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使用喷墨打印技术制备静电拉链致动器

发布时间:2022-11-03
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介绍

软致动器多选用可拉伸弹性体材料以实现机械顺应性,在许多软驱动原理中,静电驱动致动器具有效率、速度和无声操作方面的优异性能,但是需要高电场。拉链致动器允许特别高的能量密度,并提供了更多的柔性但通常选用不可拉伸材料。液压放大Taxel(HAXEL)技术结合了拉链电极和可拉伸材料,由边缘的柔性箔和中心的可拉伸薄膜组成的空腔用于填充介电液体。柔性箔上可沉积图案化的电极,当施加电压时形成压缩使介电液体从外围移动到可拉伸的中心区域从而形成凸块。宽度小于10mm、厚为1mm、重量仅为90mg的致动器可产生300mN的力和500µm平面外位移,比功率为100W/kg。HAXEL技术在触觉反馈系统、复杂流体阵列和软机器人有广泛应用。

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▲ 图1

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▲ 图2
软致动器设备的传统制备是通过粘结或层压不同的层,利用HAXEL技术、喷墨打印技术、激光切割的与金溅射等技术的结合以制备功能良好的静电拉链致动器。器件的结构如图1和图2中的方案。制作器件的总厚度小于200µm,沉积材料的厚度为100µm。根据HAXEL原理,制造的致动器是由柔性绝缘电极和可拉伸膜制成的流体填充袋组成。底部的电极沉积在PET衬底上,使用MicroFab的Jetlab®4喷墨打印第一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为第一绝缘层和后续沉积的基础材料,并对基于乙基纤维素的牺牲材料进行图案化,以限定驱动和填充所需的流体特性,后期可以用乙醇溶解,允许分离相邻的层。顶部拉链电极沉积在聚酯薄膜箔上,聚酯薄膜被放置在一层薄的喷墨打印的未固化PDMS层上,由于聚酯薄膜的硬度比PDMS高2000倍(4.2GPa vs. 2MPa),介电击穿强度(180V/µm)也高于PDMS的典型值,将其集成为拉链电极的柔性支撑。牺牲材料和聚酯薄膜都被喷墨打印的PDMS层封装,从而提供驱动所需的可拉伸膜。喷墨打印技术可制造电通孔用于将顶部聚酯薄膜电极连接到电源进行致动。每个致动器与平面流体入口一起制造,用于随后填充介电液体。宽度从入口接口处的6mm缩小到与致动器袋连接处的500µm,以最大限度地减小其在致动过程中的影响。为了加强通道以防止撕裂,在其上喷墨打印第二层PDMS层。致动器成对制造,并通过一个1mm宽的通道流体连接。

如图3为执行器制造的主要步骤。在MicroFab的Jetlab®4上进行喷墨打印。制作分9个步骤进行,打印单层PDMS,液滴和线之间的间距为100µm。产物如图4所示。

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▲ 图3
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▲ 图4

流体通道打开过程如图5所示,该装置被浸在乙醇浴中,使用气动控制器将乙醇加压至50mBar,然后将乙醇浴置入超声中10分钟,以加速牺牲材料的去除,如图6所示,I)制造后的装置俯视图;II)打开过程中的设备照片;III)打开装置的照片。

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▲ 图5

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▲ 图6

在乙醇干燥后,使用相同的压力控制器,用低粘度的氟化介质油(3M介电液体Fluorinert™ FC-40)填充通道,如图7所示。系统中增加了两个阀门,以调节致动器的填充压力,在两个阀打开的情况下,储液罐压力增加到所需的填充压力(10mBar),使流体流动并推开最终的气泡。图8显示了启动评估设置 。在10mBar的初始压力下填充FC-40,通过使用导电带将一块镍带粘合到金溅射聚酯薄膜上,将电缆焊接到上面,并通过垂直通道与顶部电极进行电连接。然后用鳄鱼夹连接印刷装置下面的底部电极,极连接到一个高压电源。

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▲ 图7

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▲ 图8
图9显示了从录制的视频中提取的两帧。在2500V下大约在10秒内完成压缩。一旦电压降低到0V,致动器在20秒内恢复到未驱动状态。不对称的时间响应是由包裹流体的PDMS层在压缩过程中相互粘附引起的。
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▲ 图9

结论

首次使用喷墨打印来制造HAXELs的关键层。喷墨打印了牺牲材料以及可拉伸层的PDMS,以获得驱动和填充的流体特性。研究展示了迈向更复杂的HAXEL阵列的第一步。目前,成对致动器是流体连接的,未来的发展将使用一个通用的流体系统来填充HAXEL致动器的NxN阵列,在关闭通道后将移除宽管入口。未来的器件将通过用喷墨打印的柔性电介质代替聚酯薄膜来制造,从而实现完全添加制造过程,拥有完全的设计灵活性。对触觉反馈系统、复杂流体阵列和软机器人的应用提供有力支持。


参考文献:

[1] Giulio Grasso, Samuel Rosset, Herbert Shea, "Fabrication of zipping electrostatic actuators incorporating inkjet-printed layers," Proc. SPIE 11587, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XXIII, 115871O (22 March 2021).


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