Processo de fabricação de base de silicone dielétricos Elastomer Atuadores

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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).

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Abstract

Esta contribuição demonstra o processo de fabricação de transdutores de elastômero dielétrico (DETs). DETs são capacitores elásticos constituídos por uma membrana dielétrica elastomérica ensanduichada entre dois eletrodos conformes. Os grandes deformações destes transdutores de atuação quando usado como atuadores (mais de 300% de área de tensão) e sua natureza suave e complacente tem sido explorado para uma ampla gama de aplicações, incluindo óptica eletricamente ajustáveis, dispositivos haptic feedback, a colheita de energia das ondas, células deformável -Cultura dispositivos compatíveis, garras, e de propulsão de um dirigível peixe-como bio-inspirado. Na maioria dos casos, DETs são feitos com um elastómero comercial proprietária acrílico e com os eléctrodos aplicados à mão de pó de carbono ou massa de carbono. Essa combinação leva a atuadores não reproduzíveis e lentos que exibem deformação viscoelástica e um curto tempo de vida. Nós apresentamos aqui um fluxo de processo completo para a fabricação reprodutível de DETs baseada no silício elastomérica finae filmes, incluindo vazamento de membranas de silicone fino, liberação membrana e pré-estiramento, padronização de robusta compatível com eletrodos, montagem e testes. As membranas são expressos em tereftalato de polietileno (PET) flexível substratos revestidos com uma camada sacrificial solúvel em água para facilitar a libertação. Os eléctrodos consistem em partículas de carvão negro dispersos em uma matriz de silicone e modelado usando uma técnica de estampagem, o que leva a precisamente definida eléctrodos flexíveis que apresentam uma elevada aderência à membrana dieléctrico em que eles são aplicados.

Introduction

Transdutores de elastômero dielétrico (DETs) são dispositivos macias que consistem de uma membrana elastomérica dieléctrico (tipicamente 10-100 mm de espessura), ensanduichado entre dois eléctrodos flexíveis, formando assim um condensador elástico 1. DETs podem ser utilizados como actuadores capazes de produzir muito grandes linhagens (até 1,700% de tensão de superfície foi demonstrada) 2, sensores de tensão 3 moles, ou como geradores de energia 4 moles. Quando utilizados como actuadores, é aplicada uma voltagem entre os dois eléctrodos. A força electrostática gerada aperta a membrana dieléctrico, reduzindo a sua espessura e aumentar a sua área de superfície (Figura 1) 1. Além de actuadores, a mesma estrutura de base (membrana fina de elastómero e eléctrodos elásticos) pode ser usado como sensor de pressão ou dispositivos de captação de energia, aproveitando a mudança de capacitância induzida por deformação mecânica. As grandes tensões geradas por um dieléctrico elastómeroctuators (DEAs) e sua natureza suave e complacente foi usado para muitas aplicações, tais como lentes eletricamente ajustáveis ​​5, 6 motores rotativos, dispositivos de cultura celular deformáveis ​​7 e propulsão de um bio-inspirado peixe gosta do dirigível 8.

A maioria dos DETs relatado na literatura usa uma película de elastómero acrílico patenteado da 3M VHB nomeado como membrana de elastómero dieléctrico, uma vez que tem sido mostrada a exibir muito grandes tensões de accionamento 1. A disponibilidade deste material em forma de película é também um factor-chave para a sua ampla utilização para aplicações DET, mesmo que (estirpe accionamento anular), que tem um certo número de inconvenientes importantes, tais como as perdas mecânicas e viscoelástico fluência que limitam a velocidade de resposta , uma faixa de temperatura operacional pequeno, e uma propensão para rasgar. Em comparação, os elastómeros de silicone podem também ser usados ​​como dieléctrico para DETs membrana, conduzindo a dispositivos com uma velocidade de 1.000 vezes mais rápida respostade elastômeros acrílico, devido às suas reduzidas tanto as perdas mecânicas 9. Além disso, eles estão disponíveis numa grande gama de durezas, o que dá liberdade de concepção adicional. No entanto, os silicones são geralmente vendidas na forma de base viscosa, que deve ser aplicado em membranas finas a serem utilizados para DETs. No entanto, esta proporciona ainda um grau adicional de liberdade, como a espessura da membrana pode ser escolhido livremente e não é imposta pelo fabricante, como é o caso de filmes pré-fabricados.

Este protocolo apresenta a fabricação de um actuador de elastómero dieléctrico. No entanto, ele pode também ser aplicado com pouca ou nenhuma modificação para o fabrico de transdutores de elastómero dieléctricos em um sentido mais amplo, incluindo os dispositivos de captação de energia e sensores de deformação. Nós apresentamos aqui um método para a grande área (A4) de elenco de filmes finos (10-100 mm) em substratos de silicone flexíveis PET revestidas com uma camada sacrificial solúvel em água. A camada sacrificial reduz a req forçasuired para separar a membrana de silicone a partir do substrato, reduzindo assim a deformação mecânica da membrana durante a libertação. Deformação do filme pode levar a propriedades mecânicas anisotrópicas devido ao estresse induzido por amolecimento (efeito Mullins) 10 e deve, portanto, ser evitado. Os eletrodos são o segundo componente-chave de um DET. A sua função é a de distribuir as cargas eléctricas na superfície da membrana elastomérica. Para produzir um actuador de confiança, os eléctrodos devem ser capazes de resistir a tensões repetidas mais elevados do que 20% sem fissuração, degradante, delaminação, ou perda de condutividade; Além disso, eles devem estar em conformidade, para não endurecer mecanicamente a estrutura 11. Entre as diferentes técnicas que existem para fazer eléctrodos flexíveis, partículas pretas de carbono aplicado a mão ou massa de carbono são os dois métodos mais usados ​​11. No entanto, estes métodos têm muito poucas desvantagens: aplicação à mão evita a miniaturização de dispositivoss, conduz a resultados reprodutíveis e não é demorado. Além disso, o pó de carbono ou gordura não adere à membrana e eléctrodos produzidos por este método estão sujeitas a desgaste e abrasão mecânica. Além disso, no caso de massa lubrificante, o fluido de ligação pode difundir-se na membrana dieléctrica e modificar as suas propriedades mecânicas. A vida útil de pó ou gordura eletrodos de carbono encapsulado-un é, portanto, bastante curta. Aqui, nós apresentamos os padrões de eléctrodos flexíveis por uma técnica chamada impressão da almofada de estampagem, em que um desenho preciso é transferido para a membrana através de um selo de silicone macio, permitindo assim ao padrão eléctrodos de forma rápida e reprodutível, com características precisas para 0,5 mm. A solução aplicada é composta por uma mistura de negro de carbono numa matriz de silicone, que é reticulado após a aplicação, conduzindo assim a eléctrodos curados com uma forte adesão à membrana de elastómero, tornando-os muito resistente e resistente à abrasão e ao desgaste mecânico.

O protocolo a seguir descreve todas as etapas necessárias para a fabricação de DEAs rápidos e confiáveis ​​com eléctrodos flexíveis precisamente estampados. Isso inclui fundição de membrana e pré-estiramento, padronização e alinhamento dos eletrodos, a montagem, conexão elétrica e testes. Para a finalidade do vídeo, que fabricar um simples actuador no plano de um eléctrodo em forma de engrenagem, como mostrado na Figura 2. O actuador é constituído por uma membrana de silicone fino esticado sobre um suporte de membrana, sobre a qual dois eléctrodos flexíveis são padronizados. É então inserida uma moldura de actuador para proporcionar contacto eléctrico com o eléctrodo de fundo. A Figura 3 mostra uma vista explodida do conjunto com as diferentes componentes do actuador. Embora o dispositivo realizada no vídeo não tem aplicação prática para além de demonstrar o princípio básico de DEAs, diferentes actuadores destinados a aplicações específicas foram feitos usando o mesmo processo, talcomo pinças macias, lentes sintonizáveis, de deslocamento de fase ajustáveis ​​mm de onda, etc.

Protocol

1. Silicone Membrane Produção

  1. Fundição camada sacrificial
    1. Corte uma folha de 400 mm de comprimento de alta qualidade PET 125 mm de espessura a partir do rolo.
    2. Preparar a solução de sacrifício (5% de ácido acrílico poli em isopropanol, em peso): misturar 32 g de isopropanol e 8 g de solução de ácido poli acrílico (25% em água) num tubo de plástico de 50 ml. Agite bem.
    3. Limpe o substrato de PET com toalhetes sem fiapos impregnados com isopropanol.
    4. Limpe o tabuleiro de vácuo com toalhetes sem fiapos impregnados com isopropanol.
    5. Coloque o substrato de PET na mesa de vácuo e ligar a bomba de vácuo.
    6. Inspeccione visualmente mesa de vácuo para assegurar que não há grandes partículas de pó são presas entre a mesa de vácuo e o substrato de PET. Repita os passos anteriores de limpeza se as partículas de poeira são identificados.
    7. Limpe a superfície superior do substrato de PET com toalhetes sem fiapos impregnados com isopropanol.
    8. Colocar o perfil de uma hastepplicator no revestidor automático do filme de revestimento e definir a velocidade de 5 mm / seg.
    9. Coloque 2 ml de solução de camada sacrificial na frente da barra de perfil e iniciar a máquina de revestimento.
    10. Quando a haste perfil atingiu o final do PET substrato tirá-la do coater e limpe-a com um toalhete embebido em água quente sem fiapos.
    11. Retrair o aplicador de filme, mas deixe o aspirador bomba em funcionamento e deixar o substrato de PET na placa de vácuo. Deixe que a camada seca ao ar durante 2 min.
  2. Fundição membrana de silicone
    1. Pré-aqueça o forno a 80 ° C.
    2. Adicionar 15 g de base de silicone e 1,5 g de agente de reticulação para um vaso de mistura. Adiciona-se 10 g de solvente de silicone para diminuir a viscosidade.
    3. Misturar a mistura de silicone com um misturador planetário. Usar um ciclo de mistura 2 min a 2.000 rpm, mais um ciclo de desgaseificação 2 min a 2200 rpm.
    4. Ajustar a altura do aplicador universal a 225 uM. Coloque o aplicador na parte superior da folha de PET e definir tele filmar velocidade aplicador a 3 mm / seg.
    5. Transferir 15 ml de uma mistura de silicone a partir do vaso de mistura para o substrato de PET com uma seringa.
    6. Inicie o aplicador automático para aplicar silicone sobre o substrato de PET completo (Figura 4A).
    7. Desligue a bomba e aguarde 5 minutos para deixar o solvente evaporar a partir da camada elenco.
    8. Transferir a membrana numa placa de vidro, e colocados no forno durante 30 minutos a 80 ° C.
    9. Limpe o aplicador e placa de vácuo com toalhetes sem fiapos impregnados com isopropanol.
    10. Após 30 min, remover a membrana do forno, deixou-se arrefecer até à temperatura ambiente durante mais 5 min e cobri-lo com uma fina folha de PET para proteger a superfície de contaminantes.

2. Solte e pré-estiramento elastoméricos de Membranas

  1. Fabricação de apoio pré-alongamento
    1. Corte um retângulo de tamanho A4 a partir do rolo de adesivo de transferência de silicone seco.
    2. Remova um of as tampas de proteção do adesivo de transferência de silicone seco e manualmente aplicar o adesivo sobre um filme de transparência A4, tendo o cuidado de evitar a formação de bolhas durante a aplicação.
    3. Corte o padrão de suporte pré-alongamento para o filme de transparência cobertas de adesivo usando um computador controle numérico (CNC) gravador do laser (Figura 4B) de acordo com o protocolo do fabricante.
  2. Fabricação de suporte de membrana
    1. Corte de 500 mm por 290 milímetros retângulo no rolo de adesivo de transferência de silicone seco.
    2. Peel longe um dos coberturas de protecção do adesivo de transferência de silicone seco e laminar a folha em um 3 mm de espessura poli (metacrilato de metila) (PMMA) placa.
    3. No quadro PMMA, anéis de corte de 52 mm de diâmetro externo e 44 mm de diâmetro interno, que servirá como titulares de membrana.
  3. Liberação membrana
    1. Corte a membrana elenco silicone / PET sanduíche substrato do passo 1 em círculos 55 mm de diâmetroeter usando um laser gravadora CNC (Figura 4B) de acordo com o protocolo do fabricante e retire a película protetora.
    2. Corrigir o corte a laser pré-alongamento apoiar sobre o lado adesivo do corte círculo membrana de silicone para baixo, de tal modo que o adesivo está em contacto com a superfície de silicone (Figura 4C).
    3. Prepare um banho de água fervente e ponha todas as peças (membrana de silicone e apoio adesivo) para ele.
    4. Enquanto submerso, suave e lentamente descascar o substrato de PET de distância a partir da membrana de silicone (Figura 4D).
    5. Remover a membrana de silicone a partir do banho de água e deixá-la secar ao ar ou usar uma pistola de azoto para acelerar o processo de secagem.
  4. Medição da espessura da membrana e pré-alongamento
    1. Medir a espessura da membrana com um interferómetro de transmissão de acordo com o protocolo do fabricante.
    2. Definir a prestretcher para um diâmetro de 45 mm, e colocar o prestrmembrana de suporte de silicone etch nos dedos de maca, lado adesivo para baixo.
    3. Cortar o apoio pré-alongamento entre os dedos de maca (Figura 4E).
    4. Aumentar o diâmetro do prestretcher de 58,5 mm a pré-alongamento equi-biaxialmente a membrana por um factor de 1,3 (30% pré-alongamento), rodando o anel prestretcher sentido anti-horário (Figura 5).
    5. Remover a película de cobertura de membrana de suporte do PMMA expondo o adesivo e manter a membrana de suporte de PMMA sobre a superfície da membrana pré-esticado (Figura 4F).
    6. Cortar em torno do suporte da membrana para remover a membrana pré-esticado da maca.
    7. Medir a espessura final da membrana pré-esticado com um interferómetro de transmissão.

3. Conformidade padronização Eletrodos por tampografia

  1. Preparação de tinta condutora
    1. Em um 125 ml de plástico misturador de recipiente, coloque 0,8 g de carbono preto wom 16 g de isopropanol e 6 bolas de aço de 12 mm de diâmetro. Misture a 2.000 rpm durante 10 minutos num misturador planetário.
    2. Adicionar 4 g de elastômero de silicone parte A, 4 g parte B, e 16 g isooctano. Misture a 2.000 rpm durante 10 minutos num misturador planetário.
  2. Configuração da máquina de tampografia
    1. Instale o clichê com o padrão desejado eletrodo no bloco magnética (Figura 4G).
    2. Encher o inkcup com a tinta à base de silicone condutor.
    3. Coloque o bloco cliché (cliché fixa no bloco magnético) no topo da inkcup cheia de tinta e instale o conjunto na máquina.
    4. Fixar a almofada de silicone na máquina.
  3. Alinhamento
    1. Colocar a placa alinhador (Figura 4H) na base da impressora.
    2. Iniciar um ciclo de impressão na máquina de impressão da almofada, que se aplicará o projeto eletrodo na placa alinhador de acordo com o protocolo do fabricante.
    3. Visualmenteinspeccionar a sobreposição do eléctrodo impresso e a estrutura da placa de alinhador de referência gravado. Mover a plataforma XY-θ para corrigir qualquer desalinhamento.
    4. Limpe a placa alinhador e imprimir outro eletrodo.
    5. Inspecione visualmente o alinhamento com a estrutura de referência e continuar mover a posição de plataforma e impressão de eletrodos até obter uma superposição perfeita do padrão impresso na estrutura de referência (Figura 4H).
  4. Impressão de eléctrodos flexíveis
    1. Coloque uma membrana pré-esticado na base da impressora.
    2. Na máquina de tampografia, lançar um ciclo de impressão para carimbar o eletrodo na membrana lado superior (Figura 4I). Selo a membrana duas vezes para assegurar uma espessura suficiente de eléctrodo de cerca de 4 mm.
    3. Remover a membrana a partir da base da impressora, coloque a próxima membrana pré-esticado sobre a base da impressora e repetir o processo de impressão até que todo o pré-esticado MEMbranas são carimbados.
    4. Coloque as membranas com o eléctrodo estampado num forno a 80 ° C durante 30 min.
    5. Após 30 min, remover as membranas a partir do forno.
    6. Coloque uma das membranas impressos de cabeça para baixo na base da impressora, expondo membrana lado de trás.
    7. Iniciar um ciclo de impressão para o padrão do eletrodo de fundo.
    8. Remover a membrana a partir da base da impressora, colocar a membrana no lado da base da impressora e repetir o processo de impressão até que todas as membranas são estampadas em ambos os lados.
    9. Coloque as membranas no forno a 80 ° C durante 30 minutos para reticular o eléctrodo inferior.

4. Criação de Conexões Elétricas

  1. Quadros Cut atuador que servirão como que prende o frame do atuador com a mesma placa PMMA utilizado para o titular da membrana (cf 2.2) usando um laser gravadora CNC.
  2. Peel-off o apoio do adesivo sobre a parte superior da estrutura do actuador.
  3. Aplicar um de 18 mm x 2,5 mm pedaço de fita condutiva sobre a parte da estrutura do actuador, que entrará em contacto com o eléctrodo de fundo, e dobrá-lo para o lado da estrutura para proporcionar o contacto eléctrico (Figura 3).
  4. Deslize o quadro atuador dentro do suporte da membrana, e pressione suavemente a membrana com os dedos para colá-la ao adesivo do quadro atuador.
  5. Com um bisturi, cortar a membrana na fronteira entre o suporte e a membrana de acionamento da estrutura e remover o ex.
  6. Aplicar uma segunda peça de 18 mm x 2,5 mm de fita condutora na zona de contacto da parte superior do eléctrodo.
  7. Coloque um fio em cada pedaço de fita condutora para fazer uma conexão elétrica. Conecte os dois fios a uma fonte de alta tensão, e aplicar um sinal quadrado de 2 Hz de amplitude 2 kV. Observar a expansão periódica do dispositivo.

Representative Results

Fundição membrana de silicone

Uma vez que as membranas de silicone são libertadas a partir do substrato de PET e são independentes sobre um quadro (no final do passo 2.2), a sua espessura pode ser medida, por exemplo, por interferometria de transmissão. A Figura 6 mostra a homogeneidade da espessura de uma camada de silicone entre a largura do substrato de PET 200 mm para 3 diferentes alturas gap eficaz (50, 100 e 150 uM) a uma velocidade de vazamento de 1 mm / seg (notar que, porque o aplicador é mais largo do que o substrato de PET, os pés do resto do aplicador sobre a vácuo e não no próprio substrato de PET, como pode ser visto na Figura 4A. A diferença efectiva entre o aplicador e o substrato é, portanto, igual à altura do aplicador menos a espessura do substrato de PET. Por exemplo, um substrato de PET de 125 um e aplicador uma altura de 225 mm, tal como utilizado no protocolo, leva a um intervalo eficaz de 100 um). Paraa altura do espaço vazio 50 um eficaz, existe uma clara diferença de altura entre o lado esquerdo eo lado direito da camada de silicone. Isto é porque a altura do aplicador deve ser ajustado manualmente no lado esquerdo e direito, e algum erro é inevitável. No entanto, com ajuste cuidadoso do aplicador, que geralmente se obter membranas com um desvio padrão de espessura inferior a 1 mm, que é o caso para a altura do espaço vazio 100 um eficaz (σ = 0,81 uM). Quando a altura aplicador torna-se muito grande, a ondulação começa a aparecer sobre a membrana, causada pela evaporação do solvente na mistura de silicone, como é visível na membrana fundido com um intervalo eficaz de 150 um (Figura 6).

A relação entre a espessura do filme seco obtida e a altura aplicador depende da mistura de silicone e a velocidade de fundição. A mistura de silicone utilizado neste artigo é composto de um silicone de 2-componentes, e um solvente para diminuir a VIscosity da mistura. À medida que o solvente se evapora a partir da membrana antes da cura, uma estimativa da espessura da película pode ser obtida multiplicando a diferença de altura efectiva da fracção de volume de sólidos na mistura de silicone. No entanto, existem efeitos dinâmicos no arrasto do aplicador, o que leva à criação de um menisco e uma espessura mais fina do que o esperado. A relação entre a altura do espaço vazio e a espessura da membrana seca resultante depende da velocidade de vazamento, a altura do aplicador, e por a forma de aplicação. A Figura 7 mostra os resultados de uma experiência em que as membranas foram moldados a velocidades diferentes e alturas para mostrar como estes parâmetros afectam espessura de filme seco. Pode ser visto que a altas velocidades de fundição para membranas mais finas leva, e que o efeito da velocidade torna-se mais pronunciada à medida que aumenta a altura do espaço vazio.

Desempenho atuação

O actuador fabricado aqui é caracterizado por MEASURing o diâmetro exterior do eléctrodo da roda denteada semelhante como uma função da tensão aplicada. Uma câmera em um suporte fixo é usado para tirar fotos do atuador como a tensão é maior. As imagens são analisadas com um roteiro de processamento de imagem (Vision, National Instruments) para quantificar a expansão do actuador. Isto foi feito através do ajuste de um círculo com o perímetro exterior da roda dentada como eléctrodo (Figura 8). O aumento do diâmetro do círculo do estado relaxado é apresentado como estiramento diametral (isto é, o diâmetro accionado dividido pelo diâmetro do actuador quando relaxado). Os resultados de dois actuadores independentes de espessura idêntica (34,5 ^ M) são mostrados na Figura 8. Ambos os dispositivos funcionam de forma semelhante com estiramento diametral de 10% com uma tensão de 4 kV accionamento.

A velocidade de resposta do actuador foi medido através da aplicação de um sinal quadrado de 2 Hz de 3 kV, que conduz a uma tensão de cerca de 4%. A expansão do actuator foi filmado com uma câmera de alta velocidade com uma resolução de tempo de 0.25 ms. A borda de subida foi capturado, com 200 quadros (50 ms) antes de o gatilho tensão, e 200 quadros depois. As imagens, onde, em seguida, analisadas para extrair a deformação dependente do tempo (Figura 9). O tempo de subida (tempo necessário para atingir 90% da deformação final) é de 3,75 ms, e não há nenhuma deformação viscoelástica observável antes e após o passo de tensão, ao contrário do que é observado quando elastómeros acrílicos são utilizados como as membranas, para que se erguem tempos de várias centenas de segundos são geralmente observadas 12.

Aplicação do fluxo do processo para outros dispositivos

O actuador fabricado neste artigo demonstra o nosso processo de fabrico, assim como o princípio de funcionamento básico de um DEA com um aumento na área de superfície do eléctrodo por aplicação de uma tensão, e é, portanto, um bom exemplo para este tutorial. No entanto, esteatuador não tem nenhum propósito específico, para além demonstrando o princípio da actuação de um DEA. No entanto, o processo aqui apresentado é muito versátil e pode ser utilizado para fabricar uma grande variedade de transdutores macias destinadas a aplicações específicas. Nós apresentamos aqui alguns exemplos selecionados de aplicativos que desenvolvemos com base em atuadores fabricados utilizando a metodologia apresentada.

Lentes ajustáveis ​​bio-inspirados macios foram fabricadas (Figura 10A). Estes são capazes de alterar o comprimento focal de 20% em menos de 200 ms 9. O dispositivo pode ser acionado por mais de 400 milhões de ciclos sem diminuição notável no desempenho de atuação, o que mostra que a combinação de materiais adequados e bons processos de fabricação resultar em DEAs com velocidades de resposta rápidos e vida longa. Lentes de geometria similar mas feita usando o elastómero acrílico comercial largamente usado VHB tem uma largura de banda de mais de 3 ordens de grandeza menor

Padronização dos eléctrodos compatíveis com tampografia permite fazer eletrodos muito precisamente definidas, permitindo, assim, a fabricação de eletrodos de pequena escala independentes na mesma membrana. Isto é demonstrado, por exemplo, através da fabricação de um motor rotativo com base-DEA compreendendo três eléctrodos electricamente independentes (Figura 10B). O eixo e massa de prova no centro do motor pode girar a 1500 rpm 13. O conceito do motor foi empurrado ainda mais para mostrar que tampografia também pode produzir atuadores confiáveis. Um robô de rolamento auto-comutação foi construído para executar voltas ao longo de uma pista circular (Figura 10C). O robô viajou mais de 25 km a uma velocidade média de 15 cm / s 13.

Outras aplicações que tenham sido produzidos com o presente processo (ou pequenas variações dos mesmos) incluem sistemas de cultura de células deformáveis ​​14, geradores de elastômero dielétrico 16 ou ajustáveis ​​mm de ondas de rádio freqüência transformadores de fase 17.

figura 1
Figura 1. Princípio básico de atuadores de elastômeros dielétricos Top:. (1A) Na sua forma mais simples, um DEA consiste numa membrana de elastômero ensanduichada entre dois eletrodos conformes. (1B) Quando uma tensão de CC é aplicada entre os eléctrodos, as cargas electrostáticas trazido sobre os eléctrodos de criar uma tensão de compressão que comprime a membrana, levando a uma redução de espessura e uma superfície de expansão. Parte inferior: (2A) do actuador descrito no protocolo consiste numa membrana esticada sobre uma armação. Eléctrodos circulares são em ambos os lados da membrana, com extensões para a borda da membrana para permitir ligações eléctricas. O ar ativoAE é a zona onde os dois eléctrodos sobrepõem-se, ou seja, o círculo no centro. (2B) Quando uma tensão é aplicada, a força electrostática comprime a membrana. Isto provoca uma diminuição da espessura da membrana na zona activa, e um aumento da superfície do eléctrodo. Porque a membrana é pré-esticada, a zona passiva em torno do eletrodo relaxa para acomodar a expansão da região ativa central. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
. Figura 2. Demonstrador actuador fabricado neste protocolo Esquerda: dispositivo acabado que compreende uma membrana de silicone esticada sobre uma armação fixa, um par de eléctrodo flexível modelado em ambos os lados da membrana, e as ligações eléctricas. RiGHT: imagem composta mostra o estado de repouso (preto) e estado ativado (ciano). Um aumento de 10% no diâmetro da estrutura é observada com 4 kV aplicada através dos eletrodos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Vista explodida do actuador. Os diferentes componentes que formam o actuador fabricado no vídeo. A membrana retém o suporte de membrana de silicone pré-esticado e é usado para manipular a membrana durante o passo de impressão de eléctrodo. Uma vez que os eléctrodos são curados, a estrutura do actuador é inserida no interior do suporte da membrana e proporciona tanto um quadro estrutural para manter o actuador, e um contacto eléctrico com o eléctrodo inferior. Uma vez que a membrana é fixada à armação do actuador, a mimtitular mbrane pode ser removido. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Visão geral do processo de fabricação. (A) Fundição de membranas de silicone, usando um aplicador de revestimento de filme automática. (B) O corte a laser de membrana de silicone curado e suportes pré-alongamento. (C) Colocação de membrana de silicone em suporte pré-alongamento. (D) A libertação de membrana de silicone a partir de substrato de PET por dissolução da camada sacrificial PAA em água quente. (E) de corte de seções de suporte pré-alongamento que ligam os dedos. (F) pré-alongamento e adesão do suporte de membrana à superfície da membrana. (L) Cliché preenchido com condtinta uctive. (H) Laser gravado eletrodo alinhador, figura inserção mostra exemplo de um eletrodo bem alinhados. (I) membrana de silicone com eletrodo carimbado. (J) dispositivo acabado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. O princípio de funcionamento da membrana prestretcher. (A) vários dedos de metal estão ligados a um anel de plástico e são obrigados a mover-se num (radial) de forma linear ao longo do seu comprimento. O anel está constrangido a mover-se de modo circunferencial. O anel de plástico tem várias ranhuras maquinadas, em que em que os pinos de metal dos dedos residem curvado. O raio de um círculo que limita a extremidade dos dedos é R1 . (B) O anel prestretcher é girado no sentido horário, os dedos traduzir simultaneamente, aumentando o raio do círculo que delimita o dedo bordas de R 1 a R 2. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. homogeneidade da espessura das camadas de silicone fundidas. Medição da espessura da membrana de silicone curada em toda a largura do substrato de PET 200 mm, para três diferentes configurações de hiato do aplicador. A velocidade de fundição é de 1 mm / seg. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 7. espessura do filme seco como uma função dos parâmetros de vazamento. Espessura de filme seco obtido para diferentes alturas aplicador e velocidade para uma mistura de solvente de silicone com 62% de teor de sólidos em volume. A velocidade mais elevada leva a membranas mais finas para as configurações iguais aplicador, ea influência da velocidade aumenta com o aumento da espessura da membrana. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8. O accionamento do demonstradora. Estiramento diametral exterior, como uma função da tensão aplicada por dois dispositivos com uma espessura (após pré-alongamento) de 34,5 pM. Um aumento do diâmetro de cerca de 10% é observada na tensão máxima aplicada. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. Strain resposta a uma entrada em degrau de tensão. Um quadrado, 3 kV 2 Hz sinal é aplicada ao dispositivo, a geração de uma tensão de cerca de 4% (ver Figura 8). A expansão da área é observado com uma câmera de alta velocidade a 4.000 quadros por segundo. Leva menos do que 4 mseg para o actuador para alcançar 90% da sua dimensão final. Antes e após a transição, a dimensão do atuador permanecerá estável e não mostrar fluência viscoelástico. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 10. actuadores dieléctricas feitas de elastómero com o fluxo do processo apresentado. Três exemplos de actuadores de elastómero dieléctricas feitas seguindo a metodologia descrita no presente documento. (A) lente rápidas e suaves ajustáveis ​​capazes de mudar o seu comprimento focal de 20% em menos de 200 ms. (B) elastômero Rotary micro-motor capaz de girar a 1.500 rpm. (C) Auto-comutação robô rolando. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

O processo de fabrico pode ser resumido como se segue. Começar pela aplicação de uma camada sacrificial solúvel em água sobre o substrato de PET utilizado para o vazamento da membrana. Isto evita excessiva deformação durante o processo de libertação, que pode, potencialmente, danificar a membrana. O silicone é então fundido em uma camada fina e curadas num forno. A folha A4 de PET com o revestimento de silicone é cortado em discos circulares de 55 mm de diâmetro, e preso a suportes flexíveis pré-alongamento. Os suportes de pré-alongamento são usadas para manipular a membrana durante os passos de pré-estiramento e libertação da camada de sacrifício. Para separar a membrana do substrato de PET, que é mergulhado em água quente para dissolver a camada sacrificial. Este processo permite que a membrana a ser libertado sem ter que puxar nele de forma significativa. Uma vez que a membrana é independente, que pode ser pré-esticada. Pré-estiramento consiste em esticar mecanicamente a membrana in-plane antes de fixar-lo em segurando frames. Esta etapa gera emternas forças de tração na membrana e é necessário para a In-Plane atuadores de elastômero dielétrico, como o manifestante sendo produzido aqui. No protocolo, usamos equi-biaxial alongamento, ou seja, um valor de alongamento igual em ambas as direções no plano. No entanto, dependendo da aplicação, pré-esticamento diferentes configurações podem ser usadas, tais como prensagem uniaxial (alongamento apenas ao longo de x ou y, enquanto que a membrana é deixado relaxar no outro sentido), ou anisotrópica (diferentes valores ao longo de x e y).

Uma técnica denominada almofada de impressão é utilizado para precisamente um padrão de eléctrodo flexível sobre a membrana de silicone pré-esticado, o que permite definir precisamente eléctrodos mm de tamanho na membrana. Neste processo, a tinta é aplicada com uma lâmina niveladora sobre um cliché (uma placa de aço na qual o desenho a ser impresso é gravado, e subsequentemente retirada do cliché por um selo de silicone lisa antes de ser transferido para a membrana 13). Sempreprojeto y requer seu próprio clichê. Estes podem ser encomendados de empresas especializadas, que as produzem a partir de um desenho eletrônico da geometria. Para fazer com que um eléctrodo condutor esticável, dispersam o negro de carbono numa matriz de silicone por forças de cisalhamento usando um moinho de bolas, que é uma técnica bem conhecida para quebrar os aglomerados de negro de carbono e homogeneamente dispersar o pó numa matriz polimérica 18,19.

Quando a impressão, é importante que o desenho é impresso com um posicionamento preciso e orientação em relação à estrutura da membrana. Para fazer isso, use um estágio precisão xy-θ e um alinhador. O alinhador é um pedaço de PMMA da mesma forma como a estrutura da membrana e tem a concepção de eléctrodo gravado na sua superfície de gravação de laser utilizando um CNC. Antes de imprimir na membrana que imprimir na placa de alinhamento para verificar o alinhamento. Se o desenho impresso não corresponde ao projeto gravado que ajustar o estágio xy-θ até o overl dois projetosAP (Figura 4H). No protocolo, a parte superior e inferior do eléctrodo têm o mesmo design, assim que a máquina de impressão da almofada pode ser deixado intocado entre as aplicações dos dois eletrodos. No entanto, em alguns casos, os eléctrodos são diferentes geometrias para o eléctrodo superior e inferior. Nesse caso, quando as membranas são no forno para a cura do eléctrodo superior (ou seja, entre os passos 3.4.3 e 3.4.4), é necessário remover o bloco de cliché (o conjunto constituído por o cliché mantido no lugar num bloco magnético) com o tinteiro da máquina impressora de almofada. Em seguida, o cliché instalado deve ser trocado por um com o projeto eletrodo inferior. Dado que o bloco tenha sido movido cliché, é necessário realizar um novo procedimento de alinhamento (passo 3.3), utilizando uma placa de alinhador gravado com o desenho do segundo eléctrodo. Uma vez que ambos os eléctrodos são aplicados, eles precisam de ser ligado a um circuito de condução externa que fornece as cargas Fou atuação. Existem diferentes soluções para fazer as ligações eléctricas entre os eletrodos conformes e os componentes eletrônicos de condução. Aqui, um método adequado para criação de protótipos é mostrado, usando quadros-adesivas cobertas e fita condutora (Figura 3). Para a produção em lotes, a utilização de placas de circuito impresso com almofadas de cobre contactando os eléctrodos é uma alternativa melhor (ver Figura 10A um exemplo de um dispositivo feito com um PCB comercial).

Use equipamento comercial ou produtos para a maioria das etapas do processo de fluxo. As duas excepções são a medição da espessura das membranas de silicone e os passos de pré-esticamento. Para a medição da espessura, usar um interferómetro de transmissão de luz branca caseiro que consiste de uma fonte de luz branca colimada (tamanho de ponto <1 mm) que atravessa a membrana e recolhido por um espectrómetro. O período das franjas de interferência da intensidade da luz transmitida como uma function de comprimento de onda é utilizado para calcular a espessura da membrana 20. Note-se que outros métodos podem ser usados ​​para medir a espessura, mas tem de ser não-destrutiva, e idealmente sem contacto para evitar a deformação da membrana muito fina. Para o pré-esticamento das membranas, usar um prestretcher radial caseiro, que consiste em 8 dedos metálicos que podem ser deslocadas radialmente. Para uma membrana pré-alongamento, os dedos são movidas para dentro para que o suporte pré-alongamento pode ser preso aos dedos do esticador (Figura 4E). Para pré-alongamento da membrana, os dedos são movidos para fora, aumentando assim efectivamente o diâmetro da membrana de silicone, levando a equi-biaxial pré-esticamento da membrana. Os oito dedos estão ligados a um anel, cuja rotação define a separação radial dos dedos (Figura 5).

Ter um fluxo de processo eficiente e bem estabelecida como a apresentada aqui é importantepara a fabricação de dispositivos que são reprodutíveis robusto e fiável. Em comparação com a compra de filmes pré-fabricados, lançando membranas finas elastômero dá muita liberdade de design, pois permite escolher e adaptar as propriedades das membranas para a aplicação. Por exemplo, no caso de elastómeros de silicone, a dureza e alongamento de ruptura podem ser escolhidas através da selecção de produtos com diferentes comprimentos de cadeia e densidade de ligação cruzada, e a espessura pode ser variada ajustando o processo de fundição. O último aspecto permite, por exemplo, para escolher a espessura da membrana pré-alongamento final e de forma independente, o que não é possível com filmes pré-fabricados.

A capacidade de teste padrão precisamente o eléctrodo em pequena escala (cm a sub-mM) é também um requisito importante para DEAs, como a maioria dos dispositivos consistem em zonas activas e passivas sobre a mesma membrana. Isto implica que a forma do eléctrodo deve ser definido com precisão sobre a membrana. Além disso, como eléctrodos deve ser aplicada em ambos os ladosda membrana, é necessário alinhar os dois eléctrodos em relação ao outro: para além de uma forma definida com precisão, os eléctrodos também devem ser posicionados com precisão sobre a membrana. O processo de estampagem aqui apresentado satisfaz estes dois requisitos. Além disso, a almofada de impressão é um processo rápido, uma vez que apenas alguns segundos são necessários para imprimir um eléctrodo, e actuadores podem facilmente ser processados ​​utilizando este método descontínuo. Ao contrário da massa de carbono ou amplamente utilizados eléctrodos de pó solto aplicado manualmente, a nossa abordagem conduz a eléctrodos que apresentam uma forte adesão à membrana sobre a qual estão aplicados precisamente definido. Eles são muito resistentes ao desgaste, e não pode ser delaminada a partir da membrana 13. Apesar do facto de a almofada de impressão é um método de contacto, que pode ser usado para aplicar tinta sobre membranas de silicone finos e frágeis, porque a única parte em contacto com a membrana é um selo de silicone macio. No entanto, existe alguma stiction inevitável entre o selo e THe membrana, o que provoca uma ligeira deformação da membrana uma vez que o selo se move para trás para cima. Se a membrana é muito fina, isto pode levar à ruptura da membrana. Isto limita de forma eficaz a aplicação do método de impressão de almofada para as membranas mais espessas do que 10 um. Para mais finas membranas, deveriam ser utilizados métodos de padronização sem contato, tais como a impressão a jato de tinta.

Embora DEAs foram estudados por mais de 15 anos, a maioria dos DEAs de hoje ainda são baseadas em filmes de poliacrilato prontas combinado com eletrodos de graxa aplicada à mão. Estes métodos feitos à mão causaram DEAs para permanecer na maior parte no estado de protótipos de laboratório, com a adoção limitada pela indústria, apesar do desempenho interessante de DEAs em termos de tensão e consumo de energia. Embora os processos de fabricação de confiança já foram publicados, dizem respeito ao fabrico de unprestretched, atuadores contráteis empilhados obtidos com configurações automatizadas dedicadas 21,22. O processo fluir que apresentamos aqui é um processo multifacetado versátil que descreve todos os passos importantes e necessários para fabricar um DEA, e que pode ser facilmente aplicado para atender a uma aplicação-alvo definido.

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

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References

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