Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en tynn formfaktor. Den fabrikasjon metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark etterfulgt av laserskjæring/sveising av en todimensjonal mønster for å danne aktuatorer og roboter.
Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en ultratynne formfaktor ved hjelp av en varmepresse og en laser kutter maskin. Metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark ved hjelp av en varme trykk i 10 min ved temperaturen på ~ 93 ° c. Deretter er parametrene av laser kutter maskinen optimalisert for å produsere en rektangulær ballong med maksimal burst press. Ved hjelp av de optimaliserte parametrene, er de myke aktuatorer laserskåret/sveiset tre ganger sekvensielt. Deretter er en doserings nål festet til aktuatoren, slik at den kan blåses opp. Effekten av geometriske parametre på utslag av aktuatoren er studert systematisk ved å variere kanalen bredde og lengde. Til slutt er ytelsen til aktuatoren karakterisert ved hjelp av et optisk kamera og en væske dispenser. Konvensjonelle fabrikasjon metoder for myke pneumatiske aktuatorer basert på silikon molding er tidkrevende (flere timer). De kan også resultere i sterke, men store aktuatorer, som begrenser aktuatoren sine applikasjoner. Videre er microfabrication av tynne pneumatiske aktuatorer både tidkrevende og kostbart. Den foreslåtte Produksjonsmetoden i det gjeldende arbeidet løser disse problemene ved å innføre en rask, enkel og kostnadseffektiv produksjonsmetode for ultratynne pneumatiske aktuatorer.
Som et skritt fremover i produksjon av myke pneumatiske aktuatorer, den foreslåtte metoden illustrerer rask fabrikasjon av ultratynne (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer laget av termoplastisk polyuretan (TPU)1. Disse aktuatorer er spesielt nyttige i programmer som krever at robotene skal være lette og/eller passe i små områder. Slike programmer kan seg å være kateter kirurgisk manipulators, bærbare aktuatorer, søk og redning roboter, og flygende eller svømming roboter.
Den konvensjonelle Produksjonsmetoden av tynne myke pneumatiske aktuatorer, som er basert på silikon molding, er tidkrevende (flere timer) og svært utfordrende på grunn av den lave oppløsningen av 3D trykte muggsopp og vanskeligheter i demolding av tynne (mindre enn 0,5 mm) aktuatorer. Spesielt, fabrikasjon av tynne aktuatorer krever anvendelse av spesialiserte verktøy og metoder2.
Microfabrication teknikker kan vedtas for å dikte tynne aktuatorer3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. utviklet tynne pneumatiske aktuatorer ved hjelp av membran mikro-preging8. Disse metodene, men effektive, krever dyre verktøy og er tidkrevende. Dermed har de begrensede applikasjoner.
Paek et al. demonstrert en enkel metode for fremstilling av småskala myke aktuatorer ved hjelp av DIP-belegg av sylindriske maler2. Selv om effektiv, er det to problemer med utbredt anvendelse av denne metoden: for det første er det ikke lett å kontrollere tykkelsen på DIP-belagt funksjoner, og for det andre, er dens anvendelse begrenset til et begrenset antall tredimensjonale (3D) design.
Peano aktuatorer9,10 og veske motorer11,12 har kompakte todimensjonale (2D) design som resulterer i tynne formfaktorer (dvs. store områder med liten tykkelse). Veale et al. rapportert utvikling av lineære Peano aktuatorer laget av armert plast og tekstil-silikon kompositter1,8. Niiyama et al. utviklet posen motorer bruker termoplastisk filmer produsert av varme stempling og varme tegning systemer11,12.
Mens 2D design av Peano aktuatorer og posen motorer gjør dem svært tynne i sin unactuated tilstand, ved inflasjon deres null-volum kammer utvides til et relativt stort volum, og dermed begrense deres anvendelse for drift i begrensede områder som kateter terapier eller søk og redning oppdrag1. I motsetning til disse design, de foreslåtte myke aktuatorer i den aktuelle metoden kan betjene med relativt små stammer. Således, selv i de aktiverte tilstand de opptar relativt små mellomrom1.
De kritiske trinnene i fabrikasjon av de myke aktuatorer inkluderer: i) 2D CAD-designen. En riktig 2D-layout kan diktere deformasjon av aktuatoren (f.eks. lineær, biaksiale, bøying og rotasjonsbevegelse). II) laminering av TPU lag. Den TPU filmer er varme trykkes før laserskjæring for å sikre at lagene er flatt og i conformal kontakt overalt. III) laserskåret/sveis. Som det siste trinnet, er de laminerte TPU lagene laserskåret/sveiset i myke aktuatorer.
Suksessen rate av protokollen kan produsere en 100% yield (for eksempel, har vi gjort 20 aktuatorer samtidig). Den primære faktoren er laminering trinn: for å oppnå de beste resultatene, bør TPU slås sammen så mye som mulig før varme trykk prosessen. Undersøke ulike regioner av varmen trykkplate med en kraftsensor kan vise at trykk fordelingen ikke er ensartet. Ikke-uniform trykkfordeling kan resultere i ufullkommen laminering av TPU ark, som igjen resulterer i ufullkommen laserskjæring/sveising og lekkasje. Alternativt kan ikke-uniform varmeoverføring på grunn av små rynker i TPU-filmen under laserskjæring/sveising forårsake lekkasje.
I forhold til konvensjonelle metoder, har den foreslåtte metoden flere fordeler, inkludert: i) enkel 2D-design. Mens den nåværende metoden krever bare 2D CAD design til laser cut/sveis aktuatorer (ulike mønstre er tilgjengelig1), konvensjonelle fabrikasjon metoder basert på silikon avstøpning krever en 3D mold design. II) rask fabrikasjon. Fabrikasjon tid fra CAD design til laminering av TPU lag og laser skjæring/sveising kan skje i flere minutter, mens den konvensjonelle fabrikasjon metoden vil ta flere timer. Ved å tillate fabrikasjon av myke enheter og myke roboter i et enkelt trinn, uten montering, myke roboter og enheter kan utformes fra en kombinasjon av ulike typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laserskåret/sveiset inn i det endelige produktet i ett enkelt trinn uten å kreve noen montering. For eksempel, en svømming robot, bestående av fire ben hver består av to typer bøying aktuatorer, er fabrikkert fra en 2D CAD design på bare noen få minutter uten å kreve noen montering trinn, som tidligere vist1.
Som en fremtidig retning av dette arbeidet, kan ulike typer termoplastisk materialer bli vedtatt for fabrikasjon av de myke aktuatorer. Generelt, disse materialene må ha elastisk atferd som skal brukes som aktuatorer. Anvendelse av stivere termoplastisk materiale vil resultere i høyere burst-trykk og høyere blokkerings kraft av aktuatorer sammenlignet med de som tidligere var karakterisert i figur s6 av Moghadams et al.1, som viser styrker opp til 0,1 N. Dermed kan det forlenge anvendelsen av aktuatorer til tilfeller der høyere blokkering kraft er nødvendig, for eksempel Exoskeleton suiter.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Dalio Institute of kardiovaskulære Imaging for finansiering dette arbeidet.
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 |