Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en tynd formfaktor. Den fabrikationsmetode starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark efterfulgt af laserskæring/svejsning af et todimensionalt mønster til at danne aktuatorer og robotter.
Denne protokol beskriver en metode til hurtig fremstilling af bløde pneumatiske aktuatorer og robotter med en ultratynd formfaktor ved hjælp af en varme presse og en laser cutter maskine. Metoden starter med laminering af termoplastisk polyurethan (TPU) ark ved hjælp af en varme presse for 10 min ved temperaturen på ~ 93 °C. Dernæst er parametrene for laser cutter maskinen optimeret til at producere en rektangulær ballon med maksimal burst tryk. Ved hjælp af de optimerede parametre, er de bløde aktuatorer laserskåret/svejset tre gange sekventielt. Dernæst er en dispenserings kanyle fastgjort til aktuatoren, så den kan oppustet. Effekten af geometriske parametre på aktuatorens deformation er systematisk undersøgt ved at variere kanalens bredde og længde. Endelig er aktuatorens ydeevne karakteriseret ved hjælp af et optisk kamera og en væske dispenser. Konventionelle fabrikationsmetoder af bløde pneumatiske aktuatorer baseret på silikone støbning er tidskrævende (flere timer). De resulterer også i stærke, men voluminøse aktuatorer, som begrænser aktuatorens applikationer. Desuden er mikrofabrikation af tynde pneumatiske aktuatorer både tidskrævende og dyrt. Den foreslåede fremstillingsmetode i det nuværende arbejde løser disse problemer ved at indføre en hurtig, enkel og omkostningseffektiv fabrikationsmetode for ultratynde pneumatiske aktuatorer.
Som et skridt fremad i fremstillingen af bløde pneumatiske aktuatorer illustrerer den foreslåede metode hurtig fabrikation af ultratynde (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer fremstillet af termoplastisk polyurethan (TPU)1. Disse aktuatorer er særligt nyttige i applikationer, der kræver, at robotterne er lette og/eller passer i små rum. Sådanne applikationer kan forestillede sig at være Trans kirurgiske manipulatorer, wearable aktuatorer, eftersøgnings-og rednings robotter, og flyvende eller svømning robotter.
Den konventionelle fremstillingsmetode for tynde bløde pneumatiske aktuatorer, som er baseret på silikone støbning, er tidskrævende (flere timer) og meget udfordrende på grund af den lave opløsning af 3D trykte forme og vanskeligheder i demolding af tynde (mindre end 0,5 mm) aktuatorer. Især kræver fabrikation af tynde aktuatorer anvendelse af specialiserede værktøjer og metoder2.
Mikrofabrikations teknikker kan vedtages for at fabrikere tynde aktuatorer3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. udviklet tynde pneumatiske aktuatorer ved hjælp af membran mikro-prægning8. Disse metoder, selv om de er effektive, kræver dyre værktøjer og er tidskrævende. Således har de begrænsede ansøgninger.
Paek et al. demonstrerede en enkel metode til fremstilling af små bløde aktuatorer ved hjælp af DIP-coating af cylindriske skabeloner2. Selv om effektiv, der er to spørgsmål med udbredt anvendelse af denne metode: for det første er det ikke let at kontrollere tykkelsen af de dip-belagte funktioner, og for det andet, dens anvendelse er begrænset til et begrænset antal tredimensionale (3D) designs.
Peano aktuatorer9,10 og pose motorer11,12 har kompakte to-dimensionelle (2D) designs, der resulterer i tynde formfaktorer (dvs. store områder med lille tykkelse). Veale et al. rapporteret udvikling af lineære peano aktuatorer fremstillet af forstærket plast og tekstil-silikonekompositter1,8. Niiyama et al. udviklet pose motorer ved hjælp af termoplastiske film fremstillet af varme stempling og varme tegning systemer11,12.
Mens 2D design af peano aktuatorer og pose motorer gør dem meget tynde i deres ikke-aktiverede tilstand, ved inflation deres Zero-Volume kammer udvider til et relativt stort volumen, hvilket begrænser deres anvendelse til drift i begrænsede rum såsom Trans terapier eller eftersøgnings-og redningsmissioner1. I modsætning til disse designs kan de foreslåede bløde aktuatorer i den nuværende metode aktiveres med relativt små belastninger. Således, selv i den aktuerede tilstand de indtager relativt små rum1.
De kritiske trin i fremstillingen af de bløde aktuatorer omfatter: i) 2D CAD-designet. En korrekt 2D layout kan diktere deformation af aktuatoren (f. eks lineær, biaksial, bøjning, og roterende bevægelse). II) laminering af TPU-lagene. TPU-filmene er varme presset før laserskæring for at sikre, at lagene er flade og i konformal kontakt overalt. III) laser skæring/svejsning. Som det sidste trin, de laminerede TPU lag er laserskåret/svejset i bløde aktuatorer.
Succesraten for protokollen kan producere en 100% afkast (for eksempel har vi gjort 20 aktuatorer samtidigt). Den primære faktor er laminering trin: for at opnå de bedste resultater, TPU skal flades så meget som muligt før varmepressen proces. Undersøge forskellige områder af varmen trykplade med en kraft sensor kan vise, at trykfordelingen ikke er ensartet. Ikke-ensartet trykfordeling kan resultere i ufuldstændig laminering af TPU-arkene, hvilket igen resulterer i ufuldstændig laserskæring/svejsning og lækage. Alternativt kan ikke-ensartet varmeoverførsel på grund af små rynker i TPU-filmen under laserskæring/svejsning forårsage lækage.
I forhold til de konventionelle metoder, den foreslåede metode har flere fordele, herunder: i) simple 2D design. Mens den nuværende metode kræver kun 2D CAD designs til laser cut/Weld Aktuatorerne (forskellige mønstre er tilgængelige1), de konventionelle fabrikationsmetoder baseret på silikone støbning kræver en 3D skimmel design. II) hurtig fabrikation. Fabrikation tid fra CAD design til laminering af TPU lag og laserskæring/svejsning kan ske i flere minutter, mens den konventionelle fabrikation metode vil tage flere timer. Ved at tillade fremstilling af bløde enheder og bløde robotter i et enkelt trin, uden montage, kan bløde robotter og enheder designes fra en kombination af forskellige typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laser skæres/svejses i det endelige produkt i et enkelt trin uden at kræve nogen samling. For eksempel, en svømning robot, består af fire ben hver består af to typer af bøjning aktuatorer, er fremstillet af et 2D CAD-design på blot et par minutter uden at kræve nogen montagetrin, som tidligere demonstreret1.
Som en fremtidig retning af dette arbejde, kan forskellige typer af termoplastiske materialer vedtages til fremstilling af bløde aktuatorer. Generelt, disse materialer skal have elastisk adfærd, der skal anvendes som aktuatorer. Anvendelse af stivere termoplastisk materiale vil resultere i højere burst tryk og højere blokerende kraft af Aktuatorerne sammenlignet med dem, der tidligere er karakteriseret i figur S6 af Moghadam et al.1, viser styrker op til 0,1 N. Således kan det udvide anvendelsen af Aktuatorerne til tilfælde, hvor højere blokerende kraft er påkrævet, såsom Exoskelet suiter.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Dalio Institute of kardiovaskulær Imaging til finansiering af dette arbejde.
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 |