Fabricação rápida de atuadores e robôs pneumáticos macios finos
Summary
Este protocolo descreve um método para a fabricação rápida de atuadores pneumáticos macios e robôs com um fator de forma fina. O método de fabricação começa com laminação de folhas termoplásticas de poliuretano (TPU), seguidas de corte a laser/soldagem de um padrão bidimensional para formar atuadores e robôs.
Abstract
Este protocolo descreve um método para a fabricação rápida de atuadores pneumáticos macios e robôs com um fator de forma ultrafina usando uma prensa de calor e uma máquina de cortador de laser. O método começa com a laminação de folhas termoplásticas de poliuretano (TPU) usando uma prensa de calor por 10 min à temperatura de ~93 °C. Em seguida, os parâmetros da máquina do cortador do laser são aperfeiçoados para produzir um balão retangular com pressão máxima do estouro. Usando os parâmetros otimizados, os atuadores macios são cortados a laser/soldados três vezes sequencialmente. Em seguida, uma agulha de distribuição é anexada ao atuador, permitindo que ela seja inflada. O efeito dos parâmetros geométricos na deflexão do atuador é estudado sistematicamente variando a largura e o comprimento do canal. Finalmente, o desempenho do atuador é caracterizado usando uma câmera óptica e um dispensador de fluidos. Métodos de fabricação convencionais de atuadores pneumáticos macios baseados em moldagem de silicone são demorados (várias horas). Eles também resultam em atuadores fortes, mas volumosos, o que limita as aplicações do atuador. Além disso, a microfabricação de atuadores pneumáticos finos é demorada e cara. O método de fabricação proposto no trabalho atual resolve essas questões atonais, introduzindo um método de fabricação rápido, simples e econômico de atuadores pneumáticos ultrafinos.
Introduction
Como um passo em frente na fabricação de atuadores pneumáticos macios, o método proposto ilustra a rápida fabricação de atuadores pneumáticos ultrafinos (~70 μm) feitos de poliuretano termoplástico (TPU)1. Estes atuadores são particularmente úteis em aplicações que exigem que os robôs sejam leves e/ou se encaixem em pequenos espaços. Tais aplicações podem ser imaginadas como manipuladoras cirúrgicas transcateter, atuadores vestíveis, robôs de busca e salvamento e robôs voadores ou nadadores.
O método de fabricação convencional de atuadores pneumáticos macios finos, que é baseado na moldagem de silicone, é demorado (várias horas) e muito desafiador devido à baixa resolução dos moldes impressos em 3D e dificuldades na demoldagem de atuadores finos (menos de 0,5 mm). Em particular, a fabricação de atuadores finos requer a aplicação de ferramentas e métodos especializados2.
Técnicas de microfabricação podem ser adotadas para fabricar atuadores finos3,4,5,6,7. Alternativamente, Ikeuchi et al. desenvolveram atuadores pneumáticos finos usando membrana micro-emquete8. Estes métodos, embora eficazes, exigem ferramentas caras e são demorados. Assim, eles têm aplicações limitadas.
Paek et al. demonstraram um método simples para a fabricação de atuadores macios em pequena escala usando o revestimento de mergulho de modelos cilíndricos2. Embora eficaz, há duas edições com aplicação difundida deste método: Primeiramente, não é fácil controlar a espessura das características mergulho-revestidas, e em segundo lugar, sua aplicação é restringida a um número limitado de projetos tridimensionais (3D).
Peano atuadores9,10 e motores bolsa11,12 têm compacto bidimensional (2D) desenhos que resultam em fatores de forma fina (ou seja, grandes áreas com pequena espessura). Veale et al. relataram desenvolvimento de atuadores lineares peano feitos de plástico reforçado e compósitos de silicone têxtil1,8. Niiyama et al. desenvolveram motores de bolsa usando filmes termoplásticos fabricados por carimbo de calor e sistemas de desenho térmico11,12.
Enquanto o design 2D de atuadores peano e motores de bolsa torna muito fina em seu estado não atuado, após a inflação sua câmara de volume zero se expande para um volume relativamente grande, limitando assim a sua aplicação para a operação em espaços limitados, tais como terapias transcateter ou missões de busca e salvamento1. Em contraste com esses projetos, os atuadores macios propostos no método atual podem atuar com cepas relativamente pequenas. Assim, mesmo no estado atuado ocupam espaços relativamente pequenos1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os passos críticos na fabricação dos atuadores macios incluem: i) O projeto CAD 2D. Um layout 2D adequado pode ditar a deformação do atuador (por exemplo, movimento linear, biaxial, dobrando e rotacional). ii) Laminação das camadas de TPU. Os filmes da TPU são prensados a calor antes do corte a laser para garantir que as camadas sejam planas e em contato conformal em todos os lugares. iii) Corte/solda a laser. Como passo final, as camadas laminados TPU são cortadas a laser / soldadas em atuadores macios.
A taxa de sucesso do protocolo pode produzir um rendimento de 100% (por exemplo, fizemos 20 atuadores simultaneamente). O fator principal é a etapa de laminação: para obter os melhores resultados, a TPU deve ser achatada, tanto quanto possível antes do processo de imprensa de calor. Examinar diferentes regiões da placa de imprensa de calor com um sensor de força pode mostrar que a distribuição de pressão não é uniforme. A distribuição de pressão não uniforme pode resultar em laminação imperfeita das folhas De TPU, o que, por sua vez, resulta em corte/soldagem e vazamento supércuis a laser. Alternativamente, a transferência de calor não uniforme devido a pequenas rugas no filme TPU durante o corte a laser / soldagem pode causar vazamento.
Em comparação com os métodos convencionais, o método proposto tem várias vantagens, incluindo: i) Design 2D simples. Enquanto o método atual requer apenas projetos CAD 2D para cortar a laser / soldar os atuadores (vários padrões estão disponíveis1),os métodos de fabricação convencionais com base na fundição de silicone exigem um design de molde 3D. ii) Fabricação rápida. O tempo de fabricação do projeto CAD à laminação de camadas de TPU e o corte/soldagem a laser pode acontecer em vários minutos, enquanto o método de fabricação convencional levará várias horas. Ao permitir a fabricação de dispositivos macios e robôs macios em uma única etapa, sem montagem, robôs macios e dispositivos podem ser projetados a partir de uma combinação de diferentes tipos de atuadores, e o modelo CAD pode ser cortado a laser/soldado no produto final em uma única etapa sem exigir qualquer montagem. Por exemplo, um robô de natação, composto por quatro pernas cada um composto por dois tipos de atuadores de flexão, é fabricado a partir de um projeto CAD 2D em apenas alguns minutos sem a necessidade de quaisquer etapas de montagem, como anteriormente demonstrado1.
Como direção futura deste trabalho, diferentes tipos de materiais termoplásticos podem ser adotados para a fabricação dos atuadores macios. Geralmente, esses materiais precisam ter um comportamento elástico para serem usados como atuadores. A aplicação de material termoplástico mais rígido resultará em maior pressão de explosão e maior força de bloqueio dos atuadores em comparação com os anteriormente caracterizados na Figura S6 de Moghadam et al.1, mostrando forças de até 0,1 N. Assim, pode estender a aplicação dos atuadores aos casos onde é necessária maior força de bloqueio, como suítes de exoesqueleto.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Instituto Dalio de Imagens Cardiovasculares para o financiamento deste trabalho.
Materials
| Force Sensor | Omega | KHLVA-102 | https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html |
| High Precision Dispensers Ultimus I | Nordson | http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE | |
| Laser Cutter VLS2.30 | Universal Laser System | https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30 | |
| PowerPress Heat Press | Power Heat Press | OX-A1 | https://www.howtoheatpress.com/power-press-15×15-heat-press-review/ |
| PTFE Thread Sealant tape | McMaster-Carr | 4934A11 | https://www.mcmaster.com/ptfe-tape |
| Stainless Steel Dispensing Needle | McMaster-Carr | 75165A754 | https://www.mcmaster.com/75165a754 |
| Super Glue Loctite 409 | Henkel | 229654 | https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html |
| Thermoplastic polyurethane Airtech’s Stretchlon 200 | ACP Composites | v-11A | https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60 |
| Universal Testing Systems | Instron | 5943 |
References
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- Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes. Scientific Reports. 5, (2015).
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