Fabrikasjon Process av silikon-baserte Transformator 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 bidraget viser fremstillingsprosessen dielektriske elastomer transdusere (DETS). DETS er strekkbare kondensatorer som består av et elastomert dielektrisk membran klemt mellom to kompatible elektroder. De store aktiverings stammer av disse svingere når det brukes som aktuatorer (over 300% område belastning) og deres myke og kompatibel naturen har blitt utnyttet for et bredt spekter av bruksområder, inkludert elektrisk tunbare optikk, haptiske tilbakemeldinger enheter, bølgeenergihøsting, deformerbar celle -Kultur enheter, kompatible gripere og fremdrift av en bio-inspirerte fiskelignende luftskip. I de fleste tilfeller er DETS utført med en kommersiell proprietær akryl elastomer og med hånd-påført elektroder av karbonpulver eller karbon fett. Denne kombinasjonen fører til ikke-reproduserbare og langsomme aktuatorer utstilling viskoelastisk krype og en kort levetid. Vi presenterer her en komplett prosessflyt for reproduserbar fabrikasjon av DETS basert på tynn elastomer silisiume filmer, inkludert støping av tynne silikon membraner, membran utslipp og prestretching, mønstrings av robust kompatibel elektroder, montering og testing. Membranene er støpt på fleksibel polyetylentereftalat (PET) substrater belagt med en vannløselig offerlaget for å lette frigivelse. Elektrodene består av carbon black-partikler dispergert i en matrise silikon og mønstret ved hjelp av en stemplings teknikk, noe som fører til nøyaktig definert kompatible elektroder som presenterer en høy adhesjon til det dielektriske membran på hvilke de er brukt.

Introduction

Dielektriske elastomere transdusere (DETS) er myke enheter som består av en elastomer dielektrisk membran (typisk 10-100 um tykk), klemt mellom to kompatible elektroder, for således å danne en gummiaktig en kondensator. DETS kan brukes som aktivatorer som er i stand til å produsere meget store påkjenninger (opp til 1700% overflate-stamme er blitt demonstrert) 2, myke belastningssensorer 3, eller som myke strømgeneratorer 4. Når den brukes som aktuatorer, blir en spenning påtrykkes mellom de to elektroder. Den genererte elektrostatisk kraft presser den dielektriske membranen, redusere dens tykkelse og øke dens overflateareal (figur 1) 1. I tillegg til aktuatorer, kan de samme grunnleggende struktur (tynn elastomer membran og strekkbare elektroder) anvendes som belastning sensor eller energihøsting anordninger, drar nytte av den endring av kapasitans indusert av mekanisk deformasjon. De store stammer generert av dielektriske elastomer enctuators (Deas) og deres myke og kompatibel naturen har vært brukt i mange programmer, for eksempel elektrisk tunbare linser 5, roterende motorer 6, deformerbare celle-kultur enheter 7, og fremdrift av en bio inspirert fiskelignende luftskip 8.

De fleste DETS rapportert i litteraturen bruker en proprietær akryl elastomer film fra 3M heter VHB som dielektriske elastomer membran, fordi det har blitt vist til å stille svært store aktiverings stammer 1. Tilgjengeligheten av dette materialet i filmform er også en viktig faktor i sitt store bruk for DET applikasjoner, selv om (aktivering belastning satt til side), den har en rekke viktige ulemper, som for eksempel mekaniske tap og viskoelastisk kryp som begrenser sin respons hastighet , et lite temperaturområde, og en tilbøyelighet til å rive. Til sammenligning, kan silikonelastomerer også brukes som dielektrisk membran for DETS, som fører til enheter med en reaksjonshastighet 1000 ganger raskereenn akryl elastomerer, på grunn av deres mye reduserte mekaniske tap 9. I tillegg er de tilgjengelig i et stort utvalg av hardheter, noe som gir ekstra designfrihet. Imidlertid er silikoner som regel selges i en viskøs baseform, som må påføres i tynne-membraner til bruk for DETS. Imidlertid gir dette likevel en ekstra frihetsgrad, som tykkelsen av membranen kan velges fritt og er ikke pålagt av produsenten, slik tilfellet er for forhåndslagde filmer.

Denne protokollen viser fremstillingen av et dielektrisk elastomer aktuator. Imidlertid kan den også anvendes med liten eller ingen modifikasjon for fremstilling av dielektriske elastomer transdusere i større betydning, inkludert energihøsting anordninger og belastningssensorer. Vi presenterer her en metode for stort område (A4) støping av tynne (10-100 um) silikonfilmer på fleksible substrater PET belagt med et vannoppløselig offerlag. Offerlaget reduserer kreftene required å skille silikon membranen fra substratet, og dermed redusere den mekaniske deformasjonen av membranen under frigivelse. Deformasjon av filmen kan føre til anisotropiske mekaniske egenskaper på grunn av stress-fremkalt mykgjørende (Mullins effekt) 10 og bør derfor unngås. Elektrodene er de andre nøkkelkomponent i en DET. Deres rolle er å fordele de elektriske ladninger på overflaten av den elastomere membran. For å produsere en pålitelig aktuator, må elektrodene være i stand til å tåle gjentatte belastninger som er høyere enn 20% uten å sprekke, degraderende, delaminering, eller miste ledningsevne; Videre må de være kompatible som å ikke mekanisk stive strukturen 11. Blant de forskjellige teknikker som finnes for å gjøre kompatible elektroder, hånd-anvendt sot partikler eller karbon fett er de to mest brukte metodene 11. Men disse metodene har ganske mange ulemper: applikasjon for hånd hindrer miniatyrisering av enhets, som fører til ikke-reproduserbare resultater og er tidkrevende. I tillegg vil karbonpulver eller fett ikke holder seg til membran og elektroder fremstilt ved denne fremgangsmåten er gjenstand for slitasje og mekanisk slitasje. Også i tilfelle av fett, kan bindingen fluid diffundere inn i det dielektriske membranen og modifisere dets mekaniske egenskaper. Levetiden til un-innkapslet karbonpulver eller fett elektroder er derfor ganske kort. Her presenterer vi mønstringen av kompatible elektroder med en stemplings teknikk heter tampongtrykk hvor en nøyaktig utforming blir overført til membranen via en myk silikon stempel, og dermed gir raskt og reproduserbart mønster presise elektroder, med funksjoner ned til 0,5 mm. Den påførte oppløsning består av en blanding av carbon black i en silikon matrise, som er tverrbundet etter påføring, og dermed fører til herdede elektroder med sterk adhesjon til den elastomere membran, noe som gjør dem meget robust og motstandsdyktig mot mekanisk abrasjon og slitasje.

Følgende protokoll beskriver alle trinnene som kreves for å produsere raske og pålitelige Deas med nettopp mønstrede kompatible elektroder. Dette omfatter membranen støping og prestretching, mønstring og innretting av elektrodene, montering, elektrisk kobling og testing. For formålet med videoen, fremstille vi et enkelt i-planet aktuator med en tannhjulsformet elektrode, som vist i figur 2. Aktuatoren består av en tynn silikonmembran strukket over en membranholder, på hvilken to kompatible elektroder mønstret. En aktuator ramme blir så innsatt for å tilveiebringe elektrisk kontakt med bunnelektroden. Figur 3 viser et utspilt riss av anordningen med de forskjellige komponentene av aktuatoren. Selv om anordningen realiseres i videoen har ingen praktisk anvendelse utenfor viser det grunnleggende prinsipp for deas, har forskjellige aktuatorer rettet mot spesifikke anvendelser blitt gjort med nøyaktig samme prosess, sliksom myke gripelister, tunbare linser, tunbare mm-bølge faseforskyvere, etc.

Protocol

1. Silikon Membran Produksjon

  1. Offerlag casting
    1. Skjær en 400 mm lang ark av høy kvalitet 125 mikrometer tykk PET fra rullen.
    2. Forbered offer-løsning (5% poly akrylsyre i isopropanol etter vekt) blande sammen 32 g isopropanol og 8 g poly akrylsyre-oppløsning (25% i vann) i et 50 ml plastrør. Rist godt.
    3. Rengjør PET underlaget med lofri kluter impregnert med isopropanol.
    4. Rengjør vakuum bordet med lofri kluter impregnert med isopropanol.
    5. Legge PET underlaget på vakuum bordet og slå på vakuumpumpen.
    6. Inspiser vakuum bordet for å sikre at ingen store støvpartikler er fanget mellom vakuum bordet og PET underlaget. Gjenta de forrige renhold trinnene hvis støvpartikler er identifisert.
    7. Rengjør toppen overflaten av PET underlaget med lofri kluter impregnert med isopropanol.
    8. Plasser profilen stang enpplicator på automatisk filmbeleggeren og sette belegget hastigheten til 5 mm / sek.
    9. Satt 2 ml av offerlaget løsning foran profilstaven og start coater maskinen.
    10. Når profilen stang har nådd slutten av PET underlaget løft den ut av belegger og rengjør den ved å tørke av med en lofri klut fuktet med varmt vann.
    11. Trekke filmen applikator men la vakuumpumpen i gang og la PET underlaget på vakuumplate. La laget tørke i luft i 2 min.
  2. Silikon membran casting
    1. Forvarm ovnen til 80 ° C.
    2. Tilsett 15 g av silikon base og 1,5 g av tverrbindingsmiddel til en blanding pot. Tilsett 10 g silikonløsningsmiddel for å redusere viskositeten.
    3. Bland silikonblandingen med en planetblander. Bruk en 2 min blandesyklusen ved 2000 rpm pluss et 2 min avgassing syklus ved 2200 rpm.
    4. Innstille høyden av den universelle applikatoren til 225 um. Plasser applikatoren på toppen av PET-ark og sette tHan film påføringshastigheten til 3 mm / sek.
    5. Overføring 15 ml silikonblanding fra blande potten videre til PET-substrat med en sprøyte.
    6. Start automatisk applikatoren å påføre silikon over hele PET substrat (Figur 4A).
    7. Skru av pumpen og vent i 5 minutter for å la løsningsmidlet fordampe fra det støpte lag.
    8. Overfør membranen på en glassplate og sted i ovnen i 30 minutter ved 80 ° C.
    9. Rengjør applikatoren og vakuum plate med lofri kluter impregnert med isopropanol.
    10. Etter 30 min, fjerner membranen fra ovnen, la den kjøle seg ned på RT for ytterligere 5 min og dekke det med et tynt PET folie for å beskytte overflaten mot forurensninger.

2. Slipp og Prestretching av Elastomeriske Membraner

  1. Forstrekk støtte fabrikasjon
    1. Skjær et A4-størrelse rektangel fra rullen tørr silikon overføring lim.
    2. Fjern en of de beskyttende deksel fra den tørre silikon overføring lim og manuelt bør limet påføres et A4 transparentfilm, ta vare å unngå dannelse av bobler under påføring.
    3. Kutt forstrekk støtte mønster i limet-dekket transparentfilm ved hjelp av en datamaskin numerisk kontroll (CNC) laser gravør (4B) i henhold til produsentens protokoll.
  2. Membran støtte fabrikasjon
    1. Skjær en 500 mm med 290 mm rektangel i rull med tørr silikon overføring lim.
    2. Skrelle bort en av de beskyttende deksler fra det tørre overføringssilikonklebemiddel og laminere folien på en 3 mm tykk poly (metylmetakrylat) (PMMA) plate.
    3. I PMMA ramme, cut ringer av 52 mm utvendig diameter og 44 mm innvendig diameter som vil tjene som holdere membran.
  3. Membran utgivelse
    1. Kutt støpt silikon membran / PET underlaget sandwich fra trinn 1 i sirkler 55 mm i diameter ved hjelp av en CNC laser gravør (4B) i henhold til produsentens protokoll og skrelle bort beskyttelsesfilmen.
    2. Fest laserskåret forstrekk støtte mot kutt silikonmembranen sirkel klebesiden ned, slik at klebemidlet er i kontakt med det silikonbaserte overflate (figur 4C).
    3. Forberede et bad av kokende vann og senk enheten (silikon membran og lim støtte) inn i den.
    4. Mens under vann, langsomt og forsiktig skrelle PET underlaget unna silikon membran (Figur 4D).
    5. Fjerne silikonmembranen fra vannbadet og la det tørke i luft eller bruke en nitrogen pistol for å sette fart på tørkeprosessen.
  4. Membrantykkelse måling og forstrekk
    1. Måle tykkelsen av membranen med en overførings interferometer i henhold til produsentens protokoll.
    2. Sett forstrekkeren til en diameter på 45 mm, og plasser prestretch support-silikonmembran på båren fingrene, selvklebende siden ned.
    3. Kutt forstrekk støtte mellom båre fingrene (figur 4E).
    4. Øke diameteren av forstrekkeren til 58,5 mm til uts-biaksialt forstrekk membranen med en faktor på 1,3 (30% forstrekk) ved dreining av ringrommet forstrekkeren mot urviseren (figur 5).
    5. Ta av dekselet filmen fra PMMA membran holder utsette limet og stikk PMMA membran holder på forspent membran overflaten (Figur 4F).
    6. Skjær rundt membranholderen for å fjerne forspent membran fra båren.
    7. Mål den endelige tykkelsen av forspent membran med en overførings interferometer.

3. mønstring Tilpassede Elektroder etter Pad Printing

  1. Ledende blekk forberedelse
    1. I en 125 ml plast mikser container, plassere 0,8 g sot wed 16 g isopropanol og 6 stålkuler av 12 mm diameter. Bland ved 2000 opm i 10 minutter i en planetblander.
    2. Tilsett 4 g silikon-elastomer del A, 4 g del B, og 16 g isooktan. Bland ved 2000 opm i 10 minutter i en planetblander.
  2. Oppsett av puten utskrift maskin
    1. Installer klisjeen med ønsket elektroden mønster på magnetisk blokk (figur 4G).
    2. Fyll inkcup med den ledende silikonbasert blekk.
    3. Plasser klisjeen blokken (klisjé fast på magnet blokk) på toppen av blekk-fylt inkcup og installere enheten i maskinen.
    4. Fest silikon pad på maskinen.
  3. Alignment
    1. Plasser aligner plate (figur 4H) på skriveren basen.
    2. Start en utskrift syklus på puten utskrift maskin, som vil gjelde elektroden design på aligner plate i henhold til produsentens protokoll.
    3. Visueltinspisere overlappingen av den trykte elektroden og referansen etsede struktur av aligner plate. Flytt xy-θ scenen for å korrigere for eventuelle feiljustering.
    4. Rengjør aligner plate og skrive ut en annen elektrode.
    5. Inspiser innretting med referanse struktur og fortsette å flytte plattformposisjon og utskrift elektroder til du får en perfekt superposisjon av trykt mønster på referanse struktur (figur 4H).
  4. Skrive kompatible elektroder
    1. Plasser et forspent membran på skriveren basen.
    2. På pad utskrift maskin, starte en utskrift syklus å stemple elektroden på membranen oversiden (figur 4I). Stemple membran to ganger for å sikre et tilstrekkelig elektrode tykkelse på ca 4 mikron.
    3. Fjern membranen fra skriveren, plasser den neste forspent membran på skriveren basen og gjenta trykkeprosessen før alt forspent membraner er stemplet.
    4. Plasser membraner med stemplet elektrode i en ovn ved 80 ° C i 30 min.
    5. Etter 30 minutter, fjernes membranene fra ovnen.
    6. Plasser en av de trykte membranene opp ned på skriverens grunnflate, utsette membranen baksiden.
    7. Initiere en utskrift sykle til mønster bunnen elektroden.
    8. Fjern membranen fra skriveren, plasser neste membran på skriveren basen og gjenta utskrift prosessen til alle membraner er stemplet på begge sider.
    9. Plasser membraner i ovn ved 80 ° C i 30 minutter for å tverrbinde den nederste elektrode.

4. Opprette Elektriske tilkoblinger

  1. Cut aktuator rammer som vil tjene som holderamme for aktuatoren i den samme PMMA platen benyttes for membranholderen (cf 2,2) ved hjelp av en CNC laser engraver.
  2. Peel-av backing av limet på toppen av aktuatoren rammen.
  3. Gjelder en 18 mm x 2,5 mm stykke av ledende bånd på den delen av aktuatoren rammen som vil komme i kontakt med bunnelektroden, og brette den til siden av rammen for å tilveiebringe den elektriske kontakt (figur 3).
  4. Skyv aktuatoren ramme inne i membranen holderen, og trykk forsiktig membranen med fingrene for å feste den til limet av aktuatoren rammen.
  5. Med en skalpell, kutt membranen på grensen mellom membranen holder og aktuator ramme og fjerner det tidligere.
  6. Anvende en andre del av 18 mm x 2,5 mm ledende bånd på kontaktsonen til den øvre elektrode.
  7. Plasser en ledning på hvert stykke av ledende tape for å lage en elektrisk forbindelse. Kople de to ledningene til en høy-spenningskilde, og anvende en 2 Hz firkantsignal med 2 kV amplitude. Observere den periodiske utvidelsen av enheten.

Representative Results

Silikon membran casting

Når silikon membraner frigis fra PET-substrat, og er frittstående på en ramme (ved slutten av trinn 2.2), kan deres tykkelse måles, for eksempel ved overføring interferometri. Figur 6 viser tykkelsen homogeniteten av et silikonsjikt på tvers av bredden av det 200 mm PET substrat for 3 forskjellige effektive gap høyder (50, 100 og 150 um) ved en støpehastighet på 1 mm / sek (Merk at fordi applikatoren er bredere enn PET substrat, frem applikatoren hvile på vakuum, og ikke på PET substratet i seg selv, som kan sees i figur 4A. Den effektive avstanden mellom påføringsinnretningen og substratet er derfor lik applikatoren høyde minus tykkelsen av PET-substrat. For eksempel kan en PET substrat av 125 um og en applikator høyde på 225 um, som anvendt i protokollen, fører til en effektiv åpning på 100 um). Til50 um effektiv spaltehøyde, er det en klar høydeforskjell mellom venstre og høyre side av silikonlaget. Dette er fordi høyden av applikatoren må innstilles manuelt på venstre og høyre side, og en feil er uunngåelig. Men med forsiktig innstilling av applikatoren, vi generelt få membraner med en tykkelse standardavvik på mindre enn 1 um, noe som er tilfellet for de 100 um effektive spaltehøyden (σ = 0,81 pm). Når applikatoren høyden blir for stor, starter waviness å vises på membranen, forårsaket av fordampning av løsningsmidlet i silikonblandingen, som er synlig i membranen støpt med en effektiv åpning på 150 um (figur 6).

Forholdet mellom den fremstilte tørrfilmtykkelse og påføringshøyde avhenger av silikonblandingen og hastigheten av støpestykket. Silikonblandingen som ble anvendt i denne artikkel består av en 2-deler av silikon, og et løsningsmiddel for å redusere viscosity av blandingen. Som løsningsmiddel fordamper fra membranen før herding, kan et estimat av filmtykkelsen oppnås ved å multiplisere den effektive spaltehøyden av volumfraksjonen av faststoffer i silikonblandingen. Det er imidlertid dynamiske effekter på den etterfølgende av applikatoren, som fører til opprettelsen av en menisk, og en tynnere tykkelse enn forventet. Forholdet mellom spaltehøyden og den resulterende tørre membrantykkelse er avhengig av støpehastigheten, applikator høyde, og ved applikatoren form. Figur 7 viser resultatene av et eksperiment hvor membranene ble støpt ved forskjellige hastigheter og høyder for å vise hvordan disse parametrene påvirker filmtykkelse. Det kan sees at støping ved høye hastigheter fører til tynnere membraner, og at effekten av hastigheten blir mer uttalt som spaltehøyden øker.

Aktivering Ytelse

Aktuatoren fabrikkert her er karakterisert ved Målting den utvendige diameter av tannlignende elektrode som en funksjon av påtrykt spenning. Et kamera på en fast stativet er brukt til å ta bilder av aktuatoren som spenningen økes. Bildene blir analysert med et bildebehandlingsskript (Vision, National Instruments) for å kvantifisere utvidelse av aktuatoren. Dette ble gjort ved å tilpasse en sirkel på utsiden omkretsen av tannlignende elektrode (figur 8). Økningen i sirkelens diameter fra den avslappede tilstanden er presentert som diametral strekk (dvs. den aktiverte diameter dividert med diameteren av aktuatoren når avslappet). Resultatene av to separate aktuatorer med identisk tykkelse (34,5 um) er vist i figur 8. Begge enhetene være identiske med diametral strekning på 10% ved en aktiveringsspenning på 4 kV.

Reaksjonshastigheten av aktuatoren ble målt ved å bruke en 2 Hz firkantsignal med 3 kV, noe som fører til en belastning på ca. 4%. Utvidelsen av actuator ble filmet med et høyhastighetskamera med en tidsoppløsning på 0,25 ms. En stigende kanten ble tatt til fange, med 200 rammer (50 ms) før spenningen trigger og 200 rammer etter. Bildene hvor analyseres for å ekstrahere den tidsavhengige deformasjoner (figur 9). Stigetiden (tid for å nå 90% av den endelige deformasjon) er 3,75 msek, og det er ingen observerbar viskoelastisk krype før og etter spenningstrinn, i motsetning til hva som er observert når akryl-elastomerene anvendes som membraner, som stiger tider flere hundre sekunder er vanligvis observert 12.

Anvendelse av fremgangsmåten strømmen til andre anordninger

Aktuatoren fremstilt i denne artikkelen, viser vår fremstillingsprosessen, i tillegg til den grunnleggende virkemåten til en DEA med en økning i overflatearealet av elektrodene ved anvendelse av en spenning, og det er derfor en god illustrasjon på denne opplæringen. Men denneAktuatoren har ingen spesifikk formål enn å demonstrere aktiveringen prinsippet for en DEA. Likevel er fremgangsmåten som presenteres her er meget allsidig og kan anvendes for å fremstille et bredt utvalg av myke transdusere rettet mot spesifikke anvendelser. Vi presenterer her noen utvalgte eksempler på programmer som vi utviklet basert på aktuatorer fabrikkert bruker presenteres metodikk.

Myke bio-inspirert tunbare linser har blitt fabrikkert (figur 10A). Disse er i stand til å endre fokallengden med 20% i løpet av mindre enn 200 usek 9. Enheten kan betjenes for mer enn 400 millioner ganger uten merkbar nedgang i aktivering ytelse, noe som viser at kombinasjonen av tilstrekkelige materialer og gode fabrikasjonsprosesser føre til Deas med raske responshastighet og lang levetid. Objektiver av tilsvarende geometri, men laget med den mye brukte kommersielle akryl elastomer VHB har en båndbredde mer enn 3 størrelsesordener mindre

Mønstring av kompatible elektroder med pad utskrift gjør gjøre svært presist definerte elektroder, og dermed gjør fabrikasjon av uavhengige småskala elektroder på samme membran. Dette er for eksempel demonstrert ved fremstilling av et DEA-baserte dreiemotor som omfatter tre elektrisk uavhengige elektroder (figur 10B). Aksen og prøvemassen på midten av motoren kan rotere ved 1500 rpm 13. Motoren konseptet har blitt skjøvet lenger å vise at puten utskrift kan også produsere pålitelige aktuatorer. En selv commutating rullende robot ble bygget for å kjøre runder langs en ​​rundløype (figur 10C). Roboten reist mer enn 25 km med en gjennomsnittshastighet på 15 cm / sek 13.

Andre programmer som har blitt produsert med den nåværende prosessen (eller små variasjoner derav) inkluderer deformerbare cellekultursystemer 14, Transformator elastomer generatorer 16 eller tunbare mm-bølgeradiofrekvens faseforskyvere 17.

Figur 1
Figur 1. Grunnlag dielektriske elastomer aktuatorer Top:. (1A) I sin enkleste form, består et DEA av et mykt elastomer membran klemt mellom to kompatible elektroder. (1B) Når en likespenning påføres mellom elektrodene, de elektrostatiske ladninger bringes på elektrodene skaper en trykkspenning som presser membranen, hvilket fører til en tykkelsesreduksjon og en overflate ekspansjon. Nederst: (2A) til aktuatoren er beskrevet i protokollen består av en membran strekkes på en ramme. Sirkulære elektroder er på hver side av membranen med utvidelser til grensen av membranen for å gi elektriske forbindelser. Den aktive area er den sone der de to elektrodene overlapper hverandre, dvs. sirkelen i midten. (2B) Når en spenning påtrykkes, komprimerer det elektrostatiske kraft membranen. Dette fører til en reduksjon av membranens tykkelse i det aktive område, og en økning av overflaten av elektroden. Fordi membranen er strukket på forhånd, den passive sonen rundt elektroden slapper å imøtekomme utvidelse av den sentrale aktive regionen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
. Figur 2. Demonstrator aktuator fabrikkert i denne protokollen Venstre: ferdige anordning som omfatter en strukket silikonmembran festet på en ramme, et par ettergivende elektrode mønster på begge sider av membranen, og elektriske forbindelser. Right: sammensatt bilde som viser resten staten (svart) og aktivert tilstand (cyan). En 10% økning i diameter av strukturen er observert med 4 kV brukt over elektrodene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. utspilt riss av aktuatoren. De forskjellige bestanddeler som danner aktuatoren fremstilt i videoen. Membranen holder beholder forspent silikonmembranen og brukes til å manipulere membranen under elektroden trykking trinnet. Når elektrodene er herdet, er aktuatoren rammen stukket inn i membranholderen og gir både en strukturell ramme for å holde aktuatoren, og en elektrisk kontakt til bunnelektroden. Når membranen er festet til aktuatoren ramme, megmbrane holderen kan fjernes. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Oversikt over fabrikasjon prosessen. (A) Støping av silikon membraner ved hjelp av en automatisk film applikator coater. (B) Laser skjæring av herdet silikon membran og forstrekk støtter. (C) Plassering av silikon membran på forstrekk støtte. (D) Frigjøring av silikonmembran fra PET-substrat ved oppløsning av PAA offerlag i varmt vann. (E) Skjæring av forstrekk støtteavsnitt knytter fingrene. (F) forstrekk og vedheftende av membranholderen til membranoverflaten. (G) Cliché fylt med dirigentuctive blekk. (H) Laser etset elektrode aligner, innfelt Figuren viser eksempel på et godt justert elektrode. (I) silikon membran med stemplet elektrode. (J) Endelig enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Virkemåte av membranen forstrekkeren. (A) Flere metallfingrene er festet til en plastringrommet og er begrenset til å bevege seg i en lineær (radial) mote langs sin lengde. Ringrommet er begrenset til å bevege seg i omkretsretningen. Plasten har flere ringformede buede slisser maskinert inn i den, inn i hvilken metallpinnene av fingrene bor. Radius av en sirkel byks kanten av fingrene er R1 . (B) Den forstrekker ringrom roteres mot klokken, fingrene sette samtidig, øke radiusen av sirkelen byks fingeren kanter fra R1 til R2. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. tykkelse homogeniteten av de støpte silikonlagene. Tykkelsesmåling av det herdede silikonmembranen over bredden av den 200 mm PET substrat, for tre forskjellige gap innstillinger av applikatoren. Støpehastigheten er 1 mm / sek. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

innhold "fo: keep-together.within-side =" always "> Figur 7
Figur 7. Tørrfilmtykkelse som funksjon av støpeparametere. Tørrfilmtykkelse ble oppnådd for forskjellige høyder og påføringshastigheten for en silikon-løsningsmiddelblanding med 62% tørrstoffinnhold etter volum. En høyere hastighet fører til tynnere membraner for like applikator innstillinger, og påvirkning av hastigheten øker med økende membrantykkelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Aktivering av demonstrasjons. Utenfor diametral strekk som en funksjon av den påtrykte spenning for to enheter med en tykkelse (etter forstrekk) på 34,5 mikrometer. En økning av diameter på omtrent 10% er observert ved maksimal spenningen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9. Sil som reaksjon på et spenningstrinn-inngang. En firkantet, 3 kV 2 Hz signal blir tilført til enheten, å generere en belastning på ca. 4% (se figur 8). Området Ekspansjonen iakttas med en høyhastighetskamera ved 4000 bilder per sekund. Det tar mindre enn 4 ms for aktuatoren for å nå 90% av sin endelige dimensjon. Før og etter overgangen, den dimensjonen av aktuatoren være stabil og ikke viser viskoelastisk krype. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 10. Transformator elastomer aktuatorer laget med den presenterte prosessflyten. Tre eksempler på dielektriske elastomer aktuatorer gjort ved å følge metoden beskrevet i dette dokumentet. (A) Raske og myke tunbare linse i stand til å endre brennvidden med 20% på mindre enn 200 usek. (B) Rotary elastomer mikro-motor i stand til å spinne på 1500 rpm. (C) Selv commutating rullende robot. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Fremstillingsprosessen kan oppsummeres som følger. Begynne med å påføre en vannløselig offerlag på PET-substrat som brukes for støping av membranen. Dette unngår overdreven deformasjon i løpet av frigjøringsprosessen som potensielt kan skade membranen. Silikon blir deretter støpt i et tynt lag og herdet i en ovn. A4 PET-ark med silikon belegg er skåret i sirkulære plater med mm diameter 55, og stakk til fleksible forstrekk støtter. De forstrekk støtter brukes til å manipulere membranen under offer lag utslipp og prestretching trinn. For å separere membranen fra PET substrat, er det dyppet i varmt vann for å oppløse offerlaget. Denne prosessen gjør det mulig for membranen å bli frigjort uten å trekke i den i betydelig grad. Når membranen er frittstående, kan den bli strukket på forhånd. Prestretching består i mekanisk strekk membranen i planet før å fikse det på å holde rammene. Dette trinnet genererer iintern strekkrefter i membranen og som er nødvendig for i-planet dielektriske elastomer aktuatorer, som for eksempel demonstrasjons blir produsert her. I protokollen, bruker vi equi-akset stretching, dvs. en lik strekk verdi i både i-planet retninger. Imidlertid, avhengig av anvendelsen, prestretching forskjellige konfigurasjoner kan anvendes, slik som uniaksial (som strekker seg bare langs x og y, mens membranen tillates å slappe av i den andre retning), eller anisotrope (forskjellige verdier langs x og y).

En teknikk som kalles tampongtrykk brukes til nøyaktig mønster en ettergivende forspent elektrode på den silikonmembranen, noe som gjør det mulig å presisere mm size-elektroder på membranen. I denne prosess blir blekk påføres med en sjaber på en klisjé (en stålplate på hvilken utforming som skal trykkes er etset, og deretter plukket opp fra klisjeen av en glatt silikon stempel før de ble overført til membranen 13). Noen gangy design krever sin egen klisjé. Disse kan bestilles fra spesialiserte selskaper som produserer dem fra en elektronisk tegning av geometri. For å gjøre en elastisk ledende elektrode, disperse carbon black i en silikon matriks ved skjærkrefter ved hjelp av kulemaling, som er en velkjent teknikk for å bryte agglomereringer av carbon black og homogent dispergere pulveret i en polymermatriks 18,19.

Ved utskrift, er det viktig at konstruksjonen er trykt med en nøyaktig posisjonering og orientering i forhold til membranen rammen. For å gjøre dette, kan du bruke en presisjon xy-θ scenen og en aligner. Den aligner er en del av PMMA i samme form som membranen rammen og har elektroden utformingen etset på sin overflate ved hjelp av en CNC laser engraver. Før du skriver ut på membranen vi ut på justeringsplaten for å sjekke justeringen. Hvis trykt design samsvarer ikke med etset motiv vi justere xy-θ scenen inntil to design overlap (figur 4H). I protokollen, den øverste og nederste elektrode har samme utforming, slik at tampongtrykkmaskinen kan stå urørt mellom anvendelse av de to elektrodene. Men i noen tilfeller er elektrodene geometrier er forskjellig for de øvre og nedre elektrode. I dette tilfelle, mens membranene er i ovnen for herding av toppelektroden (dvs. mellom trinn 3.4.3 og 3.4.4), er det nødvendig å fjerne klisjeen blokken (montasjen bestående av den klisjé som holdes på plass på en magnetisk blokk) med inkpot fra pad utskrift maskin. Deretter må det installeres klisjeen byttes mot den med bunnen elektroden design. Fordi klisjeen blokken er blitt beveget, er det nødvendig å foreta en ny justeringsprosedyre (trinn 3.3) ved hjelp av en aligner plate etset med utformingen av den andre elektroden. Når begge elektrodene er anvendt, de trenger å være koblet til en ekstern kjøring kretsen som forsyner anklagene feller aktivering. Det finnes ulike løsninger for å gjøre de elektriske forbindelser mellom kompatible elektroder og kjøre elektronikk. Her er en fremgangsmåte godt egnet for proto vist, ved hjelp av klebemiddel dekket av rammer og ledende bånd (figur 3). For serieproduksjon, er bruken av trykte kretskort med kobber elektrodene i kontakt elektrodene et bedre alternativ (se Figur 10A for et eksempel på en anordning utført med en kommersiell PCB).

Bruke kommersielt utstyr eller produkter for de fleste av trinnene i prosessen flyt. De to unntak er måling av tykkelsen av silikon membraner og prestretching trinnene. For tykkelsen måling, bruk en hjemmelaget hvitt lys overføring interferometer som består av en kollimert hvit lyskilde (spot størrelse <1 mm) traversering membranen og innsamlet av et spektrometer. Perioden av interferensstriper i det overførte lysintensitet som en fuksjon av bølgelengde blir brukt til å beregne tykkelsen av membranen 20. Legg merke til at andre metoder kan anvendes for å måle tykkelsen, men de må være ikke-destruktiv, og ideelt sett kontaktløs for å unngå deformering av meget tynn membran. For prestretching av membraner, bruk en hjemmelaget radial forstrekker, som består av 8 metalliske fingre som kan ford radialt. For å forstrekk en membran, blir fingrene beveges innover, slik at den forstrekk støtte kan sitte fast til fingrene av båren (figur 4E). For å forstrekk membranen, blir fingrene beveges utover, og dermed effektivt å øke diameteren av silikon membran, som fører til like-akset prestretching av membranen. De åtte fingrene er forbundet til en ring, hvis rotasjon definerer radiale adskillelse av fingrene (figur 5).

Å ha et effektivt og godt etablert prosessflyt slik som den som er presentert her er viktigå produsere reproduserbare enheter som er robuste og pålitelige. Forhold til å kjøpe ferdiglagde filmer, støping tynne elastomermembraner gir mye designfrihet, som gjør det mulig å velge og skreddersy egenskapene til membranene til søknaden. For eksempel i tilfellet med silikon-elastomerer, kan hardheten og bruddforlengelsen bli valgt ved å velge produkter med forskjellig kjedelengde og tettheten av tverrbinding, og tykkelsen kan varieres ved regulering av støpeprosessen. Sistnevnte punkt gjør det mulig for eksempel å velge endelig membrantykkelse og forstrekk uavhengig av hverandre, noe som ikke er mulig med forhåndslaget film.

Evnen til nøyaktig mønster elektroden i liten skala (cm for å under mm) er også en viktig forutsetning for deas, som de fleste anordninger består av aktive og passive soner på samme membran. Dette innebærer at elektroden formen må være nøyaktig definert på membranen. I tillegg, som elektroder må påføres på begge siderav membranen, er det nødvendig å innrette de to elektroder i forhold til hverandre: i tillegg til en nøyaktig definert form, elektrodene må også være nøyaktig plassert på membranen. Den stemplingsprosessen som presenteres her, oppfyller disse to krav. Videre er pad utskrift en rask prosess, som bare noen få sekunder er pålagt å skrive ut en elektrode, og aktuatorer kan lett bli batch-behandlet ved hjelp av denne metoden. I motsetning til den brukte karbon fett eller løse pulver elektroder påføres manuelt, fører vår tilnærming til nøyaktig definert elektroder som presenterer en sterk adhesjon til membranen på hvilke de er brukt. De er meget motstandsdyktig mot slitasje, og kan ikke bli delaminert fra membranen 13. Til tross for det faktum at puten utskrift er en kontaktmetode, kan den brukes til å påføre blekk på tynne og skjøre silikon membraner, fordi den eneste delen som kommer i kontakt med membranen er en myk silikon stempel. Men det er en uunngåelig stiction mellom stempel og the membran, som bevirker en liten deformasjon av membranen når stempelet beveger seg tilbake oppover. Hvis membranen er for tynn, kan dette føre til brudd på membranen. Dette begrenser effektivt anvendelsen av tampongtrykkmetoden til membraner som er tykkere enn 10 mikrometer. For tynnere membraner, bør ikke-kontakt mønstrings metoder brukes, for eksempel blekkutskrifter.

Selv Deas har blitt studert i mer enn 15 år, de fleste av dagens Deas fortsatt basert på ferdige polyakrylsyreestere filmer kombinert med hånd påføres smøre elektroder. Disse håndlagde metoder har forårsaket Deas å forbli stort sett på tilstanden i lab prototyper, med begrenset adopsjon av industrien, til tross for interessant ytelsen Deas i form av belastning og strømforbruk. Selv pålitelige fabrikasjonsprosesser har allerede blitt publisert, gjelder de produksjon av unprestretched, stablet kontraktile aktuatorer oppnådd med dedikerte automatiserte oppsett 21,22. PRocess strømme presenterer vi her er en allsidig all-purpose prosess som beskriver alle de viktige trinnene som er nødvendige for å fremstille en DEA, og som lett kan anvendes til å passe et definert mål søknad.

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