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 bidraget viser fremstillingsprosessen dielektriske elastomer transdusere (DETS). DETS er strekkbare kondensatorer som består av et elastomert dielektrisk membran klemt mellom to kompatible elektroder. De store aktiverings stammer av disse svingere når det brukes som aktuatorer (over 300% område belastning) og deres myke og kompatibel naturen har blitt utnyttet for et bredt spekter av bruksområder, inkludert elektrisk tunbare optikk, haptiske tilbakemeldinger enheter, bølgeenergihøsting, deformerbar celle -Kultur enheter, kompatible gripere og fremdrift av en bio-inspirerte fiskelignende luftskip. I de fleste tilfeller er DETS utført med en kommersiell proprietær akryl elastomer og med hånd-påført elektroder av karbonpulver eller karbon fett. Denne kombinasjonen fører til ikke-reproduserbare og langsomme aktuatorer utstilling viskoelastisk krype og en kort levetid. Vi presenterer her en komplett prosessflyt for reproduserbar fabrikasjon av DETS basert på tynn elastomer silisiume filmer, inkludert støping av tynne silikon membraner, membran utslipp og prestretching, mønstrings av robust kompatibel elektroder, montering og testing. Membranene er støpt på fleksibel polyetylentereftalat (PET) substrater belagt med en vannløselig offerlaget for å lette frigivelse. Elektrodene består av carbon black-partikler dispergert i en matrise silikon og mønstret ved hjelp av en stemplings teknikk, noe som fører til nøyaktig definert kompatible elektroder som presenterer en høy adhesjon til det dielektriske membran på hvilke de er brukt.
Dielektriske elastomere transdusere (DETS) er myke enheter som består av en elastomer dielektrisk membran (typisk 10-100 um tykk), klemt mellom to kompatible elektroder, for således å danne en gummiaktig en kondensator. DETS kan brukes som aktivatorer som er i stand til å produsere meget store påkjenninger (opp til 1700% overflate-stamme er blitt demonstrert) 2, myke belastningssensorer 3, eller som myke strømgeneratorer 4. Når den brukes som aktuatorer, blir en spenning påtrykkes mellom de to elektroder. Den genererte elektrostatisk kraft presser den dielektriske membranen, redusere dens tykkelse og øke dens overflateareal (figur 1) 1. I tillegg til aktuatorer, kan de samme grunnleggende struktur (tynn elastomer membran og strekkbare elektroder) anvendes som belastning sensor eller energihøsting anordninger, drar nytte av den endring av kapasitans indusert av mekanisk deformasjon. De store stammer generert av dielektriske elastomer enctuators (Deas) og deres myke og kompatibel naturen har vært brukt i mange programmer, for eksempel elektrisk tunbare linser 5, roterende motorer 6, deformerbare celle-kultur enheter 7, og fremdrift av en bio inspirert fiskelignende luftskip 8.
De fleste DETS rapportert i litteraturen bruker en proprietær akryl elastomer film fra 3M heter VHB som dielektriske elastomer membran, fordi det har blitt vist til å stille svært store aktiverings stammer 1. Tilgjengeligheten av dette materialet i filmform er også en viktig faktor i sitt store bruk for DET applikasjoner, selv om (aktivering belastning satt til side), den har en rekke viktige ulemper, som for eksempel mekaniske tap og viskoelastisk kryp som begrenser sin respons hastighet , et lite temperaturområde, og en tilbøyelighet til å rive. Til sammenligning, kan silikonelastomerer også brukes som dielektrisk membran for DETS, som fører til enheter med en reaksjonshastighet 1000 ganger raskereenn akryl elastomerer, på grunn av deres mye reduserte mekaniske tap 9. I tillegg er de tilgjengelig i et stort utvalg av hardheter, noe som gir ekstra designfrihet. Imidlertid er silikoner som regel selges i en viskøs baseform, som må påføres i tynne-membraner til bruk for DETS. Imidlertid gir dette likevel en ekstra frihetsgrad, som tykkelsen av membranen kan velges fritt og er ikke pålagt av produsenten, slik tilfellet er for forhåndslagde filmer.
Denne protokollen viser fremstillingen av et dielektrisk elastomer aktuator. Imidlertid kan den også anvendes med liten eller ingen modifikasjon for fremstilling av dielektriske elastomer transdusere i større betydning, inkludert energihøsting anordninger og belastningssensorer. Vi presenterer her en metode for stort område (A4) støping av tynne (10-100 um) silikonfilmer på fleksible substrater PET belagt med et vannoppløselig offerlag. Offerlaget reduserer kreftene required å skille silikon membranen fra substratet, og dermed redusere den mekaniske deformasjonen av membranen under frigivelse. Deformasjon av filmen kan føre til anisotropiske mekaniske egenskaper på grunn av stress-fremkalt mykgjørende (Mullins effekt) 10 og bør derfor unngås. Elektrodene er de andre nøkkelkomponent i en DET. Deres rolle er å fordele de elektriske ladninger på overflaten av den elastomere membran. For å produsere en pålitelig aktuator, må elektrodene være i stand til å tåle gjentatte belastninger som er høyere enn 20% uten å sprekke, degraderende, delaminering, eller miste ledningsevne; Videre må de være kompatible som å ikke mekanisk stive strukturen 11. Blant de forskjellige teknikker som finnes for å gjøre kompatible elektroder, hånd-anvendt sot partikler eller karbon fett er de to mest brukte metodene 11. Men disse metodene har ganske mange ulemper: applikasjon for hånd hindrer miniatyrisering av enhets, som fører til ikke-reproduserbare resultater og er tidkrevende. I tillegg vil karbonpulver eller fett ikke holder seg til membran og elektroder fremstilt ved denne fremgangsmåten er gjenstand for slitasje og mekanisk slitasje. Også i tilfelle av fett, kan bindingen fluid diffundere inn i det dielektriske membranen og modifisere dets mekaniske egenskaper. Levetiden til un-innkapslet karbonpulver eller fett elektroder er derfor ganske kort. Her presenterer vi mønstringen av kompatible elektroder med en stemplings teknikk heter tampongtrykk hvor en nøyaktig utforming blir overført til membranen via en myk silikon stempel, og dermed gir raskt og reproduserbart mønster presise elektroder, med funksjoner ned til 0,5 mm. Den påførte oppløsning består av en blanding av carbon black i en silikon matrise, som er tverrbundet etter påføring, og dermed fører til herdede elektroder med sterk adhesjon til den elastomere membran, noe som gjør dem meget robust og motstandsdyktig mot mekanisk abrasjon og slitasje.
Følgende protokoll beskriver alle trinnene som kreves for å produsere raske og pålitelige Deas med nettopp mønstrede kompatible elektroder. Dette omfatter membranen støping og prestretching, mønstring og innretting av elektrodene, montering, elektrisk kobling og testing. For formålet med videoen, fremstille vi et enkelt i-planet aktuator med en tannhjulsformet elektrode, som vist i figur 2. Aktuatoren består av en tynn silikonmembran strukket over en membranholder, på hvilken to kompatible elektroder mønstret. En aktuator ramme blir så innsatt for å tilveiebringe elektrisk kontakt med bunnelektroden. Figur 3 viser et utspilt riss av anordningen med de forskjellige komponentene av aktuatoren. Selv om anordningen realiseres i videoen har ingen praktisk anvendelse utenfor viser det grunnleggende prinsipp for deas, har forskjellige aktuatorer rettet mot spesifikke anvendelser blitt gjort med nøyaktig samme prosess, sliksom myke gripelister, tunbare linser, tunbare mm-bølge faseforskyvere, etc.
Fremstillingsprosessen kan oppsummeres som følger. Begynne med å påføre en vannløselig offerlag på PET-substrat som brukes for støping av membranen. Dette unngår overdreven deformasjon i løpet av frigjøringsprosessen som potensielt kan skade membranen. Silikon blir deretter støpt i et tynt lag og herdet i en ovn. A4 PET-ark med silikon belegg er skåret i sirkulære plater med mm diameter 55, og stakk til fleksible forstrekk støtter. De forstrekk støtter brukes til å manipulere membranen under offer lag utslipp og prestretching trinn. For å separere membranen fra PET substrat, er det dyppet i varmt vann for å oppløse offerlaget. Denne prosessen gjør det mulig for membranen å bli frigjort uten å trekke i den i betydelig grad. Når membranen er frittstående, kan den bli strukket på forhånd. Prestretching består i mekanisk strekk membranen i planet før å fikse det på å holde rammene. Dette trinnet genererer iintern strekkrefter i membranen og som er nødvendig for i-planet dielektriske elastomer aktuatorer, som for eksempel demonstrasjons blir produsert her. I protokollen, bruker vi equi-akset stretching, dvs. en lik strekk verdi i både i-planet retninger. Imidlertid, avhengig av anvendelsen, prestretching forskjellige konfigurasjoner kan anvendes, slik som uniaksial (som strekker seg bare langs x og y, mens membranen tillates å slappe av i den andre retning), eller anisotrope (forskjellige verdier langs x og y).
En teknikk som kalles tampongtrykk brukes til nøyaktig mønster en ettergivende forspent elektrode på den silikonmembranen, noe som gjør det mulig å presisere mm size-elektroder på membranen. I denne prosess blir blekk påføres med en sjaber på en klisjé (en stålplate på hvilken utforming som skal trykkes er etset, og deretter plukket opp fra klisjeen av en glatt silikon stempel før de ble overført til membranen 13). Noen gangy design krever sin egen klisjé. Disse kan bestilles fra spesialiserte selskaper som produserer dem fra en elektronisk tegning av geometri. For å gjøre en elastisk ledende elektrode, disperse carbon black i en silikon matriks ved skjærkrefter ved hjelp av kulemaling, som er en velkjent teknikk for å bryte agglomereringer av carbon black og homogent dispergere pulveret i en polymermatriks 18,19.
Ved utskrift, er det viktig at konstruksjonen er trykt med en nøyaktig posisjonering og orientering i forhold til membranen rammen. For å gjøre dette, kan du bruke en presisjon xy-θ scenen og en aligner. Den aligner er en del av PMMA i samme form som membranen rammen og har elektroden utformingen etset på sin overflate ved hjelp av en CNC laser engraver. Før du skriver ut på membranen vi ut på justeringsplaten for å sjekke justeringen. Hvis trykt design samsvarer ikke med etset motiv vi justere xy-θ scenen inntil to design overlap (figur 4H). I protokollen, den øverste og nederste elektrode har samme utforming, slik at tampongtrykkmaskinen kan stå urørt mellom anvendelse av de to elektrodene. Men i noen tilfeller er elektrodene geometrier er forskjellig for de øvre og nedre elektrode. I dette tilfelle, mens membranene er i ovnen for herding av toppelektroden (dvs. mellom trinn 3.4.3 og 3.4.4), er det nødvendig å fjerne klisjeen blokken (montasjen bestående av den klisjé som holdes på plass på en magnetisk blokk) med inkpot fra pad utskrift maskin. Deretter må det installeres klisjeen byttes mot den med bunnen elektroden design. Fordi klisjeen blokken er blitt beveget, er det nødvendig å foreta en ny justeringsprosedyre (trinn 3.3) ved hjelp av en aligner plate etset med utformingen av den andre elektroden. Når begge elektrodene er anvendt, de trenger å være koblet til en ekstern kjøring kretsen som forsyner anklagene feller aktivering. Det finnes ulike løsninger for å gjøre de elektriske forbindelser mellom kompatible elektroder og kjøre elektronikk. Her er en fremgangsmåte godt egnet for proto vist, ved hjelp av klebemiddel dekket av rammer og ledende bånd (figur 3). For serieproduksjon, er bruken av trykte kretskort med kobber elektrodene i kontakt elektrodene et bedre alternativ (se Figur 10A for et eksempel på en anordning utført med en kommersiell PCB).
Bruke kommersielt utstyr eller produkter for de fleste av trinnene i prosessen flyt. De to unntak er måling av tykkelsen av silikon membraner og prestretching trinnene. For tykkelsen måling, bruk en hjemmelaget hvitt lys overføring interferometer som består av en kollimert hvit lyskilde (spot størrelse <1 mm) traversering membranen og innsamlet av et spektrometer. Perioden av interferensstriper i det overførte lysintensitet som en fuksjon av bølgelengde blir brukt til å beregne tykkelsen av membranen 20. Legg merke til at andre metoder kan anvendes for å måle tykkelsen, men de må være ikke-destruktiv, og ideelt sett kontaktløs for å unngå deformering av meget tynn membran. For prestretching av membraner, bruk en hjemmelaget radial forstrekker, som består av 8 metalliske fingre som kan ford radialt. For å forstrekk en membran, blir fingrene beveges innover, slik at den forstrekk støtte kan sitte fast til fingrene av båren (figur 4E). For å forstrekk membranen, blir fingrene beveges utover, og dermed effektivt å øke diameteren av silikon membran, som fører til like-akset prestretching av membranen. De åtte fingrene er forbundet til en ring, hvis rotasjon definerer radiale adskillelse av fingrene (figur 5).
Å ha et effektivt og godt etablert prosessflyt slik som den som er presentert her er viktigå produsere reproduserbare enheter som er robuste og pålitelige. Forhold til å kjøpe ferdiglagde filmer, støping tynne elastomermembraner gir mye designfrihet, som gjør det mulig å velge og skreddersy egenskapene til membranene til søknaden. For eksempel i tilfellet med silikon-elastomerer, kan hardheten og bruddforlengelsen bli valgt ved å velge produkter med forskjellig kjedelengde og tettheten av tverrbinding, og tykkelsen kan varieres ved regulering av støpeprosessen. Sistnevnte punkt gjør det mulig for eksempel å velge endelig membrantykkelse og forstrekk uavhengig av hverandre, noe som ikke er mulig med forhåndslaget film.
Evnen til nøyaktig mønster elektroden i liten skala (cm for å under mm) er også en viktig forutsetning for deas, som de fleste anordninger består av aktive og passive soner på samme membran. Dette innebærer at elektroden formen må være nøyaktig definert på membranen. I tillegg, som elektroder må påføres på begge siderav membranen, er det nødvendig å innrette de to elektroder i forhold til hverandre: i tillegg til en nøyaktig definert form, elektrodene må også være nøyaktig plassert på membranen. Den stemplingsprosessen som presenteres her, oppfyller disse to krav. Videre er pad utskrift en rask prosess, som bare noen få sekunder er pålagt å skrive ut en elektrode, og aktuatorer kan lett bli batch-behandlet ved hjelp av denne metoden. I motsetning til den brukte karbon fett eller løse pulver elektroder påføres manuelt, fører vår tilnærming til nøyaktig definert elektroder som presenterer en sterk adhesjon til membranen på hvilke de er brukt. De er meget motstandsdyktig mot slitasje, og kan ikke bli delaminert fra membranen 13. Til tross for det faktum at puten utskrift er en kontaktmetode, kan den brukes til å påføre blekk på tynne og skjøre silikon membraner, fordi den eneste delen som kommer i kontakt med membranen er en myk silikon stempel. Men det er en uunngåelig stiction mellom stempel og the membran, som bevirker en liten deformasjon av membranen når stempelet beveger seg tilbake oppover. Hvis membranen er for tynn, kan dette føre til brudd på membranen. Dette begrenser effektivt anvendelsen av tampongtrykkmetoden til membraner som er tykkere enn 10 mikrometer. For tynnere membraner, bør ikke-kontakt mønstrings metoder brukes, for eksempel blekkutskrifter.
Selv Deas har blitt studert i mer enn 15 år, de fleste av dagens Deas fortsatt basert på ferdige polyakrylsyreestere filmer kombinert med hånd påføres smøre elektroder. Disse håndlagde metoder har forårsaket Deas å forbli stort sett på tilstanden i lab prototyper, med begrenset adopsjon av industrien, til tross for interessant ytelsen Deas i form av belastning og strømforbruk. Selv pålitelige fabrikasjonsprosesser har allerede blitt publisert, gjelder de produksjon av unprestretched, stablet kontraktile aktuatorer oppnådd med dedikerte automatiserte oppsett 21,22. PRocess strømme presenterer vi her er en allsidig all-purpose prosess som beskriver alle de viktige trinnene som er nødvendige for å fremstille en DEA, og som lett kan anvendes til å passe et definert mål søknad.
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 |