Processus de fabrication des élastomères diélectriques Actionneurs à base de silicone

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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

Cette contribution démontre le processus de fabrication des transducteurs élastomères diélectriques (DET). DEs étirables sont des condensateurs constitués d'une membrane élastomère diélectrique pris en sandwich entre deux électrodes conformes. Les grandes déformations d'actionnement de ces transducteurs lorsqu'ils sont utilisés comme actionneurs (plus de 300% de déformation de la zone) et leur nature douce et conforme a été exploité pour une large gamme d'applications, y compris les optiques accordables électriquement, dispositifs de rétroaction haptique, la récolte l'énergie des vagues, cellule déformable -Culture dispositifs, pinces conformes, et la propulsion d'un dirigeable ressemblant à un poisson bio-inspirée. Dans la plupart des cas, DEs sont fabriqués avec un élastomère acrylique commercial exclusif et avec des électrodes appliqués à la main de la poudre de carbone ou de la graisse de carbone. Cette combinaison conduit à des actionneurs non reproductibles et lents présentant fluage viscoélastique et une courte durée de vie. Nous présentons ici un flux de processus complet pour la fabrication reproductible de DET à base de silicium élastomère mincefilms, y compris e coulée de fines membranes en silicone, la libération de la membrane et pré-étirage, modelage robuste conforme électrodes, assemblage et les essais. Les membranes sont coulés sur du polyéthylène téréphtalate (PET) flexibles substrats revêtus d'une couche sacrificielle soluble dans l'eau pour faciliter la libération. Les électrodes sont constituées de particules de carbone noir dispersées dans une matrice de silicone et modelés en utilisant une technique d'estampage, ce qui conduit à précisément définie électrodes conformes qui présentent une forte adhérence à la membrane diélectrique sur laquelle ils sont appliqués.

Introduction

Transducteurs élastomères diélectriques (DET) sont des dispositifs souples qui se composent d'une membrane élastomère diélectrique (typiquement 10 à 100 pm d'épaisseur), sandwich entre deux électrodes conformes, formant ainsi un condensateur caoutchouteux 1. DEs peuvent être utilisés comme actionneurs capables de produire de très grandes déformations (jusqu'à 1,700% de déformation de surface a été démontrée) 2, les capteurs de déformation molles ou 3, en tant que générateurs électriques souples 4. Lorsqu'ils sont utilisés comme actionneurs, une tension est appliquée entre les deux électrodes. La force électrostatique générée comprime la membrane diélectrique, ce qui réduit son épaisseur et augmenter son aire de surface (figure 1) 1. En plus des actionneurs, la même structure de base (membrane en élastomère mince et des électrodes extensible) peut être utilisé en tant que dispositifs de détection de déformation ou de récupération d'énergie, en tirant parti de la variation de capacité induite par déformation mécanique. Les grandes déformations générées par un élastomère diélectriquectuators (ASD) et leur nature douce et conforme a été utilisé pour de nombreuses applications, telles que les lentilles accordables électriquement 5, 6 moteurs rotatifs, déformables dispositifs de culture cellulaire 7, et la propulsion d'un bio-poissons comme dirigeable 8 inspiré.

La plupart DEs rapportés dans la littérature utiliser un film d'élastomère acrylique propriétaire du nom de 3M VHB comme membrane d'élastomère diélectrique, car il a été montré à exposer très grandes déformations d'actionnement 1. La disponibilité de cette matière sous forme de film est également un facteur clé dans sa large utilisation pour les applications DET, même si (souche d'actionnement mis de côté), il a un certain nombre d'inconvénients importants, tels que les pertes mécaniques et viscoélastique fluage qui limitent sa vitesse de réponse , une petite gamme de température de fonctionnement, et une propension à se déchirer. En comparaison, les élastomères de silicone peuvent également être utilisés en tant que membrane diélectrique pour DET, ce qui conduit à des produits avec une vitesse de réponse plus rapide 1000 foisque des élastomères acryliques, en raison de leurs pertes mécaniques très réduits 9. En outre, ils sont disponibles dans une large gamme de duretés, qui donne une liberté de conception supplémentaire. Cependant, les silicones sont généralement vendus sous forme de base visqueuse, qui doit être appliqué en fines membranes à être utilisé pour les DET. Cependant, cette offre encore un degré de liberté supplémentaire, que l'épaisseur de la membrane peut être librement choisi et non imposé par le fabricant, comme cela est le cas pour les films préfabriqués.

Ce protocole présente la fabrication d'un actionneur diélectrique en élastomère. Cependant, il peut également être appliqué avec peu ou pas de modification pour la fabrication de transducteurs d'élastomères diélectriques dans un sens plus large, y compris les dispositifs de récupération de l'énergie et des capteurs de contrainte. Nous présentons ici une méthode de grande surface (A4) coulée de films minces (10-100 um) de silicone sur des substrats en PET flexibles recouvertes d'une couche sacrificielle soluble dans l'eau. La couche sacrificielle réduit les forces required pour séparer la membrane de silicone à partir du substrat, réduisant ainsi la déformation mécanique de la membrane lors de la libération. Déformation du film peut conduire à des propriétés mécaniques anisotropes à cause de stress induit par ramollissement (effet Mullins) 10 et doit donc être évitée. Les électrodes sont la deuxième composante clé d'un DET. Leur rôle est de distribuer les charges électriques sur la surface de la membrane élastomère. Pour produire un actionneur fiable, les électrodes doivent être en mesure de résister à des souches répétées supérieures à 20% sans se fissurer, dégradant, délaminage, ou de perdre conductivité; En outre, ils doivent être conformes à ne pas rigidifier mécaniquement la structure 11. Parmi les différentes techniques qui existent pour faire électrodes conformes, des particules de noir de carbone appliquée à la main ou de la graisse de carbone sont les deux méthodes les plus largement utilisés 11. Cependant, ces méthodes ont fait quelques inconvénients: application à la main empêche la miniaturisation d'un dispositifs, conduit à des résultats non reproductibles et prend beaucoup de temps. En outre, la poudre de carbone ou de la graisse ne se conforment pas à la membrane et les électrodes produites par ce procédé sont soumis à l'usure et à l'abrasion mécanique. En outre, dans le cas de la graisse, la liaison de fluide peut diffuser dans la membrane diélectrique et modifier ses propriétés mécaniques. La durée de vie de poudre ou de graisse carbone électrodes de l'ONU-encapsulé est donc assez courte. Ici, nous présentons la structuration des électrodes conformes par une technique nommée impression estampage de pad dans lequel une conception précise est transféré à la membrane via un tampon de silicone souple, permettant ainsi de rapidement et de manière reproductible motif électrodes précises, avec des fonctionnalités en baisse à 0,5 mm. La solution appliquée consiste en un mélange de noir de carbone dans une matrice de silicone, qui est réticulé après l'application, ce qui conduit à des électrodes durcis avec une forte adhérence à la membrane en élastomère, ce qui les rend très élastique et résistant à l'abrasion mécanique et à l'usure.

Le protocole suivant décrit toutes les étapes nécessaires à la fabrication DEA rapides et fiables avec des électrodes conformes précisément à motifs. Cela comprend la coulée de la membrane et pré-étirage, la structuration et l'alignement des électrodes, l'assemblage, les tests et la connexion électrique. Aux fins de la vidéo, nous fabriquons un actionneur simple dans le plan d'une électrode en forme d'engrenage, comme représenté sur la Figure 2. L'actionneur est constitué d'une membrane de silicone mince tendue sur un support de membrane, sur laquelle deux électrodes conformes sont modelés. Un châssis d'actionneur est ensuite inséré à fournir un contact électrique avec l'électrode de fond. La figure 3 montre une vue éclatée de l'ensemble avec les différents composants de l'actionneur. Bien que le dispositif réalisé dans la vidéo n'a aucune application pratique au-delà de la démonstration du principe de base de la DEA, différents actionneurs visant à des applications spécifiques ont été réalisés en utilisant exactement le même processus, telscomme pinces molles, lentilles accordables, accordables déphaseurs mm-ondes, etc.

Protocol

1. Membrane silicone production

  1. Couche sacrificielle coulée
    1. Couper une longue feuille de 400 mm de haute qualité PET 125 um d'épaisseur du rouleau.
    2. Préparer la solution sacrificielle (5% d'acide acrylique dans de l'isopropanol de poly en poids): mélanger 32 g d'isopropanol et 8 g d'une solution d'acide poly acrylique (25% dans l'eau) dans un tube en plastique de 50 ml. Bien agiter.
    3. Nettoyer le substrat PET avec pelucheux lingettes imprégnées avec de l'isopropanol.
    4. Nettoyez la table de vide avec pelucheux lingettes imprégnées avec de l'isopropanol.
    5. Poser le substrat PET sur la table à vide et tourner sur la pompe à vide.
    6. Inspecter visuellement la table à vide pour assurer qu'aucun grosses particules de poussière sont piégés entre la table à vide et le substrat PET. Répéter les étapes de nettoyage précédentes si les particules de poussière sont identifiés.
    7. Nettoyer la surface supérieure du substrat PET avec pelucheux lingettes imprégnées avec de l'isopropanol.
    8. Placez la tige d'un profilpplicator sur la coucheuse automatique du film et de la vitesse de revêtement fixé à 5 mm / sec.
    9. Ajouter 2 ml de solution de couche sacrificielle en face de la barre profilée et démarrer la machine d'enduction.
    10. Lorsque la tige de profil a atteint la fin de la PET substrat ascenseur hors de la coucheuse et le nettoyer en essuyant avec lingette imbibée d'eau chaude d'un non pelucheux.
    11. Retrait de l'applicateur de film mais laisser la pompe à vide en marche et laisser le substrat de PET sur la plaque à vide. Laissez la couche sèche à l'air pendant 2 min.
  2. Silicone membrane coulée
    1. Préchauffer le four à 80 ° C.
    2. Ajouter 15 g de base de silicone et 1,5 g d'agent de réticulation pour un pot de mélange. Ajouter 10 g de solvant de type silicone pour diminuer la viscosité.
    3. Mélanger le mélange de silicone avec un mélangeur planétaire. Utilisez un cycle de mélange 2 min à 2000 tpm, plus un cycle de dégazage 2 min à 2200 rpm.
    4. Réglez la hauteur de l'applicateur universel à 225 um. Placez l'applicateur au haut de la feuille de PET et définir til filmer la vitesse de l'applicateur à 3 mm / sec.
    5. Transfert 15 ml de mélange de silicone à partir du pot de mélange sur le substrat de PET avec une seringue.
    6. Lancer l'applicateur automatique d'appliquer silicone sur le substrat de PET intégral (figure 4A).
    7. Arrêter la pompe et attendre pendant 5 minutes pour laisser évaporer le solvant de la couche de fonte.
    8. Transférer la membrane sur une plaque de verre et le placer dans le four pendant 30 min à 80 ° C.
    9. Nettoyer l'applicateur et la plaque à vide avec des lingettes imprégnées non pelucheux avec de l'isopropanol.
    10. Après 30 minutes, retirer la membrane du four, laisser refroidir à la température ambiante pendant encore 5 min et le couvrir avec une feuille mince de PET de protéger la surface de contaminants.

2. Libération et pré-étirage de membranes élastomères

  1. La fabrication de support Prestretch
    1. Couper un rectangle de format A4 à partir du rouleau d'adhésif sec de transfert de silicone.
    2. Retirer un of les housses de protection de l'adhésif de transfert à sec de silicone et manuellement appliquer l'adhésif sur un film transparent A4, en prenant soin d'éviter la formation de bulles lors de l'application.
    3. Couper le modèle de soutien pré-étirage dans le film transparent adhésif couvert en utilisant une commande numérique par ordinateur (CNC) graveur laser (figure 4B) selon le protocole du fabricant.
  2. Support de membrane fabrication
    1. Coupez un 500 mm par 290 mm rectangle dans le rouleau de sèche adhésif de transfert de silicone.
    2. Décollez un des couvercles de protection de l'adhésif de transfert à sec de silicone et laminer la feuille sur un 3 mm d'épaisseur poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) plaque.
    3. Dans le cadre de PMMA, les anneaux de 52 mm de diamètre extérieur et 44 mm de diamètre intérieur qui servira de porte-membrane coupées.
  3. Membrane de presse
    1. Couper la membrane de silicone moulé / PET substrat en sandwich de l'étape 1 en cercles de 55 mm de diameter l'aide d'un graveur laser CNC (figure 4B) selon le protocole du fabricant et décoller le film de protection.
    2. Fixer le découpés au laser en charge pré-étirage sur le côté adhésif de cercle de la membrane de silicone de coupe vers le bas, de telle sorte que l'adhésif est en contact avec la surface de la silicone (figure 4C).
    3. Préparer un bain d'eau bouillante et plonger l'ensemble (membrane de silicone et de support adhésif) en elle.
    4. Alors que immergé doucement et lentement peler le substrat de PET à une distance de la membrane de silicone (Figure 4D).
    5. Retirer la membrane de silicone du bain d'eau et laissez sécher à l'air ou utiliser un pistolet d'azote pour accélérer le processus de séchage.
  4. Mesure de l'épaisseur de la membrane pré-étirage et
    1. Mesurer l'épaisseur de la membrane avec un interféromètre de transmission selon le protocole du fabricant.
    2. Réglez le prestretcher à un diamètre de 45 mm, et placez le prestrsupport de membrane de silicone gravure sur les doigts civière, côté adhésif vers le bas.
    3. Couper le support de pré-étirage entre les doigts civière (figure 4E).
    4. Augmenter le diamètre du prestretcher à 58,5 mm de pré-étirage équi-biaxiale de la membrane par un facteur 1,3 (30% pré-étirage) par rotation de l'anneau anti-horaire prestretcher (Figure 5).
    5. Retirez le film de couverture du porte-membrane PMMA exposer l'adhésif et coller le porte-membrane PMMA sur la surface de la membrane pré-étiré (figure 4F).
    6. Couper autour du support de membrane pour éliminer la membrane pré-étiré à partir de la civière.
    7. Mesurer l'épaisseur finale de la membrane pré-étiré avec un interféromètre de transmission.

3. structuration Conforme électrodes par tampographie

  1. La préparation de l'encre conductrice
    1. Dans un récipient de mélangeur en plastique de 125 ml, placer 0,8 g de noir de carbone wi-ième 16 g d'isopropanol et 6 billes en acier de diamètre 12 mm. Mélanger à 2000 tpm pendant 10 min dans un mélangeur planétaire.
    2. Ajouter 4 g d'élastomère de silicone la partie A, la partie B 4 g et 16 g d'isooctane. Mélanger à 2000 tpm pendant 10 min dans un mélangeur planétaire.
  2. Configuration de la machine d'impression au tampon
    1. Installer le cliché avec le motif d'électrode souhaitée sur le bloc magnétique (figure 4G).
    2. Remplir l'encrier avec l'encre à base de silicone conductrice.
    3. Placez le bloc de cliché (cliché fixe sur le bloc magnétique) sur le dessus de l'encrier rempli d'encre et installer l'ensemble dans la machine.
    4. Fixer le pad de silicone sur la machine.
  3. Alignement
    1. Placer la plaque d'alignement (figure 4H) sur la base de l'imprimante.
    2. Initier un cycle d'impression sur la machine d'impression au tampon, qui appliquera la conception d'électrode sur la plaque d'alignement de blocs selon le protocole du fabricant.
    3. Visuellementinspecter le chevauchement de l'électrode imprimée et la structure de référence gravée de la plaque d'alignement. Déplacez la scène xy-θ pour corriger tout défaut d'alignement.
    4. Nettoyez la plaque d'alignement et imprimer une autre électrode.
    5. Inspecter visuellement l'alignement avec la structure de référence et continuera à faire progresser la position de la plate-forme et d'impression électrodes jusqu'à obtenir une parfaite superposition du motif imprimé sur la structure de référence (Figure 4H).
  4. Impression électrodes conformes
    1. Placez une membrane pré-étiré sur la base de l'imprimante.
    2. Sur la machine de tampographie, lancer un cycle d'impression pour éradiquer l'électrode sur le côté supérieur de la membrane (figure 4E). Tamponnez la membrane deux fois pour assurer une épaisseur d'électrode suffisante d'environ 4 um.
    3. Retirer la membrane de la base de l'imprimante, placez la prochaine membrane pré-étiré sur la base de l'imprimante et répétez le processus d'impression jusqu'à ce que tous mem pré-étirébranes sont estampillés.
    4. Placer les membranes avec l'électrode tamponné dans une étuve à 80 ° C pendant 30 min.
    5. Après 30 min, retirez les membranes du four.
    6. Placez l'une des membranes imprimées à l'envers sur la base de l'imprimante, l'exposition de la face arrière de la membrane.
    7. Initier un cycle d'impression de motif de l'électrode inférieure.
    8. Retirer la membrane de la base de l'imprimante, placez la prochaine membrane sur la base de l'imprimante et répétez le processus d'impression jusqu'à ce que toutes les membranes sont estampillés sur les deux côtés.
    9. Placer la membrane dans le four à 80 ° C pendant 30 min pour réticuler l'électrode inférieure.

4. Création de connexions électriques

  1. Actionneurs de Cut cadres qui serviront de cadre de maintien de l'actionneur dans la même plaque de PMMA utilisé pour le support de membrane (cf 2.2) à l'aide d'un graveur laser CNC.
  2. Peel-off le soutien de l'adhésif sur la partie supérieure du cadre de l'actionneur.
  3. Appliquer une 18 mm x 2,5 mm morceau de ruban adhésif conducteur sur la partie du châssis de l'actionneur qui entrera en contact avec l'électrode de fond, et à plier le côté du cadre pour fournir le contact électrique (figure 3).
  4. Faites glisser le cadre de l'actionneur à l'intérieur du porte-membrane, et appuyez doucement sur la membrane avec les doigts pour coller à l'adhésif de la trame de l'actionneur.
  5. Avec un scalpel, couper la membrane à la frontière entre le titulaire de la membrane et le cadre de l'actionneur et supprimer l'ancien.
  6. Appliquer une deuxième pièce de 18 mm de ruban conducteur x 2,5 mm sur la zone de l'électrode supérieure de contact.
  7. Placez un fil sur chaque morceau de ruban conducteur pour établir une connexion électrique. Connecter les deux fils à une source de haute tension, et appliquer un signal carré de 2 Hz de 2 kV amplitude. Observez l'expansion périodique de l'appareil.

Representative Results

Silicone membrane coulée

Une fois que les membranes de silicone sont libérés à partir du substrat de PET et sont autonomes sur un cadre (à la fin de l'étape 2.2), leur épaisseur peut être mesurée, par exemple par transmission interférométrie. La figure 6 montre l'homogénéité de l'épaisseur d'une couche de silicone sur la largeur du substrat de PET de 200 mm pour 3 hauteurs de brèche efficace différentes (50, 100 et 150 pm) à une vitesse de coulée de 1 mm / s (à noter que parce que l'applicateur est plus large que le substrat de PET, les pieds du reste de l'applicateur sur la vide et non sur le substrat de PET lui-même, comme on peut le voir sur la figure 4A. L'écart effectif entre l'applicateur et le substrat est donc égale à la hauteur de l'applicateur moins l'épaisseur du substrat de PET. Par exemple, un substrat de 125 um de PET et une hauteur d'application de 225 um, tel qu'il est utilisé dans le protocole, conduit à un écart effectif de 100 um). Pourle 50 um hauteur de fente efficace, il ya une différence de hauteur clair entre la gauche et la droite de la couche de silicone. En effet, la hauteur de l'applicateur doit être réglé manuellement sur le côté gauche et droit, et une erreur est inévitable. Cependant, avec réglage soigneux de l'applicateur, on obtient généralement des membranes ayant une épaisseur écart-type inférieur à 1 um, ce qui est le cas pour la 100 um hauteur d'écartement efficace (σ = 0,81 um). Lorsque la hauteur de l'applicateur est trop long, ondulation commence à apparaître sur la membrane, provoquée par l'évaporation du solvant dans le mélange de silicone, comme cela est visible dans la membrane coulée avec un écart effectif de 150 um (figure 6).

La relation entre l'épaisseur du film sec obtenu et la hauteur d'application dépend du mélange de silicone et de la vitesse de coulée. Le mélange de silicone utilisée dans cet article consiste en une silicone en 2 parties, et d'un solvant pour diminuer la viscosity du mélange. Comme solvant évapore à partir de la membrane avant le durcissement, une estimation de l'épaisseur du film peut être obtenue en multipliant la hauteur d'entrefer effective par la fraction volumique de solides dans le mélange de silicone. Cependant, il existe des effets dynamiques à l'arrière de l'applicateur, ce qui conduit à la création d'un ménisque et une épaisseur plus faible que prévu. La relation entre la hauteur d'entrefer et l'épaisseur de la membrane sèche obtenue dépend de la vitesse de coulée, la hauteur de l'applicateur, et par la forme de l'applicateur. La figure 7 montre les résultats d'une expérience dans laquelle les membranes ont été coulées à des vitesses différentes et les hauteurs de montrer comment ces paramètres affectent épaisseur de film sec. On constate que la coulée à des vitesses élevées conduit à des membranes plus minces, et que l'effet de vitesse devient plus prononcée que la hauteur de l'interstice augmente.

Actionnement Performance

L'actionneur fabriqué ici est caractérisé par mesurment le diamètre extérieur de l'électrode en forme de crémaillère en fonction de la tension appliquée. Une caméra sur un support fixe est utilisé pour prendre des photos de l'actionneur que la tension est augmentée. Les images sont analysées à l'aide d'un script de traitement d'image (Vision, National Instruments) pour quantifier l'expansion de l'actionneur. Ceci a été réalisé en ajustant un cercle à l'extérieur du périmètre de la dent comme électrode (figure 8). L'augmentation du diamètre du cercle à partir de l'état détendu est présenté comme tronçon diamétral savoir, le diamètre actionné divisé par le diamètre de l'actionneur lorsqu'il est relâché). Les résultats de deux actionneurs séparés d'épaisseur identique (34,5 um) sont présentés dans la figure 8. Les deux appareils fonctionnent de manière semblable avec étirement diamétrale de 10% à une tension de commande de 4 kV.

La vitesse de l'actionneur de réponse a été mesurée par application d'un signal carré de 2 Hz de 3 kV, ce qui conduit à une déformation d'environ 4%. L'expansion de l'actuteur a été filmé avec une caméra à haute vitesse avec une résolution de temps de 0,25 ms. Un front montant a été capturé, avec 200 cadres (50 ms) avant le déclenchement de tension, et 200 cadres après. Les images où ensuite analysées pour extraire la déformation en fonction du temps (figure 9). Le temps de montée (temps nécessaire pour atteindre 90% de la déformation finale) est de 3,75 ms, et il n'y a pas viscoélastique fluage observable avant et après l'étape de tension, à la différence de ce qui est observé lorsque les élastomères acryliques sont utilisés comme membranes, dont augmenter les temps de plusieurs centaines de secondes sont habituellement observées 12.

Application de l'enchaînement des opérations à d'autres appareils

L'actionneur fabriqué dans cet article démontre notre processus de fabrication, ainsi que le principe de fonctionnement de base d'un DEA avec une augmentation de la surface des électrodes sur application d'une tension, et est donc une bonne illustration pour ce tutoriel. Toutefois, cetteactionneur n'a pas de but précis autre que de démontrer le principe d'actionnement d'un DEA. Néanmoins, le processus présenté ici est très polyvalent et peut être utilisé pour fabriquer une grande variété de capteurs souples destinées à des applications spécifiques. Nous présentons ici quelques exemples choisis d'applications que nous avons développées sur la base de vérins fabriqués en utilisant la méthodologie présentée.

Lentilles souples accordables bio-inspirés ont été fabriqués (Figure 10A). Ceux-ci sont capables de changer la longueur focale de 20% en moins de 200 microsecondes 9. Le dispositif peut être actionné pour plus de 400 millions de cycles sans diminution notable des performances d'actionnement, ce qui montre que la combinaison de matériaux adéquats et de bons procédés de fabrication résulte en DEA avec des vitesses de réponse rapides et longue durée de vie. Objectifs de géométrie similaire mais fait en utilisant l'élastomère acrylique commerciale largement utilisé VHB ont une bande passante de plus de 3 ordres de grandeur plus petite

La structuration des électrodes conformes à la tampographie permet de faire des électrodes très précisément définis, permettant ainsi la fabrication d'électrodes petits indépendants sur la même membrane. Ceci est démontré par exemple par l'intermédiaire de la fabrication d'un moteur rotatif à base de DEA comprenant trois électrodes électriquement indépendantes (Figure 10B). L'axe et la masse preuve au centre du moteur peut tourner à 1500 tours par minute 13. Le concept du moteur a été poussé plus loin pour montrer que la tampographie peut aussi produire des actionneurs fiables. Un robot de roulement auto-commutation a été construit pour exécuter tours le long d'une piste circulaire (Figure 10C). Le robot a parcouru plus de 25 km à une vitesse moyenne de 15 cm / sec 13.

D'autres applications qui ont été produits avec le processus actuel (ou de légères variations de ceux-ci) comprennent des systèmes de culture de cellules déformables 14, générateurs d'élastomères diélectriques 16 mm-ondes accordables manettes de phase de fréquence radio 17.

Figure 1
Figure 1. Principe de base d'actionneurs élastomères diélectriques Haut:. (1A) Dans sa forme la plus simple, un DEA se compose d'une membrane élastomère souple sandwich entre deux électrodes conformes. (1B) Quand une tension continue est appliquée entre les électrodes, les charges électrostatiques portées sur les électrodes de créer une contrainte de compression qui comprime la membrane, conduisant à une réduction d'épaisseur et une expansion de la surface. En bas: (2A) le dispositif d'actionnement décrit dans le protocole consiste en une membrane tendue sur un cadre. Des électrodes circulaires sont de part et d'autre de la membrane avec des extensions vers le bord de la membrane pour permettre des connexions électriques. L'ar actifEA est la zone où les deux électrodes se chevauchent, à savoir le cercle au centre. (2B) Quand une tension est appliquée, la force électrostatique comprime la membrane. Cela provoque une diminution de l'épaisseur de la membrane dans la zone active, et une augmentation de la surface de l'électrode. Parce que la membrane est pré-étiré, la zone autour de l'électrode passive détend pour accueillir l'expansion de la région centrale active. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
. Figure 2. Démonstrateur actionneur fabriqué dans ce protocole gauche: dispositif fini comprenant une membrane de silicone étiré fixe sur un châssis, une paire de l'électrode conforme calqué sur les deux côtés de la membrane, et les connexions électriques. Rilutte: image composite montrant l'état de repos (noir) et état activé (cyan). Une augmentation de 10% du diamètre de la structure est observée avec 4 kV appliquée entre les électrodes. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Les différentes composantes qui forment l'actionneur fabriqué dans la vidéo vue éclatée de l'actionneur.. Le support de membrane conserve la membrane de silicone pré-étiré et est utilisé pour manipuler la membrane au cours de l'étape d'impression d'électrodes. Une fois que les électrodes sont durcies, le châssis de l'actionneur est inséré dans le support de membrane et fournit à la fois un cadre structurel pour maintenir l'actionneur, et un contact électrique à l'électrode inférieure. Une fois que la membrane est fixée sur le châssis de l'actionneur, la metitulaire Mbrane peut être retiré. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Vue d'ensemble des processus de fabrication. (A) Fonderie de membranes en silicone en utilisant une coucheuse automatique applicateur de film. (B) coupe de la membrane de silicone durci et supports pré-étirage Laser. (C) Mise en place de la membrane de silicone sur le support pré-étirage. (D) Libération de la membrane de silicone à partir du substrat PET par dissolution de la couche sacrificielle AAP dans l'eau chaude. (E) de coupe de sections de soutien pré-étirage reliant les doigts. (F) Prestretch et adhérente de support de membrane à la surface de la membrane. (G) Cliché rempli de conductive encre. (H) gravé au laser électrode d'alignement, encart figure montre par exemple d'une électrode bien aligné. Membrane de silicone (I) avec l'électrode timbrée. (J) dispositif fini. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Le principe de fonctionnement de la membrane de prestretcher. (A), plusieurs doigts métalliques sont fixés à un anneau en matière plastique et sont contraints de se déplacer de façon linéaire (radial) mode sur leur longueur. L'anneau est contraint de se déplacer circonférentiellement. L'anneau en plastique a plusieurs fentes usinées en elle, dans laquelle les broches métalliques des doigts résident courbé. Rayon d'un cercle délimitant le bord des doigts R 1 est . (B) L'anneau prestretcher est tourné dans le sens antihoraire, les doigts se traduisent simultanément, augmentant le rayon du cercle délimitant le doigt bords de R 1 à R 2. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. homogénéité épaisseur des couches coulées en silicone. De mesure d'épaisseur de la membrane de silicone durci sur la largeur du substrat de PET de 200 mm, pour trois paramètres de l'applicateur d'intervalle différentes. La vitesse de coulée est de 1 mm / sec. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 7. épaisseur du film sec en fonction des paramètres de coulée. L'épaisseur du film sec obtenu pour différentes hauteurs d'application et la vitesse d'un mélange de silicone-solvant avec 62% de matières solides en volume. Une vitesse plus élevée conduit à des membranes plus minces pour les paramètres d'application égales, et l'influence de la vitesse augmente avec l'augmentation de l'épaisseur de la membrane. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. Commande du démonstrateur. Stretch diamétrale extérieur en fonction de la tension appliquée pour les deux appareils avec une épaisseur (après pré-étirage) de 34,5 um. Une augmentation de diamètre d'environ 10% est observée à la tension maximale de appliquée. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9. Souche de réponse à une entrée de l'étape de tension. Un carré, 3 kV signal 2 Hz est appliquée au dispositif, générant une souche d'environ 4% (voir figure 8). L'expansion de la zone est observé avec une caméra haute vitesse à 4000 images par seconde. Il faut moins de 4 msec pour l'actionneur pour atteindre 90% de sa dimension finale. Avant et après la transition, la dimension de l'actionneur reste stable et ne montre pas fluage viscoélastique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 10. Les actionneurs élastomères diélectriques faites avec le flux de procédé présenté. Trois exemples d'actionneurs élastomères diélectriques faites d'en suivant la méthodologie décrite dans le présent document. (A) objectif rapide et mous accordables capables de changer sa longueur focale de 20% en moins de 200 microsecondes. (B) élastomère Rotary micro-moteur capable de tourner à 1500 tours par minute. (C) d'auto-commutation robot de rouler. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Le procédé de fabrication peut être résumée comme suit. Commencer par application d'une couche sacrificielle soluble dans l'eau sur le substrat de PET utilisée pour le coulage de la membrane. Cela évite la déformation excessive durant le processus de libération qui peuvent potentiellement endommager la membrane. Le silicone est ensuite coulé en une couche mince et durci dans un four. La feuille A4 PET avec le revêtement de silicone est coupé en disques circulaires de 55 mm de diamètre, et collée à des supports souples de pré-étirage. Les supports pré-étirage sont utilisés pour manipuler la membrane pendant la couche libération et pré-étirage étapes sacrificielles. Pour séparer la membrane du substrat PET, il est plongé dans l'eau chaude pour dissoudre la couche sacrificielle. Ce processus permet à la membrane d'être libéré sans avoir à tirer sur elle de manière significative. Une fois que la membrane est autostable, elle peut être pré-étiré. Pré-étirage consiste à étirer mécaniquement la membrane dans le plan avant de le fixer sur la tenue de cadres. Cette étape génère enles forces internes de traction dans la membrane et qui est nécessaire pour les actionneurs dans le plan élastomère diélectrique, tels que le démonstrateur produites ici. Dans le protocole, nous utilisons equi-étirage biaxial, soit une valeur d'étirement égale dans les deux directions dans le plan. Cependant, selon l'application, les configurations de pré-étirage différents peuvent être utilisés, tels que uniaxiale (étirage seulement le long de x ou y, tandis que la membrane est autorisée à se détendre dans l'autre sens), ou anisotrope (différentes valeurs le long de x et y).

Un tampographie technique appelée est utilisé pour un motif précisément électrode conforme à la membrane de silicone pré-étiré, ce qui permet de définir avec précision électrodes mm de taille de la membrane. Dans ce procédé, l'encre est appliquée avec une racle sur un cliché (une plaque d'acier sur laquelle le dessin à imprimer est gravé, et ensuite repris à partir du cliché par un tampon de silicone lisse avant d'être transféré à la membrane 13). Toujoursconception y exige son propre cliché. Ceux-ci peuvent être commandés auprès de sociétés spécialisées, qui les produisent à partir d'un dessin électronique de la géométrie. Pour faire une électrode conductrice extensible, disperser le noir de carbone dans une matrice de silicone par des forces de cisaillement en utilisant un broyeur à billes, qui est une technique bien connue pour briser les agglomérations de noir de carbone et de manière homogène disperser la poudre dans une matrice polymérique 18,19.

Lors de l'impression, il est important que le dessin est imprimé avec une orientation et un positionnement précis par rapport au châssis de la membrane. Pour ce faire, utilisez un stade précision xy-θ et un dispositif d'alignement. Le dispositif d'alignement est une pièce de PMMA dans la même forme que le cadre de membrane et a la conception d'électrode gravée sur sa surface à l'aide d'un graveur laser à commande numérique. Avant d'imprimer sur la membrane nous imprimons sur la plaque d'alignement pour vérifier l'alignement. Si le dessin imprimé ne correspond pas à la conception gravé nous ajustons la scène xy-θ jusqu'à ce que le deux conceptions Surpressionap (figure 4H). Dans le protocole, le haut et électrode inférieure ont le même design, la machine de tampographie peuvent être laissés intacts entre les applications des deux électrodes. Cependant, dans certains cas, les électrodes sont différentes géométries pour l'électrode supérieure et inférieure. Dans ce cas, tandis que les membranes sont dans le four pour le durcissement de l'électrode supérieure (ie, entre les étapes 3.4.3 et 3.4.4), il est nécessaire de retirer le bloc de cliché (l'ensemble constitué par le cliché maintenu en place sur un bloc magnétique) avec l'encrier de la machine de tampographie. Ensuite, le cliché installé doit être échangé contre celui avec la conception d'électrode inférieure. Parce que le bloc de cliché a été déplacé, il est nécessaire de procéder à une nouvelle procédure d'alignement (étape 3.3) en utilisant une plaque d'alignement gravées avec le design de la seconde électrode. Une fois que les deux électrodes sont appliquées, ils ont besoin d'être connecté à un circuit de commande externe qui fournit les charges fou l'actionnement. Il existe différentes solutions pour réaliser les connexions électriques entre les électrodes et l'électronique conformes à la route. Ici, une méthode bien adaptée pour le prototypage est montré, en utilisant des trames adhésives couverte et une bande conductrice (figure 3). Pour la production du lot, l'utilisation de cartes de circuits imprimés avec des plaquettes de cuivre en contact avec les électrodes est une meilleure alternative (voir la figure 10A pour un exemple d'un dispositif constitué d'un circuit imprimé commercial).

Utiliser l'équipement ou des produits commerciaux pour la plupart des étapes du flux de processus. Les deux exceptions sont la mesure de l'épaisseur des membranes en silicone et les étapes de pré-étirage. Pour la mesure de l'épaisseur, utiliser un blanc interféromètre de transmission de la lumière maison composé d'une source de lumière blanche collimatée (taille du spot <1 mm) traversant la membrane et recueilli par un spectromètre. La période des franges d'interférence de l'intensité lumineuse transmise comme un function de longueur d'onde est utilisée pour calculer l'épaisseur de la membrane 20. Notez que d'autres méthodes peuvent être utilisées pour mesurer l'épaisseur, mais ils doivent être non destructive, et idéalement sans contact pour éviter la déformation de la membrane très mince. Pour le pré-étirage des membranes, utiliser un prestretcher radiale maison, qui se compose de 8 doigts métalliques qui peuvent être déplacés radialement. Pour une membrane pré-étirage, les doigts sont déplacés vers l'intérieur de sorte que le support pré-étirage peut être collé sur les doigts de la civière (figure 4E). Pour pré-étirage de la membrane, les doigts sont déplacés vers l'extérieur, ce qui augmente efficacement le diamètre de la membrane de silicone, conduisant à pré-étirage biaxial équi-de la membrane. Les huit doigts sont reliés à un espace annulaire, dont la rotation définit la séparation radiale des doigts (figure 5).

Avoir un flux de processus efficace et bien établi comme celui présenté ici est importantpour fabriquer des dispositifs reproductibles qui sont robustes et fiables. Comparé à l'achat de films pré-faites, coulée minces membranes élastomères donne beaucoup de liberté de conception, car il permet de choisir et d'adapter les propriétés des membranes à l'application. Par exemple dans le cas d'élastomères de silicone, la dureté et allongement à la rupture peuvent être choisis en sélectionnant les produits avec différentes longueurs de chaîne et de la densité de réticulation, et l'épaisseur peuvent être modifiées en ajustant le procédé de coulée. Ce dernier point permet par exemple de choisir l'épaisseur de la membrane finale et pré-étirage de façon indépendante, ce qui est impossible avec des films pré-faites.

La capacité de précision motif de l'électrode sur une petite échelle (cm à sous-mm) est également une condition importante pour ASD, comme la plupart des appareils sont constitués de zones actives et passives sur la même membrane. Ceci implique que la forme de l'électrode doit être définie avec précision sur la membrane. En outre, comme électrodes doivent être appliquées sur les deux côtésde la membrane, il est nécessaire d'aligner les deux électrodes rapport à l'autre: en plus d'une forme définie avec précision, les électrodes doivent être positionnées avec précision aussi sur la membrane. Le procédé d'estampage présenté ici répond à ces deux exigences. En outre, la tampographie est un processus rapide, car seules quelques secondes sont nécessaires pour imprimer une électrode, et des actionneurs peut facilement être traitée en mode discontinu en utilisant cette méthode. Contrairement à la graisse de carbone ou largement utilisé électrodes de poudre libre appliquée manuellement, notre approche conduit à des électrodes qui présentent une forte adhérence de la membrane sur laquelle ils sont appliqués précisément défini. Ils sont très résistants à l'usure, et ne peuvent pas être délaminées à partir de la membrane 13. Malgré le fait que la tampographie est un procédé de contact, il peut être utilisé pour appliquer de l'encre sur des membranes minces et fragiles silicone, car la seule partie venant en contact avec la membrane est un tampon de silicone souple. Cependant, il ya quelques frottement statique inévitable entre le timbre et ee membrane, ce qui provoque une légère déformation de la membrane une fois que le tampon se déplace vers le haut. Si la membrane est trop mince, cela peut conduire à la rupture de la membrane. Cela limite efficacement l'application de la méthode d'impression au tampon sur des membranes plus épaisses que 10 um. Pour les membranes plus minces, des procédés de mise en forme sans contact doivent être utilisées, telles que l'impression à jet d'encre.

Bien que DEA ont été étudiés depuis plus de 15 ans, la plupart des DEA d'aujourd'hui sont toujours basés sur des films de polyacrylate ready-made combinés avec des électrodes de graisse appliqués à la main. Ces méthodes de faits à la main ont causé DEA de rester la plupart du temps à l'état de prototypes de laboratoire, avec une adoption limitée par l'industrie, malgré la performance intéressante de DEA en termes de tension et la consommation d'énergie. Bien que les procédés de fabrication fiables ont déjà été publiées, elles concernent la fabrication de unprestretched, actionneurs contractiles empilés obtenus avec des configurations automatisés dédiés 21,22. Le processus coulons, nous présentons ici est un processus tout usage polyvalent qui décrit toutes les étapes importantes nécessaires pour fabriquer un DEA, et qui peut facilement être appliquée pour ajuster une application cible définie.

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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