte platform position og udskrivning elektroderne, indtil du får en perfekt superposition af det trykte mønster på henvisningen struktur (Figur 4H).
  4. Udskrivning af elektroder kompatible
    1. Placer en forstrakte membran på printeren basen.
    2. På puden trykmaskine, starte et trykkeri cyklus at stemple elektroden på membranen oversiden (Figur 4I). Stempel membranen to gange for at sikre en tilstrækkelig elektrode tykkelse på ca. 4 um.
    3. Fjern membranen fra printeren base, placere den næste forstrakte membran på printeren base og gentag trykprocessen, indtil alle forstrakte membraner er stemplet.
    4. Placer membranerne med stemplet elektrode i en ovn ved 80 ° C i 30 minutter.
    5. Efter 30 minutter fjernes membranerne fra ovnen.
    6. Placer en af ​​de trykte membraner op og ned på printerens bund, udsætter membranen bagsiden.
    7. Indled et trykkeri cyklus til mønster i bunden elektrode.
    8. Fjern membranen fra printeren base, placere den næste membran på printeren base og gentag trykprocessen, indtil alle membraner er stemplet på begge sider.
    9. Placer membranerne i ovnen ved 80 ° C i 30 minutter for at tværbinde den nederste elektrode.

4. Oprettelse Elektriske tilslutninger

  1. Cut aktuator rammer, der vil tjene som holder ramme til aktuatoren i samme PMMA plade bruges til indehaveren af ​​membranen (jf 2.2) ved hjælp af en CNC laser gravør.
  2. Peel-off opbakning af klæbemidlet på toppen af ​​aktuatoren rammen.
  3. Anvend en 18 mm x 2,5 mm stykke ledende tape på den del af aktuatoren ramme, der kommer i kontakt med bunden elektrode, og fold den til side af rammen for at tilvejebringe den elektriske kontakt (figur 3).
  4. Skub aktuator rammen inde holder membranen, og tryk forsigtigt membranen med fingrene for at holde det til klæbemidlet af aktuatoren rammen.
  5. Med en skalpel, skæres membranen ved grænsen mellem indehaveren af ​​membranen og aktuator ramme og fjerne førstnævnte.
  6. Påfør et andet stykke 18 mm x 2,5 mm ledende tape på kontaktzonen af ​​den øverste elektrode.
  7. Placer en ledning på hvert stykke ledende tape til at gøre en elektrisk forbindelse. Forbind de to ledninger til en høj spænding kilde, og anvende en 2 Hz square signal på 2 kV amplitude. Observere den periodiske udvidelse af indretningen.

Representative Results

Siliconemembran støbning

Når silikonemembraner frigives fra PET substrat og er fritstående på en ramme (ved afslutningen af trin 2.2), kan måles deres tykkelse, for eksempel ved transmission interferometri. Figur 6 viser tykkelsen homogenitet af et silikonelag over bredden af 200 mm PET substrat for 3 forskellige effektive gap højder (50, 100 og 150 um) ved en støbning hastighed på 1 mm / sek (bemærk, at da applikatoren er bredere end PET substrat, frem til applikatoren resten på vakuum og ikke på PET substrat selv, som det kan ses i figur 4A. Den effektive mellemrum mellem applikatoren og substratet er derfor lig med applikatoren højde minus tykkelsen af PET substrat. For eksempel kan en PET-substrat på 125 um og en applikator højde på 225 um, som anvendt i protokollen, fører til en effektiv mellemrum på 100 um). For50 um effektive spaltehøjden, er der en klar højdeforskellen mellem venstre og højre side af silikone lag. Dette skyldes, at højden af ​​applikatoren skal indstilles manuelt på venstre og højre side, og nogle fejl er uundgåelig. Men med omhyggelig indstilling af applikatoren, vi får generelt membraner med en tykkelse standardafvigelse på mindre end 1 um, hvilket er tilfældet for 100 um effektive spaltehøjden (σ = 0,81 um). Når applikatoren højden bliver for stor, bølgefaktor begynder at blive vist på membranen, forårsaget af fordampning af opløsningsmidlet i siliconeblanding, som er synlig i membranen støbt med en effektiv mellemrum på 150 um (figur 6).

Forholdet mellem den opnåede lagtykkelse og applikatoren højde afhænger af siliconeblanding og hastigheden af ​​støbningen. Den siliconeblanding i denne artikel består af en 2-dele silikone, og et opløsningsmiddel til at mindske VIscosity af blandingen. Som opløsningsmiddel fordamper fra membranen før hærdning, kan et skøn over filmtykkelsen opnås ved at multiplicere den effektive spaltehøjden af ​​volumenfraktion af faste stoffer i silikonen blandingen. Der er imidlertid dynamiske virkninger ved den bageste af applikatoren, der fører oprettelse af en menisk og en tyndere tykkelse end forventet. Relationen mellem spaltehøjden, og den resulterende tykkelse tør membran afhænger af støbehastigheden, applikator højde og af applikatoren form. Figur 7 viser resultaterne af et eksperiment, hvor membranerne blev støbt ved forskellige hastigheder og højder at vise, hvordan disse parametre påvirker lagtykkelse. Det kan ses, at støbning ved høje hastigheder fører til tyndere membraner, og at effekten af ​​hastigheden bliver mere udtalt som spaltehøjden stiger.

Aktivering Ydelse

Aktuatoren fremstillet her er karakteriseret ved measuring den udvendige diameter af tandhjul-lignende elektrode som en funktion af påtrykt spænding. Et kamera på en fast fod bruges til at tage billeder af aktuatoren som den spænding forøges. Billederne analyseres med en billedbehandling script (Vision, National Instruments) for at kvantificere udvidelsen af ​​aktuatoren. Dette blev gjort ved at montere en cirkel til udkanten af tandhjul som elektrode (figur 8). Stigningen i cirklens diameter fra den afspændte tilstand præsenteres som diametral strækning (dvs. den aktiverede diameter divideret med diameteren af aktuatoren afslappet). Resultaterne af to separate aktuatorer med samme tykkelse (34,5 um) er vist i figur 8. Begge enheder udfører tilsvarende med diametralt strækning af 10% ved en aktivering spænding på 4 kV.

Responshastigheden af ​​aktuatoren blev målt ved at anvende en 2 Hz square signal på 3 kV, hvilket fører til en stamme på ca. 4%. Udvidelsen af ​​actuator blev filmet med en high-speed kamera med en tid opløsning på 0,25 ms. En stigende kant blev fanget, med 200 rammer (50 ms) før spændingen aftrækkeren, og 200 frames efter. Billederne hvor analyseres derefter for at udvinde den tidsafhængige deformation (figur 9). Indsvingningstiden (nødvendige tid til at nå op på 90% af den endelige deformation) er 3,75 msek, og der er ingen observerbar viskoelastiske krybning før og efter spændingen trin, i modsætning til hvad der observeres, når acrylelastomerer anvendes som membraner, som stiger tidspunkter af flere hundrede sekunder er normalt observeres 12.

Anvendelse af procesforløbet til andre enheder

Aktuatoren fremstillet i denne artikel viser vores produktionsprocessen, såvel som den grundlæggende funktion princippet om en DEA med en stigning i arealet af elektroderne når en spænding, og er derfor en god illustration til denne tutorial. Men detteaktuator har ingen anden end at demonstrere aktivering princippet om en DEA specifikt formål. Alligevel processen præsenteres her er meget alsidig og kan bruges til at fremstille en lang række bløde transducere rettet mod specifikke anvendelser. Vi præsenterer her et par udvalgte eksempler på programmer, som vi har udviklet baseret på aktuatorer fremstillet ved hjælp af den præsenterede metode.

Bløde bio-inspirerede afstemmelige linser er blevet fremstillet (Figur 10A). Disse er i stand til at ændre brændvidde med 20% på mindre end 200 mikrosekunder 9. Enheden kan aktiveres i mere end 400 millioner cyklusser uden mærkbar nedgang i aktivering ydeevne, som viser, at kombinationen af ​​passende materialer og gode fremstillingsprocesser resulterer i DEAs med hurtige respons hastigheder og lang levetid. Linser af lignende geometri, men ved anvendelse af den udbredte kommercielle acrylelastomer VHB har en båndbredde mere end 3 størrelsesordener mindre

Mønstring de kompatible elektroder med tampontryk tillader gør meget præcist definerede elektroder, således at fremstillingen af ​​uafhængige små elektroder på den samme membran. Dette er for eksempel demonstreret gennem fremstillingen af en DEA-baserede roterende motor bestående af tre elektrisk uafhængige elektroder (figur 10B). Aksen og bevis masse i midten af motoren kan spin ved 1.500 rpm 13. Motoren koncept er blevet skubbet yderligere at vise, at tampontryk kan også producere pålidelige aktuatorer. En selvstændig kommuterende rullende robot blev bygget til at køre omgange langs en ​​cirkulær bane (figur 10C). Robotten rejste mere end 25 km med en gennemsnitshastighed på 15 cm / sek 13.

Andre programmer, der er blevet produceret med den nuværende proces (eller mindre variationer deraf) omfatter deformerbare celledyrkningssystemer 14, Dielektriske elastomer generatorer 16 eller afstemmelige mm-bølge radiofrekvens faseforskydere 17.

Figur 1
Figur 1. Grundlæggende princip om dielektriske elastomer aktuatorer Top:. (1A) I sin mest simple form, en DEA består af en blød elastomer klemt inde mellem to kompatible elektroder membran. (1B) Når en jævnspænding påføres mellem elektroderne, de elektrostatiske ladninger anlagt på elektroderne skabe en trykspænding, der presser membranen, hvilket fører til en reduktion tykkelse og en overflade ekspansion. Nederst: (2A) aktuatoren beskrevet i protokollen består af en membran spændt ud på en ramme. Cirkulære elektroder er på hver side af membranen med udvidelser til grænsen af ​​membranen for at tillade elektriske forbindelser. Den aktive area er den zone, hvor de to elektroder overlapper hinanden, dvs. cirklen i midten. (2B) Når der påføres en spænding, den elektrostatiske kraft komprimerer membranen. Dette forårsager et fald i tykkelse membran i det aktive område og en forøgelse af overfladen af ​​elektroden. Fordi membranen er strakt, den passive zone omkring elektroden lemper at rumme udvidelsen af den centrale aktive region. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
. Figur 2. Demonstrator aktuatoren fremstillet i denne protokol Venstre: færdige indretning omfattende en strakt siliconemembran fastgjort til et stel, et par kompatibel elektrode mønstret på begge sider af membranen, og elektriske forbindelser. RiGHT: sammensat billede, der viser hviletilstanden (sort) og aktiverede tilstand (cyan). En stigning i diameteren af strukturen 10% observeres med 4 kV påført over elektroderne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. eksploderet afbildning af aktuatoren. De forskellige komponenter, der danner aktuatoren fremstillet i videoen. Indehaveren membranen bevarer den forstrakte siliconemembran og anvendes til at manipulere membranen under elektroden udskrivning trin. Når elektroderne er hærdet, aktuatoren rammen indsat i holderen membranen og giver både en strukturel ramme til at holde aktuatoren, og en elektrisk kontakt til bunden elektrode. Når membranen er fastgjort til aktuatoren ramme, migmbrane indehaver kan fjernes. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Oversigt over produktionsprocessen. (A) Støbning af silikonemembraner anvendelse af en automatisk film applikator coater. (B) Laserskæring af hærdet silikone membran og forstræk understøtninger. (C) anbringelse af silikone membran på forstræk støtte. (D) Frigivelse af silikone membran fra PET-substrat ved opløsning af PAA offerlaget i varmt vand. (E) Skæring af forstræk bæreprofiler forbinder fingrene. (F) forstræk og klæber på indehaveren membranen til membranens overflade. (G) kliché fyldt med conductive blæk. (H) Laser ætset elektrode aligner, indsatte figur viser eksempel på en godt afstemt elektrode. (I) Silikone membran med stemplet elektrode. (J) Færdig enhed. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Arbejdsmetode for membranen prestretcher. (A) En række metal fingre er knyttet til en plastik annulus og er begrænset til at bevæge sig i en lineær (radial) måde langs deres længde. Annulus er begrænset til at bevæge sig langs omkredsen. Den plastiske annulus har flere buede spalter fræset ind i det, i hvilke metalstifter af fingrene bor. Radius af en cirkel afgrænser kanten af fingrene er R1 . (B) Den prestretcher annulus drejes mod uret, fingrene oversætte samtidigt, øger radius af en cirkel afgrænser fingeren kanter fra R1 til R2. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Tykkelse homogenitet de afgivne silikone lag. Tykkelse måling af den hærdede siliconemembran tværs over bredden af 200 mm PET substrat, for tre forskellige gap indstillingerne for applikatoren. Støbningen hastighed er 1 mm / sek. Klik her for at se en større version af dette tal.

indhold "fo: holde-together.within-side =" altid "> Figur 7
Figur 7. Tørfilmtykkelse som funktion af støbning parametre. Lagtykkelse opnået for forskellige applikator højder og hastighed for en silikone-opløsningsmiddel blanding med 62% fast efter volumen. En højere hastighed fører til tyndere membraner til applikator indstillinger lige, og indflydelsen af hastighed stiger med stigende membrantykkelse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. Aktivering af demonstrator. Udenfor diametral strækning som en funktion af den påtrykte spænding til to enheder med en tykkelse (efter forstræk) på 34,5 um. En stigning i diameter på ca. 10% er observeret ved den maksimale anvendte spænding. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9. Strain reaktion på en spænding trininput. En kvadratisk, 3 kV 2 Hz påtrykkes indretningen, generering af en stamme af ca. 4% (se figur 8). Udvidelsen Området er observeret med en høj hastighed kameraet på 4.000 billeder i sekundet. Det tager mindre end 4 msek for aktuatoren at nå 90% af sin endelige dimension. Før og efter overgangen, dimensionen af aktuatoren forblive stabil og ikke viser viskoelastiske krybning. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 10. Dielektriske elastomer lavet med den præsenterede proces flow aktuatorer. Tre eksempler på dielektriske elastomer, som efter den metode, der er beskrevet i dette dokument aktuatorer. (A) Hurtig og bløde afstemmelige linse i stand til at ændre sin brændvidde med 20% på mindre end 200 usek. (B) Rotary elastomer mikro-motor, der kan dreje ved 1500 rpm. (C) Self-kommuterende rullende robot. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Fabrikationsprocessen kan sammenfattes som følger. Starte med at påføre et vandopløseligt offerlag på PET-substrat, der anvendes til støbning af membranen. Derved undgår overdreven deformation under frigivelse proces, der potentielt kan beskadige membranen. Siliconen derefter støbt i et tyndt lag og hærdes i en ovn. A4 PET-folie med silikone belægning skæres i cirkulære skiver med en diameter på 55 mm og fastgjort til fleksible forstræk understøtninger. De forstræk bærere anvendes til manipulering med membranen under offerlaget frigivelse og forstrækning trin. At adskille membranen fra PET substrat, er det dyppet i varmt vand for at opløse offerlaget. Denne proces giver membranen at blive befriet uden at trække det i væsentlig grad. Når membranen er fritstående, kan det strakt. Forstrækning består i mekanisk strække membranen i-planet før fastsættelse det på at holde rammer. Dette trin genererer iEKSTERNE trækkræfter i membranen og er nødvendig for i planet dielektriske elastomer aktuatorer, såsom demonstrant bliver produceret her. I den protokol, vi bruger equi-biaksial stretching, dvs en lige strække værdi i både i-plane retninger. Men afhængigt af anvendelsen, forskellige forstrækning konfigurationer kan anvendes, såsom enaksede (strækker sig kun langs x eller y, medens membranen tillades at slappe af i den anden retning), eller anisotrope (forskellige værdier langs x og y).

En teknik, der kaldes tampontryk anvendes til præcist mønster en kompatibel elektrode på forstrakte siliconemembran, som gør det muligt for præcist at fastsætte mm-størrelse elektroder på membranen. I denne proces, trykfarve påføres med en læge klinge på en kliché (en stålplade, hvor designet, der skal trykkes er ætset, og efterfølgende samlet op fra kliché af en glat silikone stempel, inden de overføres til membranen 13). Nogensindey design kræver sin egen kliché. Disse kan bestilles fra specialiserede virksomheder, som producerer dem fra en elektronisk tegning af geometri. For at gøre en strækbar ledende elektrode, dispergere carbon black i en silikone matrix ved forskydningskræfter under anvendelse kugleformaling, som er en velkendt teknik til at bryde byområder af carbon black og homogent dispergere pulveret i en polymer matrix 18,19.

Ved udskrivning, er det vigtigt, at designet er trykt med en præcis positionering og orientering i forhold til membranen rammen. For at gøre dette, skal du bruge en præcision xy-θ scenen og en aligner. Den aligner er et stykke PMMA i samme form som membranen ramme og har elektrodekonstruktion ætset på dens overflade ved hjælp af en CNC laser gravør. Før du udskriver på membranen, vi udskrive på tilpasningen pladen for at kontrollere justeringen. Hvis det udskrevne design ikke matcher ætset design tilpasser vi xy-θ etape indtil to designs overlap (Figur 4H). I protokollen, toppen og bunden elektrode har samme design, så puden trykmaskine kan urørt mellem ansøgningerne fra de to elektroder. Men i nogle tilfælde, elektroderne geometrier er forskellige for de øverste og nederste elektrode. I dette tilfælde, medens membranerne er i ovnen til hærdning af den øverste elektrode (dvs. mellem trin 3.4.3 og 3.4.4), er det nødvendigt at fjerne klicheen blok (samlingen bestående af klicheen holdes på plads på en magnetisk blok) med blækhus fra puden trykmaskine. Derefter skal den installerede kliché veksles til den med den nederste elektrode design. Fordi kliché blokken er blevet flyttet, er det nødvendigt at foretage en ny opretning (trin 3.3) ved hjælp af en plade aligner ætset med udformningen af ​​den anden elektrode. Når begge elektroder anvendes, skal de tilsluttes en ekstern kørsel kredsløb, der forsyner de afgifter feller aktivering. Der er forskellige løsninger for at gøre de elektriske forbindelser mellem de kompatible elektroder og de drivende elektronik. Her er en fremgangsmåde velegnet til prototyping vist, ved hjælp af klæbende mistbænke og ledende tape (figur 3). Til serieproduktion, anvendelse af printplader med kobber puder kontakte elektroderne er et bedre alternativ (se figur 10A for et eksempel på en indretning fremstillet med en kommerciel PCB).

Brug kommercielt udstyr eller produkter for de fleste trin i procesforløbet. De to undtagelser er måling af tykkelsen af ​​silikonemembraner og forstrækning trin. Til måling af tykkelsen, bruge en hjemmelavet hvidt lystransmission interferometer bestående af en kollimeret hvidlyskilde (pletstørrelse <1 mm) gennemsejle membranen og opsamles ved et spektrometer. Perioden for interferens udkanten af ​​den transmitterede lysintensitet som en function af bølgelængde bruges til at beregne tykkelsen af membranen 20. Bemærk, at andre metoder kan anvendes til at måle tykkelsen, men de skal være ikke-destruktiv, og ideelt kontaktløse at undgå deformering af meget tynde membran. For forstrækning af membranerne, anvende en hjemmelavet radial prestretcher, som består af 8 metalliske fingre, der kan forskydes radialt. At forstræk en membran, er fingrene bevæges indad, således at forstræk støtte kan blive hængende til fingrene på båren (Figur 4E). At forstræk membranen, er fingrene bevæges udad, og således effektivt at forøge diameteren af ​​siliconemembran, hvilket fører til equi-biaksial forstrækning af membranen. De otte fingre er forbundet til en ring, hvis rotation definerer radiale adskillelse af fingrene (figur 5).

Have et effektivt og veletableret procesflow som den præsenteres her er vigtigttil at fremstille reproducerbare enheder, der er robust og pålidelig. Forhold til at købe pre-made film, støbning tynde elastomermembraner giver meget designfrihed, da det giver mulighed vælge og skræddersy egenskaber membranerne til stævningen. For eksempel i tilfælde af siliconeelastomerer, kan hårdheden og brudforlængelse vælges ved at vælge produkter med forskellig kædelængde og tæthed af tværbinding, og tykkelsen kan varieres ved at justere støbeprocessen. Sidstnævnte punkt kan man for eksempel at vælge membrantykkelse og forstræk endelige uafhængigt, hvilket ikke er muligt med pre-made film.

Evnen til præcist mønster elektroden på en lille skala (cm til sub-mm) er også en vigtig forudsætning for DEAs, da de fleste enheder består af aktive og passive zoner på samme membran. Dette indebærer, at elektroden form skal defineres præcist på membranen. Hertil kommer, som elektroderne skal anvendes på begge sideraf membranen, er det nødvendigt at tilpasse de to elektroder i forhold til hinanden: foruden en præcist defineret form, elektroderne skal også positioneres præcist på membranen. Stanseprocessen præsenteres her opfylder disse to krav. Desuden tampontryk er en hurtig proces, som kun få sekunder er nødvendige for at udskrive en elektrode og aktuatorer kan let være batch-behandlet ved hjælp af denne metode. I modsætning til den udbredte carbon fedt eller løst pulver elektroder påføres manuelt, fører vores fremgangsmåde til præcist definerede elektroder, der udgør en stærk vedhæftning til membranen, hvor de anvendes. De er meget modstandsdygtige over for slid, og kan ikke delamineres fra membranen 13. På trods af at tampontryk er en kontaktmetode, kan den anvendes til at påføre blæk på tynde og skrøbelige silikonemembraner, fordi den eneste del, der kommer i kontakt med membranen er en blød silikone stempel. Men der er nogle uundgåelige stiction mellem stempel og the membran, som medfører en mindre deformation af membranen, når stemplet bevæger sig tilbage opad. Hvis membranen er for tyndt, kan det føre til brud af membranen. Dette begrænser effektivt anvendelsen af ​​puden trykmetode til membraner tykkere end 10 um. For tyndere membraner, bør anvendes berøringsfri mønsterruller metoder, såsom inkjet-udskrivning.

Selvom DEAs er blevet undersøgt i mere end 15 år, er de fleste af nutidens DEAs stadig baseret på færdige polyacrylat film kombineret med hånd-påført fedt elektroder. Disse håndlavede metoder har forårsaget DEAs at forblive meste på tilstanden af ​​lab prototyper, med begrænset vedtagelse af industrien, på trods af den interessante præstationer DEAs i form af belastning og strømforbrug. Selvom pålidelige fremstillingsprocesser allerede er blevet offentliggjort, de vedrører fremstilling af unprestretched, stablede kontraktile aktuatorer opnået med dedikerede automatiserede opsætninger 21,22. PRocess flow vi præsenterer her er en alsidig all-purpose proces, der beskriver alle de vigtige skridt, der er nødvendige for at fabrikere en DEA, og som let kan anvendes til at passe en defineret målgruppe ansøgning.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High quality PET substrate, 125 μm thick DuPont Teijin Melinex ST-506 low surface roughness and absence of defects
Isopropanol 99.9% Droguerie Schneitter
Poly(acylic acid) solution (25%) Chemie Brunschwig 00627-50 Mw=50 kDa
Automatic film applicator Zehntner ZAA 2300 with vacuum table
Profile rod applicator Zehntner ACC378.022 22.86 μm
Oven Binder FD 115
Dow Corning Sygard 186 silicone kit Dow Corning Sylgard 186 silicone used for casting membranes
Dow Corning OS-2 silicone solvent Dow Corning OS2 environmentally-friendly solvent. Mixture of 65% Hexamethyldisiloxane and 35% Octamethyltrisiloxane
Thinky planetary mixer Thinky ARE-250
container PE-HD 150 ml Semadeni 1972 Container to mix the silicone for the membrane
Medical grade 125 ml PP wide mouth jar with cap Thinky 250-UM125ML Container to mix the ink
Bearing-Quality steel balls 12 mm McMaster-Carr 9292K49
Universal applicator with adjustable gap Zehntner ZUA 2000.220
Transparency film for overhead projector Lyreco 978.758
Dry silicone transfer adhesive (roll) Adhesive Research Arclear 8932
poly(methyl methacrylate) plate 500 mm x 290 mm x 3 mm Laumat Plexi 3mm
Prestretching rig "home made"
USB spectrometer for visible light Ocean Optics USB4000-VIS-NIR Spectrometer for the thickness measurement
Tungsten halogen white light source Ocean Optics LS-1 Light source for the thickness measurement
400 micrometer optical fiber Ocean Optics QP400-2-VIS-NIR Optical fiber on the spectrometer side for the thickness measurement
600 micrometer optical fiber Ocean Optics P600-2-VIS-NIR Optical fiber on the light source side for the thickness measurement
Carbon black Cabot Black Pearl 2000
Silicone Nusil MED-4901 Nusil MED-4901 silicone used in conductive ink
Pad-printing machine TecaPrint TCM-101
Thin steel cliché 100 mm x 200 mm TecaPrint E052 100 200 Steel plate etched with the design you need to print. The etching is performed by the company selling the cliché.
96 mm inkcup TecaPrint 895103 Component of the pad printing machine in which the ink is contained
Soft silicone 30 mm printing pad TecaPrint T-1013 Printing pad for the pad printing machine
60 W CO2 Laser engraving machine Trotec Speedy 300 To cut frames and foils
Carbon conductive tape SPI supplies 05081-AB For electrical connections to the electrodes
4 channels 5 kV EAP controller Biomimetics laboratory low power high voltage source to test the actuators. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater then 100%. Science. 287, (5454), 836-839 (2000).
  2. Keplinger, C., Li, T., Baumgartner, R., Suo, Z., Bauer, S. Harnessing snap-through instability in soft dielectrics to achieve giant voltage-triggered deformation. Soft Matter. 8, (2), 285-288 (2012).
  3. Böse, H., Fuss, E. Novel dielectric elastomer sensors for compression load detection. Proc. of SPIE. 9056, 905614 (2014).
  4. Koh, S., Keplinger, C., Li, T., Bauer, S., Suo, S. Dielectric Elastomer Generators: How Much Energy Can Be Converted? IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16, (1), 33-41 (2012).
  5. Carpi, F., Frediani, G., Turco, S., De Rossi, D. Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers. Adv. Funct. Mater. 21, (21), 4152-4158 (2011).
  6. Anderson, I., et al. A thin membrane artificial muscle rotary motor. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 98, (1), 75-83 (2010).
  7. Akbari, S., Shea, H. R. An array of 100um x 100um dielectric elastomer actuators with 80% strain for tissue engineering applications. Sens. Actuators A-Phys. 186, 236-241 (2012).
  8. Jordi, C., et al. Large planar dielectric elastomer actuators for fish-like propulsion of an airship. Proc. SPIE. 7642, 764223 (2010).
  9. Maffli, L., Rosset, S., Ghilardi, M., Carpi, F., Shea, H. Ultrafast all-polymer electrically tuneable silicone lenses. Adv. Funct. Mater. 25, (11), (2015).
  10. Rosset, S., Maffli, L., Houis, S., Shea, H. R. An instrument to obtain the correct biaxial hyperelastic parameters of silicones for accurate DEA modeling. Proc. SPIE. 9056, 90560M (2014).
  11. Rosset, S., Shea, H. R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 110, (2), 281-307 (2013).
  12. Rosset, S., O’Brien, B., Gisby, T., Xu, D., Shea, H. R., Anderson, A. Self-sensing dielectric elastomer actuators in closed-loop operation. Smart Mater. Struct. 22, (10), 104018 (2013).
  13. Rosset, S., Shea, H. Towards fast, reliable, and manufacturable DEAs: miniaturized motor and Rupert the rolling robot. Proc. SPIE. 9430, (2015).
  14. Poulin, A., Rosset, S., Shea, H. Toward compression of small cell population: Harnessing stress in passive regions of dielectric elastomer actuators. Proc. SPIE. 9056, 90561Q (2014).
  15. McKay, T., Rosset, S., Anderson, I., Shea, H. Dielectric elastomer generators that stack up. Smart Mater. Struct. 24, (1), 015014 (2015).
  16. Araromi, A., et al. Rollable Multisegment Dielectric Elastomer Minimum Energy Structures for a Deployable Microsatellite Gripper. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 20, (1), 438 (2015).
  17. Romano, P., Araromi, O., Rosset, S., Shea, H., Perruisseau-Carrier, J. Tunable millimeter-wave phase shifter based on dielectric elastomer actuation. Appl. Phys. Lett. 104, (2), 024104 (2014).
  18. Awasthi, K., Kamalakaran, R., Singh, A., Srivastava, O. Ball-milled carbon and hydrogen storage. Int. J. Hydrogen Energy. 27, (4), 425-432 (2002).
  19. Leong, C. K., Chung, D. Carbon black dispersions as thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance. Carbon. 41, (13), 2459-2469 (2003).
  20. Transmission Measurements of Polymer Thin Films. Ocean Optics application note. Available from: http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/App-Note-Transmission-Measurements-of-Polymer-Thin-Films.pdf (2014).
  21. Lotz, P., Matysek, M., Schlaak, H. Fabrication and application of miniaturized dielectric elastomer stack actuators. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16, (1), 58-66 (2011).
  22. Tepel, D., Hoffstadt, T., Maas, J. Automated manufacturing process for DEAP stack-actuators. Proc. SPIE. 9056, 905627 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics