Schnelle Fertigung von dünnen Soft Pneumatikantrieben und Robotern
Summary
Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur schnellen Herstellung von weichen pneumatischen Aktuatoren und Robotern mit einem dünnen Formfaktor. Die Herstellungsmethode beginnt mit der Laminierung von thermoplastischen Polyurethanplatten (TPU), gefolgt vom Laserschneiden/Schweißen eines zweidimensionalen Musters zu Aktoren und Robotern.
Abstract
Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur schnellen Herstellung von weichen pneumatischen Aktuatoren und Robotern mit einem ultradünnen Formfaktor mit einer Wärmepresse und einer Laserschneidermaschine. Das Verfahren beginnt mit der Laminierung von thermoplastischen Polyurethanplatten (TPU) mit einer Wärmepresse für 10 min bei einer Temperatur von 93 °C. Als nächstes werden die Parameter der Laserschneidermaschine optimiert, um einen rechteckigen Ballon mit maximalem Berstdruck zu erzeugen. Mit den optimierten Parametern werden die Weichenaktuatoren dreimal nacheinander lasergeschnitten/geschweißt. Als nächstes wird eine Dosiernadel am Aktuator befestigt, so dass sie aufgeblasen werden kann. Die Wirkung geometrischer Parameter auf die Durchbiegung des Aktuators wird systematisch untersucht, indem die Kanalbreite und -länge variiert werden. Schließlich wird die Leistung des Aktuators durch eine optische Kamera und einen Flüssigkeitsspender charakterisiert. Herkömmliche Herstellungsverfahren von weichen pneumatischen Aktuatoren auf Basis von Silikonformungen sind zeitaufwändig (mehrere Stunden). Sie führen auch zu starken, aber sperrigen Aktuatoren, was die Anwendungen des Aktuators einschränkt. Darüber hinaus ist die Mikrofertigung von dünnen pneumatischen Aktuatoren zeitaufwändig und teuer. Die vorgeschlagene Herstellungsmethode in der aktuellen Arbeit löst diese Probleme durch die Einführung einer schnellen, einfachen und kostengünstigen Herstellungsmethode für ultradünne pneumatische Aktuatoren.
Introduction
Als Einen Schritt nach vorn bei der Herstellung von weichen pneumatischen Aktuatoren veranschaulicht die vorgeschlagene Methode die schnelle Herstellung von ultradünnen pneumatischen Aktuatoren aus thermoplastischem Polyurethan (TPU)1. Diese Aktuatoren sind besonders nützlich in Anwendungen, bei denen die Roboter leicht und/oder auf kleinem Raum passen müssen. Solche Anwendungen können als Transkatheter-Chirurgiemanipulatoren, tragbare Aktuatoren, Such- und Rettungsroboter sowie Flug- oder Schwimmroboter gedacht werden.
Das herkömmliche Herstellungsverfahren von dünnen, weichen pneumatischen Aktuatoren, das auf Silikonformung basiert, ist zeitaufwändig (mehrere Stunden) und aufgrund der geringen Auflösung der 3D-gedruckten Formen und Schwierigkeiten beim Entformen von dünnen (weniger als 0,5 mm) Aktuatoren sehr anspruchsvoll. Insbesondere erfordert die Herstellung von dünnen Aktuatoren die Anwendung von spezialisierten Werkzeugen und Methoden2.
Mikrofabrikationstechniken können zur Herstellung von dünnen Aktuatoren3,4,5,6,7. Alternativ haben Ikeuchi et al. dünne pneumatische Aktuatoren mit Membranmikroprägung8entwickelt. Diese Methoden sind zwar effektiv, erfordern jedoch teure Werkzeuge und sind zeitaufwändig. Daher haben sie begrenzte Anwendungen.
Paek et al. demonstrierten eine einfache Methode zur Herstellung von kleinen weichen Aktuatoren mit Dip-Beschichtung von zylindrischen Schablonen2. Obwohl wirksam, gibt es zwei Probleme mit der weit verbreiteten Anwendung dieser Methode: Erstens ist es nicht einfach, die Dicke der dip-beschichteten Merkmale zu kontrollieren, und zweitens ist seine Anwendung auf eine begrenzte Anzahl von dreidimensionalen (3D) Designs beschränkt.
Peano-Aktoren9,10 und Beutelmotoren11,12 haben kompakte zweidimensionale (2D) Designs, die zu dünnen Formfaktoren führen (d.h. große Flächen mit geringer Dicke). Veale et al. berichteten Entwicklung von linearen Peano-Aktuatoren aus verstärkten Kunststoff- und Textilsilikon-Verbundwerkstoffen1,8. Niiyama et al. entwickelten Beutelmotoren mit thermoplastischen Folien, hergestellt durch Wärmeprägungs- und Wärmebildsysteme11,12.
Während das 2D-Design von Peano-Aktuatoren und Beutelmotoren sie in ihrem unbetätigten Zustand sehr dünn macht, dehnt sich ihre Nullvolumenkammer bei inflationsbedingt auf ein relativ großes Volumen aus und beschränkt so ihre Anwendung für den Betrieb in begrenzten Räumen wie Transkathetertherapien oder Such- und Rettungsmissionen1. Im Gegensatz zu diesen Ausführungen können die vorgeschlagenen Weichenaktuatoren in der aktuellen Methode mit relativ kleinen Stämmen betätigt werden. So besetzen sie selbst im betätigten Zustand relativ kleine Räume1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zu den entscheidenden Schritten bei der Fertigung der Soft-Aktoren gehören: i) Das 2D-CAD-Design. Ein richtiges 2D-Layout kann die Verformung des Aktuators bestimmen (z. B. lineare, biaxiale, Biege- und Rotationsbewegungen). ii) Laminierung der TPU-Schichten. Die TPU-Folien werden vor dem Laserschneiden wärmegepresst, um sicherzustellen, dass die Schichten überall flach und in konformem Kontakt sind. iii) Laserschnitt/Schweißen. Als letzten Schritt werden die laminierten TPU-Schichten lasergeschnitten/geschweißt zu weichen Aktuatoren.
Die Erfolgsrate des Protokolls kann eine 100%ige Ausbeute erzeugen (z.B. haben wir 20 Aktoren gleichzeitig hergestellt). Der primäre Faktor ist der Laminierschritt: Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sollte die TPU so weit wie möglich vor dem Wärmepressvorgang abgeflacht werden. Die Untersuchung verschiedener Bereiche der Wärmepressplatte mit einem Kraftsensor kann zeigen, dass die Druckverteilung nicht gleichmäßig ist. Eine ungleichmäßige Druckverteilung kann zu einer unvollkommenen Laminierung der TPU-Platten führen, was wiederum zu unvollkommenem Laserschneiden/Schweißen und Leckagen führt. Alternativ kann eine ungleichmäßige Wärmeübertragung durch kleine Falten im TPU-Film beim Laserschneiden/Schweißen zu Leckagen führen.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden hat die vorgeschlagene Methode mehrere Vorteile, darunter: i) Einfaches 2D-Design. Während die aktuelle Methode nur 2D-CAD-Designs zum Laserschneiden/Schweißen der Aktuatoren erfordert (verschiedene Muster sind verfügbar1), erfordern die herkömmlichen Fertigungsverfahren auf Basis von Silikonguss ein 3D-Formendesign. ii) Schnelle Fertigung. Fertigungszeit vom CAD-Design bis zum Laminieren von TPU-Schichten und Laserschneiden/Schweißen kann in einigen Minuten erfolgen, während die herkömmliche Fertigungsmethode mehrere Stunden in Anspruch nehmen wird. Durch die Herstellung von weichen Geräten und weichen Robotern in einem einzigen Schritt, ohne Montage, können weiche Roboter und Geräte aus einer Kombination verschiedener Aktorentypen entworfen werden, und das CAD-Modell kann in einem einzigen Schritt lasergeschnitten/geschweißt werden, ohne dass eine Montage erforderlich ist. So wird beispielsweise ein Schwimmroboter, bestehend aus vier Beinen, die aus zwei Arten von Biegeantrieben bestehen, in wenigen Minuten aus einem 2D-CAD-Design hergestellt, ohne dass Montageschritte erforderlich sind, wie zuvor gezeigt1.
Als zukünftige Richtung dieser Arbeit können verschiedene Arten von thermoplastischen Materialien für die Herstellung der weichen Aktuatoren übernommen werden. Im Allgemeinen müssen diese Materialien ein elastisches Verhalten aufweisen, um als Aktoren verwendet zu werden. Die Anwendung von steiferem thermoplastischem Material führt zu einem höheren Berstdruck und einer höheren Blockierkraft der Aktoren im Vergleich zu denen, die zuvor in Abbildung S6 von Moghadam et al.1gekennzeichnet waren, und zeigt Kräfte bis 0,1 N. So kann die Anwendung der Aktuatoren auf Fälle ausgedehnt werden, in denen eine höhere Blockierkraft erforderlich ist, wie z. B. Exoskelett-Suiten.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem Dalio Institute of Cardiovascular Imaging für die Finanzierung dieser Arbeit.
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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