JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
공학

Fabricageproces van siliconen gebaseerde diëlektrische Elastomer Actuators

Published: February 01, 2016
doi:
10.3791/53423
, , ,
1Microsystems for Space Technologies Laboratory,Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Summary

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

Abstract

Deze bijdrage toont het fabricageproces van diëlektrische elastomeer transducers (DET's). DET's zijn rekbaar condensatoren bestaan ​​uit een elastomeer membraan diëlektricum tussen twee buigzame elektroden. De grote bediening stammen van deze sensoren bij gebruik als actuatoren (meer dan 300% gebied stam) en hun zachte en compliant natuur is benut voor een breed scala van toepassingen, waaronder elektrisch instelbare optica, haptische feedback apparaten, golf-energie oogsten, vervormbare cel -cultuur apparaten, compliant grijpers en voortstuwing van een bio-geïnspireerde visachtige luchtschip. In de meeste gevallen worden DET's gemaakt met een commercieel eigen acrylelastomeer met de hand aangebrachte elektroden van koolstofpoeder of koolstof vet. Deze combinatie leidt tot een niet-reproduceerbare en langzame actuatoren vertonen visco-elastisch kruip en een korte levensduur. Wij presenteren hier een complete procesflow voor de reproduceerbare fabricage van DET's op basis van dunne silicium elastomeere films, waaronder gieten van dunne siliconen membranen, membraan loslaten en uitrekbewerking, patroonvorming van robuuste buigzame elektroden, assemblage en testen. De membranen worden gegoten flexibele polyethyleen tereftalaat (PET) substraten bekleed met een in water oplosbare offeren laag voor het gemak van afgifte. De elektroden bestaan ​​uit roet gedispergeerd in een silicone matrix en patroon met een stamping techniek die leidt tot nauwkeurig gedefinieerde buigzame elektroden die een hoge hechting presenteren aan de diëlektrische membraan waarop ze worden toegepast.

Introduction

Diëlektrische elastomeer transducers (DET's) zijn zachte inrichtingen die bestaan ​​uit een elastomeer diëlektrische membraan (typisch 10-100 urn dik), ingeklemd tussen twee buigzame elektroden, waardoor een rubberachtig condensator 1. DET's kunnen worden gebruikt als actuatoren in staat is zeer grote stammen (heeft tot 1700% oppervlakte rek aangetoond) 2, zachte stam sensors 3, of als zachte energieproducenten 4. Bij gebruik als actuatoren, wordt een spanning aangelegd tussen de twee elektroden. De gegenereerde elektrostatische kracht perst het diëlektricum membraan, waardoor de dikte en het vergroten van de oppervlakte (figuur 1) 1. Naast actuators, kan dezelfde basisstructuur (dunne rekbare elastomeer membraan en elektroden) worden gebruikt als spanningssensor en energie oogsten inrichtingen, gebruik te maken van de verandering van de capaciteit veroorzaakt door mechanische vervorming. De grote stammen gegenereerd door diëlektrische elastomeer eenctuators (deas) en de zachte aard compatibel is gebruikt voor vele toepassingen, zoals elektrisch afstembare lenzen 5, 6 rotatiemotoren, vervormbare celcultuur inrichtingen 7 en voortstuwing van een bio geïnspireerd visachtige luchtschip 8.

Meest DET's in de literatuur gebruik een speciaal acrylelastomeer film van 3M VHB genoemd als di elastomeer membraan, omdat het is bleek zeer grote spanningen bediening 1 vertonen. De beschikbaarheid van dit materiaal in filmvorm is ook een belangrijke factor in het brede gebruik DET toepassingen, hoewel (aansturing stam vernietiging), heeft een aantal belangrijke nadelen, zoals mechanische verliezen en viscoelastische kruip dat de reactiesnelheid beperken , een kleine temperatuurbereik, en een neiging tot scheuren. In vergelijking, silicone elastomeren worden gebruikt als diëlektrisch membraan DET's, waardoor inrichtingen met een responssnelheid 1000 keer snellerdan acrylelastomeren, vanwege hun sterk gereduceerde mechanische verliezen 9. Bovendien zijn ze verkrijgbaar in een groot aantal hardheden, hetgeen extra ontwerpvrijheid geeft. Echter, siliconen meestal verkocht in een viskeuze basisvorm, die moeten worden toegepast in dunne-membranen te gebruiken voor DET's. Echter, dit levert nog een extra vrijheidsgraad, omdat de dikte van het membraan vrij kan worden gekozen en wordt niet opgelegd door de fabrikant, zoals het geval premade films.

Dit protocol geeft de vervaardiging van een diëlektrische elastomeer actuator. Het kan echter ook worden toegepast met weinig of geen modificatie voor de vervaardiging van diëlektrische elastomeer transducers in ruimere zin, waaronder energie oogsten apparaten en spanningssensoren. We stellen hier een werkwijze voor groot gebied (A4) gieten van dunne (10-100 pm) silicone films op flexibele substraten PET bedekt met een wateroplosbare opofferingslaag. De offerlaag vermindert de krachten required de silicone membraan scheiden van het substraat, waardoor de mechanische vervorming van het membraan verminderen tijdens afgifte. Vervorming van de film kan leiden tot anisotrope mechanische eigenschappen als gevolg van stress-geïnduceerde verzachtende (Mullins effect) 10 en moet daarom worden vermeden. De elektroden zijn de tweede belangrijke component van een DET. Hun rol is om de elektrische ladingen te verdelen op het oppervlak van het elastomere membraan. Om een ​​betrouwbare aandrijving, als aan de elektroden kunnen herhaalde spanningen hoger dan 20% te weerstaan ​​zonder te scheuren, afbrekende, delamineren of verlies van geleidingsvermogen; Verder moeten zij compatibel zijn dat niet mechanisch verstijven de constructie 11. Onder de verschillende technieken die bestaan ​​om compliant elektrodes te maken, met de hand aangebracht roetdeeltjes of koolstof vet zijn de twee meest gebruikte methoden 11. Echter, deze methoden hebben wel een paar nadelen: toepassing door de hand voorkomt miniaturisatie van het apparaats leidt tot niet-reproduceerbare resultaten en tijdrovend. Bovendien is koolstofpoeder of vet niet aan het membraan en elektroden die door deze werkwijze zijn onderhevig aan slijtage en mechanische slijtage. Ook in het geval van vet, kan het bindende medium diffunderen in de diëlektrische membraan en de mechanische eigenschappen te wijzigen. De levensduur van de VN-ingekapselde koolstofpoeder of vet elektroden is dus vrij kort. Hier presenteren we de patroonvorming van buigzame elektroden door stansen techniek genaamd tampondruk waarin een nauwkeurig ontwerp wordt overgedragen aan het membraan via een zacht silicone stempel, zodat snel en reproduceerbaar patroon nauwkeurig elektroden met faciliteiten tot 0,5 mm. De toegepaste oplossing bestaat uit een mengsel van roet in een silicone matrix, die verknoopt na toepassing, hetgeen leidt tot geharde elektrodes met sterke hechting aan het elastomeren membraan, waardoor ze zeer veerkrachtig en bestand tegen mechanische slijtage en slijtage.

Het volgende protocol beschrijft alle stappen die nodig zijn om snel en betrouwbaar Deas met precies patroon buigzame elektroden fabriceren. Dit omvat membraan casting en uitrekbewerking, patroonvorming en uitlijning van de elektroden, de montage, de elektrische aansluiting en testen. Ten behoeve van de video, fabriceren we een eenvoudig vlak actuator met een tandwiel gevormde elektrode, zie figuur 2. De actuator bestaat uit een dun siliconen membraan gespannen over een membraanhouder, waarop twee buigzame elektroden worden gevormd. Een actuator lijst wordt dan elektrisch contact met de onderelektrode verschaffen. Figuur 3 toont een uiteengenomen aanzicht van het samenstel van de verschillende onderdelen van de actuator. Hoewel de inrichting gerealiseerd in de video geen praktische toepassing buiten tonen het basisprincipe van deas zijn verschillende actuators voor specifieke toepassingen zijn gemaakt met exact dezelfde werkwijze,zo zacht grijpers, instelbare lenzen, instelbare mm-wave faseverschuivers, etc.

Protocol

1. Silicone Membraan Production Opofferingslaag casting Snijd een 400 mm lange blad van hoge kwaliteit 125 micrometer dikke PET van de rol. Bereid opofferende oplossing (5% poly acrylzuur in isopropanol gewichtsprocent): meng 32 g isopropanol en 8 g poly acrylzuur-oplossing (25% in water) in een 50 ml plastic buis. Goed schudden. Reinig de PET substraat met pluisvrije doekjes geïmpregneerd met isopropanol. Reinig de vacuüm tafel met pluisvrije doekjes geïmpregneerd met isopropanol. Leg de PET substraat op de vacuüm tafel en zet de vacuümpomp. Inspecteer de vacuum tafel om ervoor te zorgen dat er geen grote stofdeeltjes worden gevangen tussen de vacuüm tafel en de PET-substraat. Herhaal de vorige reiniging stappen als stofdeeltjes worden geïdentificeerd. Reinig het bovenoppervlak van het PET substraat met pluisvrije doekjes geïmpregneerd met isopropanol. Plaats het profiel van een staafpplicator op de automatische film coater en stel coatingsnelheid tot 5 mm / sec. Doe 2 ml opofferingslaag oplossing voor het profiel staaf en start de coater machine. Wanneer het profiel staaf het eind van de PET substraat lift het uit van de coater is bereikt en maak het schoon door af te vegen met een niet-pluizende doekje gedrenkt in warm water. Trek de film applicator maar laat de vacuümpomp lopen en laat de PET substraat op de vacuüm plaat. Laat de laag droog in de lucht gedurende 2 minuten. Siliconen membraan casting Verwarm de oven voor op 80 ° C. Voeg 15 g silicone base en 1,5 g verknopingsmiddel een menging pot. Voeg 10 g silicone oplosmiddel om de viscositeit te verlagen. Meng het silicone mengsel met een planetaire menger. Gebruik een 2 min mengen cyclus bij 2000 rpm plus 2 min ontgassen cyclus bij 2200 rpm. Stel de hoogte van de universele applicator 225 urn. Plaats de applicator aan de bovenkant van de PET-blad en stel tHij film applicator snelheid 3 mm / sec. Overdracht 15 ml silicone mengsel uit de mengbeker op het PET substraat met een spuit. Start de automatische applicator siliconen passen via volledige PET substraat (Figuur 4A). Schakel de pomp uit en wacht 5 min te laten het oplosmiddel verdampen van de cast laag. Breng het membraan op een glasplaat en plaats in de oven gedurende 30 min bij 80 ° C. Reinig de applicator en vacuüm plaat met pluisvrije doekjes geïmpregneerd met isopropanol. Na 30 minuten, verwijder het membraan uit de oven laat afkoelen bij kamertemperatuur gedurende nog 5 min en bedekken met een dunne PET-folie om het oppervlak te beschermen tegen verontreinigingen. 2. Laat en vooraf uitrekken van Elastomere membranen Voorrek ondersteuning fabricage Snij een A4-formaat rechthoek van de rol van de droge siliconen overdracht lijm. Verwijder een of de beschermkappen van de droge siliconen overdracht lijm en handmatig toepassen van de lijm op een A4 transparanten, zorg ervoor dat de vorming van bellen tijdens het aanbrengen te voorkomen. Snijd de voorrek support patroon in het met lijm bedekte transparanten met een computer numerieke besturing (CNC) lasergraveur (figuur 4B) volgens het protocol van de fabrikant. Membraandrager fabricage Snijd een 500 mm bij 290 mm rechthoek in de rol van droge siliconen overdracht lijm. Schil weg een van de beschermkappen van de droge siliconen overdracht lijm en lamineren de folie op een 3 mm dikke poly (methyl methacrylaat) (PMMA) plaat. In de PMMA frame, gesneden ringen van 52 mm buiten diameter en 44 mm binnendiameter die zal dienen als membraan houders. Membraan vrijlating Snijd de cast siliconen membraan / PET substraat sandwich van stap 1 in cirkels 55 mm in diameter met een CNC lasergraveersysteem (figuur 4B) volgens het protocol van de fabrikant en afpellen van de beschermende film. Bevestig de lasergesneden overspannen steunen op de cut siliconenmembraan cirkel klevende zijde naar beneden, zodat het kleefmiddel in contact met het oppervlak silicone (Figuur 4C). Bereid een bad met kokend water en dompel de assemblage (siliconen membraan en lijm ondersteuning) in. Terwijl ondergedompeld, voorzichtig en langzaam schil de PET substraat weg van de siliconen membraan (Figuur 4D). Verwijder de siliconen membraan uit het waterbad en laat het drogen aan de lucht of gebruik een stikstof pistool te versnellen het droogproces. Membraandikte meet- en voorrek Meet de dikte van het membraan met een transmissie interferometer volgens het protocol van de fabrikant. Stel de prestretcher tot een diameter van 45 mm en plaats de prestrets support-siliconen membraan op de brancard vingers, zelfklevende kant naar beneden. Snijd de voorrek steun tussen de brancard vingers (Figuur 4E). De diameter van de prestretcher tot 58,5 mm equi-biaxiaal voorrek het membraan met een factor 1,3 (30% voorrek) linksom om de prestretcher ring linksom (figuur 5). Verwijder de afdekfolie van de PMMA membraan houder blootstellen van de lijm en plak de PMMA membraan houder op de voorgespannen membraanoppervlak (Figuur 4F). Snijd rond het membraan houder aan de voorgespannen membraan van de brancard te verwijderen. Meet de uiteindelijke dikte van het voorgespannen membraan met een transmissie interferometer. 3. Patroonvorming Compliant elektroden door Tampondruk Geleidende inkt voorbereiding In een 125 ml plastic mixer container, plaatsen 0,8 g roet wet 16 g isopropanol en 6 stalen kogels van 12 mm diameter. Meng bij 2000 rpm gedurende 10 minuten in een planeetmenger. Voeg 4 g siliconenelastomeer deel A, 4 g deel B, en 16 g isooctaan. Meng bij 2000 rpm gedurende 10 minuten in een planeetmenger. Setup van de tampondrukmachine Installeer het cliché met de gewenste elektrode patroon op de magnetische blok (figuur 4G). Vul het inkcup de geleidende siliconen gebaseerde inkt. Plaats het cliché blok (cliché op de magnetische blok vast) op de top van de inkt gevuld inkcup en installeer de assemblage in de machine. Bevestig de siliconen pad op de machine. Uitlijning Plaats de aligner plaat (figuur 4H) op de printer basis. Initiëren een drukkerij cyclus op het pad drukmachine, waarbij de elektrode ontwerp zal van toepassing zijn op de aligner plaat volgens het protocol van de fabrikant. VisueelInspecteer de overlap van de afgedrukte elektrode en de geëtste referentiestructuur van de aligner plaat. Verplaats de xy-θ podium om te corrigeren voor eventuele foutieve uitlijning. Reinig de aligner plaat en print een andere elektrode. Inspecteer de aanpassing aan het referentie-structuur en blijven het verplaatsen van de platform positie en afdrukken elektroden totdat u een perfecte superpositie van het gedrukte patroon op de referentie-structuur (figuur 4H) te verkrijgen. Afdrukken buigzame elektroden Plaats een voorgespannen membraan op de printer basis. Op het pad drukmachine, start een drukkerij cyclus om de elektrode op het membraan bovenzijde (figuur 4I) stempel. Stempel het membraan tweemaal een voldoende dikte elektrode van ongeveer 4 urn waarborgen. Verwijder het membraan uit de printer basis, plaatst u de volgende voorgespannen membraan op de printer basis en herhaal het drukproces tot alle voorgespannen membranen worden gestempeld. Plaats de membranen met de gestempelde elektrode in een oven bij 80 ° C gedurende 30 min. Na 30 minuten, verwijder de membranen uit de oven. Plaats een van de bedrukte membranen ondersteboven op de printer voet, waardoor de membraan achterzijde. Initiëren een drukkerij cyclus patroon de bodem elektrode. Verwijder het membraan uit Printerbasis Plaats het volgende membraan op Printerbasis en herhaal het afdrukproces en alle membranen worden gestempeld aan beide zijden. Plaats de membranen in de oven bij 80 ° C gedurende 30 min te verknopen de onderelektrode. 4. Het maken van elektrische aansluitingen Cut actuator frames die zal dienen als houdt frame voor de aandrijving in dezelfde PMMA plaat gebruikt voor de membraan houder (zie 2.2) met behulp van een CNC laser graveur. Peel-off gesteund door het kleefmiddel op de bovenkant van de actuator frame. Breng een 18 mm x 2,5 mm stukje geleidende tape op de zijde van de actuator kader dat in contact met de onderste elektrode komen en vouw het aan de zijkant van het frame om het elektrisch contact verschaffen (figuur 3). Schuif de aandrijving frame in het membraan houder en voorzichtig op het membraan met de vingers te houden aan de lijm van de actuator frame. Met een scalpel, snijd het membraan op de grens tussen het membraan houder en actuator frame en verwijder de eerste. Breng een tweede stuk van 18 mm x 2,5 mm geleidende tape op het contact zone van de bovenste elektrode. Plaats een draad op elk stuk geleidende tape om een ​​elektrische verbinding te maken. Sluit de twee draden aan een hoogspanningsbron en een 2 Hz vierkante signaal van 2 kV amplitude toepassing. Observeer de periodieke uitbreiding van de inrichting.

Representative Results

Siliconen membraan casting Zodra de silicone membranen vrijkomen uit het PET substraat en zijn vrijstaand op een frame (aan het einde van stap 2,2), kan de dikte worden gemeten, bijvoorbeeld door verzending interferometrie. Figuur 6 toont de dikte homogeniteit van een siliconenlaag over de breedte van 200 mm PET substraat voor 3 verschillende effectieve gap hoogtes (50, 100 en 150 pm) met een gietsnelheid van 1 mm / sec (Merk op dat door de applicator is breder dan het PET substraat, de voet van de applicator rusten op de vacuüm en niet op de PET substraat zelf, zoals te zien in figuur 4A. De effectieve spleet tussen de applicator en het substraat is dus gelijk aan de hoogte applicator min de dikte van de PET substraat. Bijvoorbeeld een PET substraat van 125 pm en een applicator hoogte van 225 urn, zoals in het protocol, leidt tot een effectieve ruimte van 100 pm). Voorde 50 urn effectieve spleethoogte is er een duidelijke hoogteverschil tussen de linker- en rechterzijde van de siliconenlaag. Dit omdat de hoogte van de applicator handmatig worden ingesteld op de linker- en rechterzijde, en een fout onvermijdelijk. Maar met een zorgvuldige instelling van de applicator, we meestal verkregen membranen met een dikte standaarddeviatie van minder dan 1 urn, wat het geval is voor de 100 urn effectieve spleethoogte (σ = 0,81 pm). Wanneer de applicator hoogte te groot, golving begint op het membraan veroorzaakt door de verdamping van het oplosmiddel in het silicone mengsel, zoals zichtbaar in het membraan gegoten met een effectieve opening van 150 um (figuur 6) is. De verhouding tussen de verkregen droge filmdikte en de applicator hoogte afhankelijk van de silicone mengsel en de snelheid van het gieten. Het silicone mengsel in dit artikel bestaat uit een 2-delen silicone en een oplosmiddel om de vi verlagenscosity van het mengsel. Als oplosmiddel verdampt uit het membraan vóór harden, kan een schatting van de filmdikte wordt verkregen door effectieve spleethoogte te vermenigvuldigen met de volumefractie van vaste stof in het silicone mengsel. Er zijn echter dynamisch effect op het achterste van de applicator, waardoor de vorming van een meniscus en een dunnere dikte dan verwacht. De relatie tussen de spleethoogte en de verkregen droge membraandikte is afhankelijk van de gietsnelheid, applicator hoogte en de applicator vorm. Figuur 7 toont de resultaten van een experiment waarbij membranen werden gegoten met verschillende snelheden en hoogtes te tonen hoe deze parameters beïnvloeden droge laagdikte. Te zien is dat gieten bij hoge snelheid leidt tot dunnere membranen, en dat het effect van de snelheid wordt meer uitgesproken als het verschil in hoogte toeneemt. Aansturing Prestaties De actuator hier gefabriceerd wordt gekenmerkt door MEASURing de buitendiameter van het tandwiel-achtige elektrode als functie van de aangelegde spanning. Een camera op een vaste stand wordt gebruikt om beelden van de actuator neemt de spanning wordt verhoogd. De beelden worden geanalyseerd met een beeldverwerking script (Vision, National Instruments) om de uitbreiding van de actuator te kwantificeren. Dit werd gedaan door het aanbrengen van een cirkel naar de buitenomtrek van het zwaartepunt dergelijke elektrode (figuur 8). De toename van de diameter van de cirkel van de ontspannen toestand wordt gepresenteerd als diametrale rek (dat wil zeggen, de geactiveerde diameter gedeeld door de diameter van de actuator wanneer ontspannen). De resultaten van twee afzonderlijke actuators identieke dikte (34,5 urn) getoond in figuur 8. Beide apparaten voeren eveneens met diametrale rek van 10% bij een bedieningsspanning van 4 kV. De reactiesnelheid van de aandrijver werd gemeten door toepassing van een 2 Hz vierkante signaal van 3 kV, waardoor een spanning van ongeveer 4%. De uitbreiding van de actuator werd gefilmd met een high-speed camera met een tijd resolutie van 0,25 msec. Een stijgende flank werd gevangen, met 200 frames (50 msec) voordat de spanning trigger, en 200 frames na. De beelden werden vervolgens geanalyseerd om de tijdsafhankelijke vervorming extraheren (Figuur 9). De stijgtijd (tijd die nodig is om 90% van de uiteindelijke deformatie te bereiken) is 3,75 msec, en er is geen waarneembare viscoelastische kruip vóór en na de spanningsstap, in tegenstelling tot wat wordt waargenomen wanneer acrylelastomeren worden gebruikt als membranen, waarbij stijgtijden van enkele honderden seconden wordt meestal waargenomen 12. Toepassing van het procesverloop andere apparaten De actuator vervaardigd dit artikel toont onze fabricageproces, alsmede de fundamentele werkingsprincipe van een DEA met een vergroting van de oppervlakte van de elektroden bij het aanleggen van een spanning, en daarom een ​​goed voorbeeld voor deze les. Echteractuator heeft geen specifieke ander doel dan het aantonen van de bediening principe van een DEA. Toch is de hier voorgestelde werkwijze is zeer veelzijdig en kan worden gebruikt om een ​​breed scala van zacht transducers gericht op specifieke toepassingen te vervaardigen. Wij presenteren hier een paar geselecteerde voorbeelden van toepassingen die we ontwikkeld op basis van actuatoren vervaardigd met behulp van de voorgestelde methodiek. Zachte bio-geïnspireerde afstelbare lenzen zijn vervaardigd (figuur 10A). Deze kunnen veranderen brandpuntsafstand met 20% in minder dan 200 psec 9. Het apparaat kan worden bediend voor meer dan 400 miljoen cycli zonder merkbare vermindering van activering prestaties, waaruit blijkt dat de combinatie van passende materialen en goede fabricageprocessen resulteren in DEAS met snelle respons snelheden en lange levensduur. Lenzen van soortgelijke geometrie maar maakte met de veelgebruikte commerciële acrylelastomeer VHB een bandbreedte van meer dan 3 orden van grootte kleiner <sup> 9. Patroonvorming van de buigzame elektroden met tampondruk kunt maken heel precies gedefinieerde elektroden, waardoor de fabricage van onafhankelijke kleine elektroden op hetzelfde membraan. Dit is bijvoorbeeld aangetoond door de vervaardiging van een DEA-gebaseerde rotatiemotor met drie elektrisch onafhankelijke elektroden (Figuur 10B). De as en de proefmassa in het midden van de motor draaien op 1500 rpm 13. De motor concept is verder geduwd om dat tampondruk tonen kunnen ook betrouwbaar actuatoren. Een self-commutating rollende robot werd gebouwd om rondjes langs een cirkelvormige baan (figuur 10C) draaien. De robot bezocht meer dan 25 km met een gemiddelde snelheid van 15 cm / sec 13. Andere toepassingen die zijn gemaakt met de huidige werkwijze (of lichte variaties daarvan) omvatten vervormbare celkweeksystemen 14, diëlektrische elastomeer generatoren <sup> 15, multi-segment zachte grijpers 16, of afstembare mm-golf radio frequentie faseverschuivers 17. Figuur 1. Basisprincipe van diëlektrische elastomeer actuatoren Top:. (1A) In zijn meest eenvoudige vorm, een DEA bestaat uit een zachte elastomeer membraan tussen twee buigzame elektroden. (1B) Wanneer een gelijkspanning wordt aangelegd tussen de elektroden, de elektrostatische ladingen ingesteld op de elektroden maakt een drukspanning dat het membraan perst, wat leidt tot een diktevermindering en een oppervlak expansie. Bottom: (2A) van de in het protocol beschreven actuator bestaat uit een membraan gespannen op een frame. Circulaire elektroden aan weerszijden van het membraan met uitbreidingen van de rand van het membraan mogelijk te maken voor elektrische aansluitingen. De actieve area Het gebied waar de twee elektroden overlappen, dat wil zeggen, de cirkel in het midden. (2B) Wanneer een spanning wordt aangelegd, de elektrostatische kracht perst het membraan. Dit veroorzaakt een verlaging van het membraan dikte in het actieve gebied, en een toename van het oppervlak van de elektrode. Omdat het membraan wordt voorgerekt, de passieve zone rond de elektrode ontspant aan de uitbreiding van de centrale actieve gebied tegemoet te komen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. . Figuur 2. Demonstratiesysteem actuator gefabriceerd in dit protocol Links: afgelopen omvattende gestrekte silicone op een frame bevestigd membraan, een paar compliant elektrode gevormd aan beide zijden van het membraan, en elektrische aansluitingen. Right: samengestelde afbeelding toont de rusttoestand (zwart) en de geactiveerde toestand (cyaan). Een stijging van 10% van de diameter van de structuur wordt waargenomen met 4 kV aangebracht over de elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3. explosieaanzicht van de actuator. De verschillende componenten die de aandrijving vervaardigd in de video vormen. Het membraan houdt de houder voorgespannen siliconen membraan wordt het membraan gedurende de elektrode drukstap manipuleren. Zodra de elektroden uitgehard, wordt de aandrijving frame in de membraan houder geplaatst en biedt zowel een structureel kader voor de actuator te houden, en een elektrisch contact met de onderelektrode. Eens het membraan is bevestigd aan de actuator frame, het membrane houder kan worden verwijderd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4. Overzicht van fabricageproces. (A) Gieten van silicone membranen met behulp van een automatische film applicator coater. (B) Laser snijden van genezen siliconen membraan en voorrek ondersteunt. (C) Het plaatsen van siliconen membraan op voorrek ondersteuning. (D) loslaten van silicone membraan van PET substraat door de oplossing van PAA opofferingslaag in heet water. (E) Het snijden van voorrek ondersteuningssecties tussen de vingers. (F) overspannen en hechtende membraan houder aan het membraanoppervlak. (G) Cliché gevuld met conductive inkt. (H) laser geëtste elektrode aligner, bijvoegsel figuur toont een voorbeeld van goed uitgelijnde elektrode. (I) Silicone membraan met gestempelde elektrode. (J) Finished apparaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5. Werking van het membraan prestretcher. (A) Verschillende metalen vingers zijn bevestigd op een kunststof ring en wordt gedwongen te bewegen in een lineaire (radiaal) fashion langs hun lengte. De annulus is beperkt tot de omtrek bewegen. De kunststof ring heeft verschillende gebogen sleuven gefreesd in, waarin de metalen pennen van de vingers bevinden. Straal van een cirkel begrenzende rand van de vingers is R 1 . (B) De prestretcher annulus wordt gedraaid tegen de klok in, de vingers tegelijk te vertalen, het verhogen van de straal van de cirkel begrenst de vinger randen van R1 tot R2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 6. Dikte homogeniteit van de gegoten silicone lagen. Diktemeting van de uitgeharde silicone membraan over de breedte van 200 mm PET substraat, drie gap instellingen van de applicator. De casting snelheid is 1 mm / sec. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. content "fo: keep-together.within-page =" always "> Figuur 7. Droge laagdikte in functie van casting parameters. Laagdikte verkregen voor verschillende applicator hoogten en snelheid voor een siliconen-oplosmiddel mengsel met 62% stevige inhoud in volume. Een hogere snelheid leidt tot dunnere membranen voor gelijke applicator instellingen, en de invloed van de snelheid neemt toe met toenemende membraandikte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 8. Aansturing van de demonstrator. Buiten diametrale rek als functie van de aangelegde spanning voor twee apparaten met een laagdikte (na overspannen) van 34,5 pm. Een toename van de diameter van ongeveer 10% wordt waargenomen bij de maximale aangelegde spanning. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 9. Strain reactie op een spanning invoerwaarde. Een vierkante, 3 kV 2 Hz-signaal wordt toegevoerd aan de inrichting, het genereren van een spanning van ongeveer 4% (zie Figuur 8). Het gebied uitbreiding wordt waargenomen met een high speed camera op 4000 frames per seconde. Het duurt minder dan 4 msec de actuator 90% van zijn uiteindelijke afmeting bereiken. Voor en na de overgang, de afmeting van de aandrijving stabiel blijven en geen visco-elastische kruip niet laten zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always"> Figuur 10. Diëlektrische elastomeer actuators gemaakt met de gepresenteerde processtroom. Drie voorbeelden van diëlektrische elastomeer actuators die door de in dit document beschreven methode. (A) Snelle en zachte afstembare lens kan veranderen de brandpuntsafstand met 20% in minder dan 200 psec. (B) Rotary elastomeer micro-motor die in staat spinnen bij 1500 tpm. (C) Zelf woon-werkverkeer rollende robot. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Het fabricageproces kan als volgt worden samengevat. Begin door een wateroplosbare opofferingslaag op het PET substraat voor het gieten van het membraan. Dit voorkomt overmatige vervorming tijdens de introductie proces dat mogelijk het membraan beschadigen. De silicone wordt vervolgens gegoten in een dunne laag en uitgehard in een oven. De A4 PET-blad met de siliconen coating wordt gesneden in ronde schijven van 55 mm diameter, en stak flexibele voorrek ondersteunt. De voorrek dragers worden gebruikt om het membraan te manipuleren tijdens de opofferingslaag afgifte en uitrekbewerking stappen. Om het membraan te scheiden van de PET substraat wordt ondergedompeld in heet water om de opofferingslaag lossen. Dit proces kan het membraan worden vrijgemaakt zonder significant te trekken. Zodra het membraan vrijstaand kan worden voorgerekt. Uitrekbewerking bestaat uit het mechanisch rekken het membraan in het vlak vóór de vaststelling van het over het houden van frames. Deze stap genereertexterne trekkrachten in het membraan en is noodzakelijk voor in het vlak diëlektrische elastomeer actuators, zoals de demonstratie wordt geproduceerd. In het protocol gebruiken we equi-biaxiaal verstrekken, dat wil zeggen een gelijke waarde uitstrekt in beide richtingen in het vlak. Afhankelijk van de toepassing, verschillende uitrekbewerking configuraties kunnen worden gebruikt, zoals uniaxiaal (alleen uitstrekt langs x en y, terwijl het membraan mag ontspannen in de andere richting) of anisotropische (verschillende waarden langs x en y).

Een techniek genaamd tampondruk wordt gebruikt om nauwkeurig patroon een meegevende elektrode op het voorgespannen membraan siliconen, die toelaat mm-maat elektroden precies definieert op het membraan. Hierbij wordt inkt aangebracht met een rakel op een cliché (een stalen plaat waarop het ontwerp gedrukt wordt geëtst, en vervolgens opgehaald van het cliché een gladde siliconen stempel alvorens te worden overgebracht naar het membraan 13). Ooity ontwerp vereist een eigen cliché. Deze kunnen bij gespecialiseerde bedrijven, die ze produceren uit een elektronische tekening van de geometrie worden besteld. Een rekbare geleidende elektrode maken dispergeren carbon black in een silicone matrix afschuifkrachten behulp kogelmolen, een bekende techniek om de agglomeraties roet breken en homogeen dispergeren van het poeder in een polymere matrix 18,19.

Tijdens het afdrukken, is het belangrijk dat het ontwerp wordt bedrukt met een nauwkeurige positionering en oriëntatie ten opzichte van het membraan frame. Om dit te doen, gebruik maken van een precisie xy-θ podium en een richter. De aligner is een stuk van PMMA in dezelfde vorm als het membraan frame heeft elektrodeontwerp geëtst op zijn oppervlak met CNC lasergraveerder. Voordat u afdrukt op het membraan Wij drukken op de uitlijning plaat om de uitlijning te controleren. Als het afgedrukte ontwerp komt niet overeen met de geëtste ontwerp passen we de xy-θ fase totdat de twee ontwerpen overlap (Figuur 4H). In het protocol, de bovenste en onderste elektrode hebben hetzelfde ontwerp, zodat het pad drukmachine kan onberoerd gelaten worden tussen de toepassingen van de twee elektroden. Echter, in sommige gevallen, de elektroden geometrieën zijn verschillend voor de bovenste en onderste elektroden. In dat geval, terwijl de membranen in de oven voor het uitharden van de bovenste elektrode (dat wil zeggen, tussen stappen 3.4.3 en 3.4.4), is het noodzakelijk om het cliché blok (het samenstel bestaande uit de cliché plaats gehouden verwijderen op een magnetisch blok) met de inktpot van de tampondrukmachine. Vervolgens moet de geïnstalleerde cliché worden ingewisseld voor een met de onderelektrode ontwerp. Omdat het cliché blok is verplaatst, is het noodzakelijk de uitlijning procedure (stap 3,3) door een aligner plaat geëtst met het ontwerp van de tweede elektrode te voeren. Zodra beide elektroden worden geplaatst, moeten ze worden verbonden met een externe aandrijfcircuit dat de lasten levert fof bediening. Er zijn verschillende oplossingen voor het maken van de elektrische verbindingen tussen de buigzame elektroden en stuurelektronica. Hier wordt een methode zeer geschikt voor prototyping aangetoond middels lijm bedekte frames en geleidende tape (figuur 3). Voor batch productie, het gebruik van gedrukte schakelingen met koperen elektroden met de elektroden een beter alternatief (zie figuur 10A een voorbeeld van een inrichting die met een commercieel PCB).

Gebruik commerciële apparatuur of produkten meeste stappen van de processtroom. De twee uitzonderingen zijn de meting van de dikte van de siliconen membranen en de uitrekbewerking stappen. Voor de dikte meten, gebruiken een zelfgemaakte witte lichttransmissie interferometer bestaande uit een gecollimeerde witte lichtbron (spot grootte <1 mm) doorkruisen het membraan en door een spectrometer verzameld. De periode van de storing rand van de uitgezonden lichtintensiteit als een functies golflengte wordt gebruikt om de dikte van het membraan 20 te berekenen. Merk op dat andere werkwijzen kunnen worden gebruikt om de dikte te meten, maar ze moeten niet-destructief en idealiter contactloze om vervorming van het dunne membraan. Voor de uitrekbewerking van de membranen gebruikt een zelfgemaakte radiale prestretcher, bestaande uit 8 metalen vingers radiaal kan worden verplaatst. Om een membraan overspannen, worden de vingers naar binnen bewogen dat het prestretch drager kan vast aan de vingers van de brancard (figuur 4E). Om het membraan overspannen, worden de vingers naar buiten bewogen, waardoor effectief de diameter van de silicone membraan, waardoor appa-biaxiaal uitrekbewerking van het membraan. De acht vingers zijn verbonden met een ring, waarvan de rotatie bepaalt de radiale scheiding tussen de vingers (figuur 5).

Een doeltreffend en gevestigde processtroom zoals de hier gepresenteerde belangrijkreproduceerbare apparaten die robuust en betrouwbaar zijn te vervaardigen. In vergelijking met het kopen van pre-gemaakte films, het gieten van dunne elastomeer membranen geeft veel ontwerpvrijheid, omdat hiermee het kiezen en afstemmen van de eigenschappen van de membranen aan de toepassing. Bijvoorbeeld in het geval van silicone elastomeren kunnen de hardheid en breukrek worden gekozen door het selecteren van producten met verschillende ketenlengte en de dichtheid van verknoping en de dikte kan worden gevarieerd door aanpassing van het gietproces. Dit laatste laat het bijvoorbeeld uiteindelijke membraandikte en overspannen onafhankelijk kiezen, wat niet mogelijk is met vooraf gemaakte films.

De mogelijkheid om precies patroon van de elektrode op kleine schaal (cm tot sub-mm) is een belangrijke voorwaarde voor deas, zoals de meeste inrichtingen bestaan ​​uit actieve en passieve zones op hetzelfde membraan. Dit impliceert dat de elektrodevorm precies op het membraan te definiëren. Bovendien, als elektroden moeten worden aangebracht aan beide zijdenvan het membraan, is het noodzakelijk de twee elektroden ten opzichte van elkaar uitlijnen: naast een nauwkeurig gedefinieerde vorm, de elektroden moet worden nauwkeurig gepositioneerd op het membraan. Het stempelproces hier gepresenteerde voldoet aan deze twee vereisten. Bovendien tampondruk is een snel proces, omdat slechts enkele seconden nodig zijn om een ​​elektrode te drukken en actuatoren gemakkelijk ladingsgewijs verwerkt met deze methode. In tegenstelling tot de gebruikte koolstof- vet of losse poeder elektroden manueel aangebracht, onze aanpak leidt tot precies gedefinieerde elektroden die een sterke hechting te presenteren aan het membraan waarop zij zijn aangebracht. Ze zijn zeer slijtvast en niet gedelamineerd van het membraan 13. Hoewel tampondruk een contact methode kan worden gebruikt om inkt toe te passen op dunne en kwetsbare silicone membranen, omdat het enige deel in contact komt met het membraan een zacht silicone stempel. Echter, er enige onvermijdelijke stiction tussen de stempel en ee membraan, dat een lichte vervorming van het membraan veroorzaakt wanneer de stempel beweegt weer omhoog. Als het membraan te dun is, kan dit leiden tot het scheuren van het membraan. Dit beperkt de effectieve toepassing van de tampondruk methode membranen dikker dan 10 urn. Voor dunnere membranen moeten contactloze patroonvorming methoden gebruikt, zoals inkjetprinters.

Hoewel Deas zijn onderzocht meer dan 15 jaar, de meeste van Deas van vandaag zijn nog steeds gebaseerd op-en-klare polyacrylaat films in combinatie met de hand aangebrachte vet elektroden. Deze handgemaakte methoden hebben veroorzaakt Deas tot overwegend blijven op de toestand van de lab prototypes, met beperkte goedkeuring door de industrie, ondanks de interessante prestaties van Deas in termen van spanning en stroomverbruik. Hoewel betrouwbare fabricageprocessen zijn reeds gepubliceerd, zij betrekking hebben op de vervaardiging van unprestretched, gestapelde samentrekkende actuators verkregen met gewijd geautomatiseerde opstellingen 21,22. De process stromen presenteren wij hier een veelzijdige all-purpose proces dat alle belangrijke stappen noodzakelijk om een ​​DEA fabriceren beschreven, en die gemakkelijk kan worden aangebracht op een bepaalde gewenste applicatie te passen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was partially funded by the Swiss National Science Foundation, grant 200020-153122. The authors wish to thank the member’s of our soft transducers group – past and present – for their contribution to the refining of our fabrication process flow.

Materials

High quality PET substrate, 125 um 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=50kDa
Automatic film applicator Zehntner ZAA 2300 with vacuum table
Profile rod applicator Zehntner ACC378.022 22.86 um
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 125ml 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 500mmx290mmx3mm 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 100mmx200mm 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 30mm printing pad TecaPrint T-1013 Printing pad for the pad printing machine
60 W CO2 Laser engraving machine Trotec Speedy 300 To cut frames and foils
Carbon conductive tape SPI supplies 05081-AB For electrical connections to the electrodes
4 channels 5 kV EAP controller Biomimetics laboratory low power high voltage source to test the actuators. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

SiliconeDielectric ElastomerActuatorFabricationMembraneSacrificial LayerPETCastingMixingCoatingVacuumApplicatorCrosslinkerViscosityDefect-freeClean Environment

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image