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.
Dette bidrag viser produktionsprocessen af (its) dielektriske elastomer transducere. Its er strækbare kondensatorer består af en elastomer dielektrisk membran klemt inde mellem to kompatible elektroder. De store aktiveringsorganer stammer af disse transducere når de anvendes som aktuatorer (over 300% areal stamme) og deres bløde og eftergivende natur er blevet udnyttet til en lang række applikationer, herunder elektrisk afstemmelige optik, haptiske feedback-enheder, bølge-energi høst, deformerbare celle -Kultur enheder, gribere kompatible og fremdrift af en bio-inspirerede fisk-lignende luftskib. I de fleste tilfælde er its fremstillet med et kommercielt navnebeskyttet acrylelastomer og hånd-anvendte elektroder i carbonpulver eller carbon fedt. Denne kombination fører til ikke-reproducerbare og langsomme aktuatorer udviser viskoelastiske krybe og en kort levetid. Vi præsenterer her en komplet proces flow for reproducerbar fremstilling af its baseret på tynde elastomere siliciume film, herunder støbning af tynde silikone membraner, membran release og forstrækning, mønsterdannende af robust kompatibel elektroder, montage og test. Membranerne støbt på fleksible polyethylenterephthalat (PET) substrater overtrukket med et vandopløseligt offerlag for at lette frigivelse. Elektroderne består af carbon black dispergeret i en silikonematrix og mønstret ved hjælp af en stempling teknik, som fører til præcist definerede kompatible elektroder, der udgør en høj vedhæftning til dielektriske membran, hvorpå de anvendes.
(Its) dielektriske elastomer transducere er bløde enheder, der består af en elastomer dielektrisk membran (typisk 10-100 um tyk), klemt inde mellem to elektroder overensstemmende, hvorved der dannes en gummiagtig kondensator 1. Its kan anvendes som aktuatorer stand til at producere meget store stammer (op til 1.700% overflade stamme er blevet påvist) 2, bløde strain-sensorer 3, eller som bløde kraftværker 4. Når de anvendes som aktuatorer, er en spænding påført mellem de to elektroder. Den genererede elektrostatiske kraft presser den dielektriske membran, reducere dens tykkelse og forøge dens overfladeareal (figur 1) 1. Ud over aktuatorer, kan den samme grundlæggende struktur (tynd elastomer membran og strækbare elektroder) anvendes som stamme sensor eller energi høst enheder, der udnytter ændringen af kapacitansen induceret af mekanisk deformation. De store stammer genereres af dielektriske elastomer enctuators (DEAs) og deres bløde og eftergivende natur har været brugt i mange applikationer, såsom elektrisk afstemmelige linser 5, roterende motorer 6, deformerbare celle-kultur enheder 7 og fremdrift af en bio inspireret fisk-lignende luftskib 8.
De fleste its rapporteret i litteraturen bruger en proprietær acrylelastomer fra 3M VHB film navngivet som dielektrisk elastomermembranen, fordi det er blevet vist at udvise meget store aktiveringsorganer stammer 1. Tilgængeligheden af dette materiale i form af film er også en vigtig faktor i sin brede anvendelse for Det applikationer, selvom (aktivering stamme afsat), det har en række vigtige ulemper, såsom mekaniske tab og viskoelastiske krybe som begrænser sit svar hastighed , en lille driftstemperaturområde, og en tilbøjelighed til at rive. Til sammenligning kan siliconeelastomerer også anvendes som dielektrisk membran til its, der fører til indretninger med en reaktionshastighed 1.000 gange hurtigereend acrylelastomerer, på grund af deres meget reducerede mekaniske tab 9. Desuden, de er tilgængelige i en lang række hårdheder, hvilket giver yderligere designfrihed. Imidlertid er siliconer normalt sælges i en viskøs baseform som skal påføres i tynde membraner-skal anvendes til its. Men dette giver endnu en yderligere frihedsgrad, som tykkelsen af membranen kan vælges frit og er ikke pålagt af producenten, som det er tilfældet for færdiglavede film.
Denne protokol viser fremstillingen af et dielektrisk elastomer aktuator. Det kan imidlertid også anvendes med lidt at ingen ændring til fremstilling af dielektriske elastomer transducere i bredere forstand, herunder energi høst enheder og sensorer strain. Vi præsenterer her en fremgangsmåde til stort område (A4) støbning af tynde (10-100 um) silikonefilm på fleksible substrater PET overtrukket med et vandopløseligt offerlag. Offerlaget reducerer kræfterne reqgendannes for at adskille siliconemembran fra substratet, hvorved den mekaniske deformation af membranen under frigørelse. Deformation af filmen kan føre til anisotrope mekaniske egenskaber på grund af stress-induceret blødgørende (Mullins virkning) 10 og bør derfor undgås. Elektroderne er den anden nøglekomponent i en DET. Deres rolle er at fordele de elektriske ladninger på overfladen af den elastomere membran. For at producere en pålidelig aktuator, skal elektroderne kunne modstå gentagne stammer højere end 20% uden revnedannelse, nedværdigende, delaminering eller miste ledningsevne; desuden skal de være i overensstemmelse med hensyn til ikke mekanisk afstive strukturen 11. Blandt de forskellige teknikker, der findes til at gøre elektroder kompatible, hånd-anvendte carbon black partikler eller carbon fedt er de to mest udbredte metoder 11. Men disse metoder har en hel ulemper: ansøgning i hånden forhindrer miniaturisering af enhedens, fører til ikke-reproducerbare resultater og er tidskrævende. Hertil kommer, at carbon pulver eller fedt ikke holde sig til membranen og elektroder fremstillet ved denne metode er udsat for slid og mekanisk slid. Også i tilfælde af fedt, kan bindingen fluid diffunderer ind i dielektriske membran og ændre dens mekaniske egenskaber. Levetiden for un-indkapslet carbon pulver eller fedt elektroder er derfor ganske kort. Her præsenterer vi mønster af elektroder kompatible med en stempling teknik ved navn tampontryk, hvor et præcist design overføres til membranen via en blød silikone stempel, hvilket giver mulighed for at hurtigt og reproducerbart mønster præcise elektroder, med funktioner ned til 0,5 mm. Den anvendte opløsning består af en blanding af carbon black i en silikonematrix, som er tværbundet efter anvendelse, hvilket fører til hærdede elektroder med kraftig binding med den elastomere membran, hvilket gør dem meget modstandsdygtige og modstandsdygtig over for mekanisk slid og slid.
Følgende protokol beskriver alle de nødvendige skridt til at fremstille hurtige og pålidelige DEAs med præcist mønstrede kompatible elektroder. Dette omfatter membran støbning og forstrækning, mønster og tilpasning af elektroder, montage, elektrisk tilslutning og test. Med henblik på videoen, vi fabrikere en simpel i planet aktuator med et gear elektrode, som vist i figur 2. Aktuatoren består af et tyndt siliconemembran strækkes over en holder membran, på hvilken to overensstemmende elektroder er mønstret. En aktuator ramme indsættes derefter for at tilvejebringe elektrisk kontakt til bundelektroden. Figur 3 viser et eksploderet billede af konstruktionen med de forskellige komponenter i aktuatoren. Selvom indretning tilvejebragt i videoen har nogen praktisk anvendelse ud over at demonstrere det grundlæggende princip for DEAs, har forskellige aktuatorer rettet mod specifikke anvendelser er foretaget ved hjælp af nøjagtig samme proces, såsomsom bløde gribere, afstemmelige linser, afstemmelige mm-bølge faseforskydere osv
Fabrikationsprocessen kan sammenfattes som følger. Starte med at påføre et vandopløseligt offerlag på PET-substrat, der anvendes til støbning af membranen. Derved undgår overdreven deformation under frigivelse proces, der potentielt kan beskadige membranen. Siliconen derefter støbt i et tyndt lag og hærdes i en ovn. A4 PET-folie med silikone belægning skæres i cirkulære skiver med en diameter på 55 mm og fastgjort til fleksible forstræk understøtninger. De forstræk bærere anvendes til manipulering med membranen under offerlaget frigivelse og forstrækning trin. At adskille membranen fra PET substrat, er det dyppet i varmt vand for at opløse offerlaget. Denne proces giver membranen at blive befriet uden at trække det i væsentlig grad. Når membranen er fritstående, kan det strakt. Forstrækning består i mekanisk strække membranen i-planet før fastsættelse det på at holde rammer. Dette trin genererer iEKSTERNE trækkræfter i membranen og er nødvendig for i planet dielektriske elastomer aktuatorer, såsom demonstrant bliver produceret her. I den protokol, vi bruger equi-biaksial stretching, dvs en lige strække værdi i både i-plane retninger. Men afhængigt af anvendelsen, forskellige forstrækning konfigurationer kan anvendes, såsom enaksede (strækker sig kun langs x eller y, medens membranen tillades at slappe af i den anden retning), eller anisotrope (forskellige værdier langs x og y).
En teknik, der kaldes tampontryk anvendes til præcist mønster en kompatibel elektrode på forstrakte siliconemembran, som gør det muligt for præcist at fastsætte mm-størrelse elektroder på membranen. I denne proces, trykfarve påføres med en læge klinge på en kliché (en stålplade, hvor designet, der skal trykkes er ætset, og efterfølgende samlet op fra kliché af en glat silikone stempel, inden de overføres til membranen 13). Nogensindey design kræver sin egen kliché. Disse kan bestilles fra specialiserede virksomheder, som producerer dem fra en elektronisk tegning af geometri. For at gøre en strækbar ledende elektrode, dispergere carbon black i en silikone matrix ved forskydningskræfter under anvendelse kugleformaling, som er en velkendt teknik til at bryde byområder af carbon black og homogent dispergere pulveret i en polymer matrix 18,19.
Ved udskrivning, er det vigtigt, at designet er trykt med en præcis positionering og orientering i forhold til membranen rammen. For at gøre dette, skal du bruge en præcision xy-θ scenen og en aligner. Den aligner er et stykke PMMA i samme form som membranen ramme og har elektrodekonstruktion ætset på dens overflade ved hjælp af en CNC laser gravør. Før du udskriver på membranen, vi udskrive på tilpasningen pladen for at kontrollere justeringen. Hvis det udskrevne design ikke matcher ætset design tilpasser vi xy-θ etape indtil to designs overlap (Figur 4H). I protokollen, toppen og bunden elektrode har samme design, så puden trykmaskine kan urørt mellem ansøgningerne fra de to elektroder. Men i nogle tilfælde, elektroderne geometrier er forskellige for de øverste og nederste elektrode. I dette tilfælde, medens membranerne er i ovnen til hærdning af den øverste elektrode (dvs. mellem trin 3.4.3 og 3.4.4), er det nødvendigt at fjerne klicheen blok (samlingen bestående af klicheen holdes på plads på en magnetisk blok) med blækhus fra puden trykmaskine. Derefter skal den installerede kliché veksles til den med den nederste elektrode design. Fordi kliché blokken er blevet flyttet, er det nødvendigt at foretage en ny opretning (trin 3.3) ved hjælp af en plade aligner ætset med udformningen af den anden elektrode. Når begge elektroder anvendes, skal de tilsluttes en ekstern kørsel kredsløb, der forsyner de afgifter feller aktivering. Der er forskellige løsninger for at gøre de elektriske forbindelser mellem de kompatible elektroder og de drivende elektronik. Her er en fremgangsmåde velegnet til prototyping vist, ved hjælp af klæbende mistbænke og ledende tape (figur 3). Til serieproduktion, anvendelse af printplader med kobber puder kontakte elektroderne er et bedre alternativ (se figur 10A for et eksempel på en indretning fremstillet med en kommerciel PCB).
Brug kommercielt udstyr eller produkter for de fleste trin i procesforløbet. De to undtagelser er måling af tykkelsen af silikonemembraner og forstrækning trin. Til måling af tykkelsen, bruge en hjemmelavet hvidt lystransmission interferometer bestående af en kollimeret hvidlyskilde (pletstørrelse <1 mm) gennemsejle membranen og opsamles ved et spektrometer. Perioden for interferens udkanten af den transmitterede lysintensitet som en function af bølgelængde bruges til at beregne tykkelsen af membranen 20. Bemærk, at andre metoder kan anvendes til at måle tykkelsen, men de skal være ikke-destruktiv, og ideelt kontaktløse at undgå deformering af meget tynde membran. For forstrækning af membranerne, anvende en hjemmelavet radial prestretcher, som består af 8 metalliske fingre, der kan forskydes radialt. At forstræk en membran, er fingrene bevæges indad, således at forstræk støtte kan blive hængende til fingrene på båren (Figur 4E). At forstræk membranen, er fingrene bevæges udad, og således effektivt at forøge diameteren af siliconemembran, hvilket fører til equi-biaksial forstrækning af membranen. De otte fingre er forbundet til en ring, hvis rotation definerer radiale adskillelse af fingrene (figur 5).
Have et effektivt og veletableret procesflow som den præsenteres her er vigtigttil at fremstille reproducerbare enheder, der er robust og pålidelig. Forhold til at købe pre-made film, støbning tynde elastomermembraner giver meget designfrihed, da det giver mulighed vælge og skræddersy egenskaber membranerne til stævningen. For eksempel i tilfælde af siliconeelastomerer, kan hårdheden og brudforlængelse vælges ved at vælge produkter med forskellig kædelængde og tæthed af tværbinding, og tykkelsen kan varieres ved at justere støbeprocessen. Sidstnævnte punkt kan man for eksempel at vælge membrantykkelse og forstræk endelige uafhængigt, hvilket ikke er muligt med pre-made film.
Evnen til præcist mønster elektroden på en lille skala (cm til sub-mm) er også en vigtig forudsætning for DEAs, da de fleste enheder består af aktive og passive zoner på samme membran. Dette indebærer, at elektroden form skal defineres præcist på membranen. Hertil kommer, som elektroderne skal anvendes på begge sideraf membranen, er det nødvendigt at tilpasse de to elektroder i forhold til hinanden: foruden en præcist defineret form, elektroderne skal også positioneres præcist på membranen. Stanseprocessen præsenteres her opfylder disse to krav. Desuden tampontryk er en hurtig proces, som kun få sekunder er nødvendige for at udskrive en elektrode og aktuatorer kan let være batch-behandlet ved hjælp af denne metode. I modsætning til den udbredte carbon fedt eller løst pulver elektroder påføres manuelt, fører vores fremgangsmåde til præcist definerede elektroder, der udgør en stærk vedhæftning til membranen, hvor de anvendes. De er meget modstandsdygtige over for slid, og kan ikke delamineres fra membranen 13. På trods af at tampontryk er en kontaktmetode, kan den anvendes til at påføre blæk på tynde og skrøbelige silikonemembraner, fordi den eneste del, der kommer i kontakt med membranen er en blød silikone stempel. Men der er nogle uundgåelige stiction mellem stempel og the membran, som medfører en mindre deformation af membranen, når stemplet bevæger sig tilbage opad. Hvis membranen er for tyndt, kan det føre til brud af membranen. Dette begrænser effektivt anvendelsen af puden trykmetode til membraner tykkere end 10 um. For tyndere membraner, bør anvendes berøringsfri mønsterruller metoder, såsom inkjet-udskrivning.
Selvom DEAs er blevet undersøgt i mere end 15 år, er de fleste af nutidens DEAs stadig baseret på færdige polyacrylat film kombineret med hånd-påført fedt elektroder. Disse håndlavede metoder har forårsaget DEAs at forblive meste på tilstanden af lab prototyper, med begrænset vedtagelse af industrien, på trods af den interessante præstationer DEAs i form af belastning og strømforbrug. Selvom pålidelige fremstillingsprocesser allerede er blevet offentliggjort, de vedrører fremstilling af unprestretched, stablede kontraktile aktuatorer opnået med dedikerede automatiserede opsætninger 21,22. PRocess flow vi præsenterer her er en alsidig all-purpose proces, der beskriver alle de vigtige skridt, der er nødvendige for at fabrikere en DEA, og som let kan anvendes til at passe en defineret målgruppe ansøgning.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |